一種基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)研發(fā)及應用

羅伍周 朱小波 嚴實 趙富強 舒炎昕

摘要 為改進和優(yōu)化航空噴霧作業(yè)質(zhì)量檢測技術(shù)，進一步提高檢測準確性與效率，本文通過對比分析國內(nèi)外霧滴采集與檢測技術(shù)，提出了基于智能手機拍照方式獲取霧滴沉積圖像，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，測算霧滴體積直徑的新方法。設計開發(fā)了基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02），該系統(tǒng)主要包括便攜式檢測儀、專業(yè)檢測軟件、數(shù)據(jù)管理平臺三部分。最后，通過與霧滴沉積分析系統(tǒng)（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）等傳統(tǒng)檢測手段對比測試驗證表明，基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)適用于航空噴霧質(zhì)量現(xiàn)場檢測，且檢測結(jié)果準確可靠。

關(guān)鍵詞 航空噴霧;?智能手機;?檢測

中圖分類號： S 49

文獻標識碼：?B

DOI：?10.16688/j.zwbh.2021662

Abstract In order to improve and optimize the quality inspection methods of aviation spray operations， and improve the accuracy and efficiency of inspections， this paper compares and analyzes the collection and detection technology of fog droplets at home and abroad， and proposes a new method for obtaining fog droplet deposition images based on smartphone photography， and uses digital image processing technology to measure the volume diameter of fog droplets. A smart phone-based aviation spray quality inspection system was designed and developed， which mainly consists of three parts， including portable detector， professional inspection software， and data management platform. Finally， the comparison and verification with traditional detection methods such as the droplet deposition analysis system （IDAS PRO） and microscope （Leica M80） were carried out， it show that the smartphone-based aviation spray quality inspection system （J-02） is suitable for on-site aviation spray quality inspection， and the detection results are accurate and reliable.

Key words aviation spray;?smartphone;?inspection

航空噴灑是以有人或無人駕駛航空器作為搭載工具，使用專業(yè)設備將液體物料按特定技術(shù)要求從空中向地面目標噴霧的飛行活動。由于具有快速、高效、靈活和通用性強等優(yōu)點而廣泛應用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，在航空植保、航空施肥和衛(wèi)生防疫等領域顯示了不可替代的作用。

據(jù)統(tǒng)計，2020年我國有近100家通用航空企業(yè)開展了農(nóng)業(yè)航空作業(yè)，約占實際運行企業(yè)總數(shù)的17%［1］;與此同時，我國植保無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2020年全國植保無人機保有量已達到11萬架，全年作業(yè)面積突破6 000余萬hm2次［2］，為我國農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化做出了重要貢獻。然而，航空噴霧容易造成藥液霧滴的飄移，這不僅會降低防治效果，增加成本，還會危及非靶標區(qū)的敏感動植物、人類健康及生態(tài)環(huán)境，從而對作業(yè)安全造成影響。

噴霧檢測是評價噴霧作業(yè)質(zhì)量與噴霧飄移狀況的重要技術(shù)手段，理想的測量方法應具備測量速度快、圖像分辨率高、測量方便及經(jīng)濟性好等特點。目前國內(nèi)常用的霧滴收集器一類是線形采樣器，如聚乙烯塑料線、聚四氟乙烯塑料線、棉線、羊毛線等，這類采樣器具有采樣效率高、可用于采集空中霧滴等特點，但不能用于分析霧滴粒徑及霧滴譜分布;此外，一些片狀收集器也使用較廣，如氧化鎂玻片、水敏紙、卡羅米特紙卡、皮氏培養(yǎng)皿等，這類采樣器使用離散介質(zhì)為載體，能用于分析霧滴粒徑及分布模式，但采樣效率較低，檢測結(jié)果的重復性差，且人為誤差較大。國外已開發(fā)了大量測量地面噴霧霧滴粒徑的方法，如Tayali等介紹了一系列可用來測量多相流體中的粒子、霧滴或氣泡直徑的光學方法［3］;Sidahmed等利用PMS-FSSP探頭測量農(nóng)藥噴霧噴頭的霧滴粒徑分布［4］; Dodge應用6類17種霧滴粒徑測量儀器（包括PMS、MALVERN激光粒譜儀、AEROMETRIESP/ DPA、BETE霧滴分析儀、KLD等）對兩類噴頭進行了對比測試［5］。

