变量施药技术大盘点：哪项技术最精准？

文 | 毕雅萱 赵帅 鹤壁汽车工程职业学院 雷晓辉 中国农业大学工学院

变量施药技术大盘点：哪项技术最精准？

文 | 毕雅萱 赵帅 鹤壁汽车工程职业学院 雷晓辉 中国农业大学工学院

我国是发展中的农业大国，为了保证农作物的高产而不被病虫侵扰，对农药的需求量巨大。目前，我国化学农药防治面积达3亿平方百米，并且每年以0.133亿平方百米的速度递增，自2007年起，中国农药总产量及使用量居全球第一。然而面对巨大的施药现状，我国传统施药技术却较为落后。

目前，我国植物保护使用的施药机械仍以手动药械为主。由于手动喷雾机结构简单，价格便宜，因而市场覆盖面很大，防治面积达 60%～70%。但这些机具在使用中存在严重的“跑、冒、滴、漏”等现象，喷施过程中农药分布不均匀，作业效率极低，已不能满足现代化农业发展的需求。

变量施药技术启源于精准农业的思想，认为田间病虫草害的发生存在时间空间上的差异，通过获取农田病虫草害存在的时间空间上的差异信息，针对田间每个小区病虫草害密度，采取技术上可行有效的施药方案，准确地在每块农田小区上喷洒农药。这种变量施药方式不仅能通过合理的分配农药投入，减少浪费，最大限度地提高农药的利用率，降低成本，提高效益，而且能降低作物中农药毒素的残留量，提高农作物产品品质。

欧美发达国家对施药技术的研究已有100多年的历史，早在上世纪四十年代植保机械就开始实施专业化道路。这些国家已形成了以大、中型陆地喷雾机和航空喷雾机为主的植保机械体系。而我国的相关研究工作起步较晚，很多新技术新发明还处于研发阶段，没有投放市场。目前，变量施药技术按照采用传感器的类型可分为：基于红外光的变量施药技术、基于超声波的变量施药技术、基于机器视觉的变量施药技术、基于激光雷达的变量施药技术。

基于红外光的变量施药技术

红外自动对靶技术兴起于二十世纪六十年代，红外装置在有效探测距离范围内向作物靶标发射红外线光电信号，通过探测反射信号的有无来实现对电磁阀的开闭控制，来达到自动对靶喷雾的目的。该技术具有成本低、动作迅速、无需接触等优点，目前已广泛应用于医药、化工、农业等领域，探测方式如图1所示。

图1　红外自动对靶装置探测方式

中国农业大学何雄奎等人在“十五”期间研制了“果园自动对靶喷雾机”，其中红外自动对靶装置便是红外光技术在变量施药技术上的应用，红外自动对靶装置的电路原理图如图2所示，探测距离在10～100厘米的范围内可调。它是利用果树靶标在有效探测范围内反射红外线光电信号来实现对电磁阀的开闭控制，以达到自动对靶喷雾的目的。经试验，该探测装置的探测距离范围为0～6.3米，最小识别间距为0.3米。李丽对上述红外自动对靶装置进行了改进，采用了多功能的编码器BA5104和译码器BA5204，这2种芯片可以改变红外光的频率，使得不同的装置之间的红外信号不会相互干扰。经测试，该装置可以发射32种不同编码的红外光，一台果园