在檢測技術(shù)應用方面，北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心開發(fā)了IDAS PRO 霧滴沉積分析系統(tǒng)，其霧滴采集裝置為手持式掃描裝置（V700N），該裝置不受環(huán)境光線影響，但數(shù)據(jù)采集和處理不方便，檢測效率低，圖像分辨率較低，在檢測小霧滴方面具有較大難度。大疆創(chuàng)新科技公司開發(fā)了霧滴分析儀，該檢測儀配合手機獲取霧滴沉積圖像，然后利用分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到霧滴覆蓋密度和霧滴分布均勻度，但該裝置檢測指標不全（僅有霧滴變異系數(shù)、覆蓋率、霧滴數(shù)量、霧滴粒徑4個檢測指標），無法及時出具檢測報告。澳大利亞農(nóng)業(yè)部開發(fā)了霧滴覆蓋率分析軟件，該軟件配合手機獲取的霧滴沉積圖像，可直接讀取霧滴的覆蓋率，但該軟件缺乏配套的硬件檢測裝置，檢測結(jié)果誤差較大，檢測指標單一，功能不全面，僅支持IOS系統(tǒng)，不利于應用推廣。此外，傳統(tǒng)的顯微鏡觀測法對霧滴進行檢測分析，雖然檢測結(jié)果的準確性較高，但存在檢測結(jié)果人為誤差較大、檢測效率低、批量處理難等問題。

針對目前我國航空噴霧現(xiàn)場檢測技術(shù)存在的問題，設計開發(fā)基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)，能夠為解決樣本采集效率低、小粒徑高密度霧滴觀測分析誤差大、數(shù)據(jù)存儲與野外測試設備攜帶不方便等技術(shù)問題，以及改變目前檢測手段落后狀況、提高檢測工作技術(shù)水平提供新途徑；有利于行業(yè)監(jiān)管部門開展作業(yè)質(zhì)量及安全監(jiān)管，提高航空噴霧作業(yè)質(zhì)量，確保航空噴霧作業(yè)的整體經(jīng)濟效益，保護生態(tài)環(huán)境及人員健康，從而促進農(nóng)業(yè)航空事業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。本文依據(jù)行業(yè)標準，提出了基于智能手機拍照方式獲取霧滴沉積圖像，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)測算霧滴體積、直徑的新方法。設計開發(fā)了基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)，并探究該系統(tǒng)用于航空噴霧質(zhì)量現(xiàn)場檢測的可靠性和實用性。

1?材料與方法

1.1?總體設計

基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）摒棄傳統(tǒng)的以顯微鏡或掃描儀為主的霧滴圖像獲取方式，改用常用的智能手機作為圖像采集工具，充分利用智能手機普及率高、無需額外購置，并且分辨率高、使用方便、具備網(wǎng)絡通信功能等優(yōu)點;運用微距攝影原理集成環(huán)形LED，避免了在采集霧滴圖像時周圍環(huán)境對成像質(zhì)量的影響，并結(jié)合霧滴圖像處理軟件，實現(xiàn)對手機拍攝的霧滴圖像進行實時分析處理、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)字化存儲等功能。

1.2?檢測指標確定

根據(jù)民航行業(yè)標準《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標 第1部分：噴灑作業(yè)》（MH/T 1002.1-1995）［6］和《航空噴施設備的噴施率和分布模式測定》（MH/T 1040-2011）［7］，并結(jié)合生產(chǎn)過程中的實際需求，明確航空噴霧質(zhì)量檢測技術(shù)指標，主要包括霧滴體積中值直徑與數(shù)量中值直徑、霧滴譜寬度、霧滴數(shù)量、霧滴覆蓋密度、樣片檢測面積、噴灑沉積量、沉積率、沉積面積及覆蓋率等。

1.3?檢測流程

根據(jù)檢測過程中的實際需求設計航空噴霧質(zhì)量檢測流程。主要包括：在航空噴霧質(zhì)量檢測前，采用水敏紙收集霧滴樣本;樣本采集完成后，采用便攜式航空噴霧質(zhì)量檢測儀和智能移動終端獲取霧滴圖像，同時利用航空噴霧質(zhì)量檢測軟件建立任務信息、對樣本圖像參數(shù)進行分析處理，最后自動出具檢測報告，以實現(xiàn)航空噴霧質(zhì)量快速評估的目的。

1.4?設備與材料

施藥機具：大疆T16型植保無人機，噴頭型號：XR11001VS;噴灑介質(zhì)：清水。

檢測設備：航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）、霧滴沉積分析系統(tǒng)（IDAS PRO）、顯微鏡（Leica M80）、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀。

采樣材料：水敏紙（Syngenta， 76×26）。

輔助材料：工具包、皮尺、標識旗、封裝袋、干燥劑、記號筆、手套等。

1.5?霧滴直徑計算

利用圖像處理軟件對霧滴沉積圖像進行分析，首先通過刻度尺進行圖像標定，計算出比例尺（本研究中確定比例尺為5.77 μm/pix）;接著對目標區(qū)域進行差分高斯濾波，同時進行過濾部分噪聲、閾值處理，得到掩模圖像，通過連通域分析得到單個霧滴沉積面積和直徑，如圖1所示，最后利用樣片霧滴擴散系數(shù)［8］換算單個霧滴體積直徑。

1.6?現(xiàn)場測試

試驗施藥機具為大疆T16，以清水為噴灑介質(zhì)，采用大田模式，飛行速度3.5 m/s，噴幅寬度4.5 m，噴液量1.5 L/667 m2，2次測試飛行高度分別為1.5 m和2.5 m。

如圖2所示，設置1個長60 m，寬20 m的植保無人機噴灑試驗區(qū)。

在每個試驗區(qū)的中間設置3條平行的采樣線，采樣桿頂部距地面1 m，采樣線的長度為10 m，相鄰采樣線間隔10 m。采用間隔采樣方式，每隔0.5 m左右設置一個采樣點，每個采樣點距地面高度0.8 m處的正面和反面分別放置一張采樣片（圖3）。

采樣片回收及分析處理：在植保無人機噴灑作業(yè)結(jié)束后，對水敏紙進行拍照和回收掃描，利用航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）、霧滴沉積分析系統(tǒng)（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）對樣片數(shù)據(jù)進行分析處理，記錄霧滴覆蓋密度、標準偏差和變異系數(shù)，并計算平均值，用變異系數(shù)來表示霧滴分布均勻度;記錄體積中值直徑、數(shù)量中值直徑和霧滴譜寬度，并計算平均值;記錄噴霧沉積量、標準偏差和變異系數(shù)，并計算平均值。

2?結(jié)果與分析

2.1?霧滴采集圖像比較

目前獲取霧滴圖像的方式主要有掃描和拍照，為確定最優(yōu)霧滴圖像采集方式，開展了專用掃描儀與手機拍照成像質(zhì)量對比試驗。分別用顯微鏡（LeicaM80）、榮耀6手機（Honor 6）、華為P9手機（Huawei P9）、手持式掃描裝置（V700N）4種設備對同一張水敏紙、同一目標區(qū)域的霧滴進行掃描和拍照，并將獲取的圖片導入圖像處理軟件，如圖4所示。經(jīng)放大觀察后發(fā)現(xiàn)，V700N的成像質(zhì)量明顯差于手機的成像質(zhì)量，華為P9手機的成像質(zhì)量幾乎與顯微鏡相當，如圖5所示。從圖4、圖5比較和綜合分析來看，智能手機采集霧滴沉積圖像的方式適用于航空噴霧作業(yè)質(zhì)量現(xiàn)場檢測。

2.2?霧滴觀測分析

按照以上分析方法，對不同設備得到的霧滴沉積圖像進行分析，并結(jié)合顯微鏡肉眼讀取得到同一霧滴的觀測直徑，結(jié)果如表1所示。手持式掃描裝置（V700N）圖像采集質(zhì)量較差，結(jié)果對于分析過程中的參數(shù)設置非常敏感，需要一種魯棒性、自適應性非常強的圖像處理方法才能進行有效分析，在此未做比較。

通過測試發(fā)現(xiàn)，肉眼讀數(shù)與顯微鏡圖像分析結(jié)果吻合，但由于肉眼讀數(shù)具有偶然性，并且對于非圓形區(qū)域難以得到有效等效直徑，因此顯微鏡圖像分析結(jié)果是相對權(quán)威的結(jié)果。經(jīng)過對大小不同的10個霧滴的分析統(tǒng)計后得到如下結(jié)果：榮耀6平均偏差11.4 μm，華為P9平均偏差12.6 μm。

2.3?便攜式檢測儀

便攜式檢測儀（圖6）運用放大鏡原理，集成超高清微距鏡頭，以及鋰電池充電芯片、電源開關(guān)、環(huán)形LED燈、電位器及USB接口等電子器件，具有功能完善、體積小、重量輕、方便攜帶等優(yōu)點，避免了在采集霧滴沉積圖像時周圍環(huán)境對成像質(zhì)量的影響，以及常用霧滴采集裝置輔件多、質(zhì)量大、不適宜作業(yè)現(xiàn)場檢測等問題。該檢測儀的充放電電壓為5 V，體積直徑66 mm、高48 mm;支持10倍光學變焦，分辨率可達5 μm/pix， 發(fā)光強度大于1 200 cd，待機時長為8 h。

2.4?專業(yè)檢測軟件

專業(yè)檢測軟件（圖7）結(jié)合航空噴霧質(zhì)量檢測流程，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對獲取的霧滴沉積圖像進行處理和分析，得到霧滴直徑、霧滴數(shù)量、樣片面積、霧滴密度、沉積量及覆蓋率等霧滴沉積特征參數(shù)指標，以及航空噴霧質(zhì)量檢測報告。該軟件支持快速檢測和專業(yè)檢測兩種模式，快速檢測用于檢測任務前的設備調(diào)試，以及單個采樣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。專業(yè)檢測可設置檢測任務信息，每個檢測任務下可設置多條采樣線，并且每條采樣線可設置的采樣點數(shù)可達近百個。

2.5?數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)管理平臺（圖8）基于專業(yè)檢測軟件回傳數(shù)據(jù)可對用戶信息、檢測數(shù)據(jù)進行實時存儲、分類管理，主要包括首頁、基礎信息、快速檢測、專業(yè)檢測、檢測報告及系統(tǒng)管理等功能模塊。其中首頁主要介紹檢測流程和檢測方法，基礎信息用于檢測任務管理，快速檢測用于管理某檢測任務下的單張采樣片檢測數(shù)據(jù)，專業(yè)檢測用于管理某檢測任務下采樣線及采樣線樣片的檢測數(shù)據(jù)，檢測報告用于查看歷史數(shù)據(jù)并打印檢測報告，系統(tǒng)管理主要用于系統(tǒng)用戶的添加與刪除，以及系統(tǒng)日查看和系統(tǒng)通知的發(fā)布。

2.6?測試結(jié)果與分析

2020年4月11日上午，項目組在四川什邡結(jié)合無人機噴霧防治煙葉蚜蟲試驗，開展了航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）、霧滴沉積分析系統(tǒng)（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）對噴霧采集樣片的比對檢測。噴霧試驗設置3個重復，測試結(jié)果見表2。表中設置的檢測指標項參考了民航行業(yè)標準《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標 第1部分：噴灑作業(yè)》（MH/T 1002.1-2016）;檢測結(jié)果為3個重復煙草植株冠層頂部檢測數(shù)據(jù)的平均值。

從表2可以看出，航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）、霧滴沉積分析系統(tǒng)（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）3款不同檢測設備，對同一植保無人機噴灑作業(yè)質(zhì)量檢測結(jié)果顯示：霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量及沉積量分布均勻度指標，J-02與Leica M80的檢測結(jié)果更接近。以顯微鏡（Leica M80）測定結(jié)果為參考值，J-02測定的各項檢測指標誤差均低于IDAS PRO，J-02與IDAS PRO兩種設備檢測的各項指標中霧滴覆蓋密度誤差最大，J-02測算的霧滴覆蓋密度絕對誤差和相對誤差分別為6.20和34.07%，而IDAS PRO測算的霧滴覆蓋密度絕對與相對誤差分別為10.40和57.14%，從上述分析表明J-02的檢測結(jié)果更可靠準確。

3?結(jié)論與建議

基于智能手機的航空噴霧質(zhì)量檢測系統(tǒng)（J-02）測量得到的霧滴粒徑優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法測量得到的結(jié)果，與顯微鏡測量結(jié)果非常接近，且體積小、質(zhì)量輕，易于操作、攜帶，適用于航空噴霧質(zhì)量現(xiàn)場檢測。

該系統(tǒng)的開發(fā)和應用，有利于提高航空噴霧作業(yè)質(zhì)量檢測技術(shù)水平，促進航空噴霧作業(yè)設備及作業(yè)質(zhì)量鑒定工作的順利開展，為行業(yè)主管部門開展現(xiàn)場監(jiān)管提供了技術(shù)支持。

建議該系統(tǒng)（J-02）增加在固定翼飛機、直升機噴霧作業(yè)場景中應用測試與驗證，為改進系統(tǒng)性能和科研生產(chǎn)上的應用提供借鑒。

參考文獻

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（責任編輯：田?喆）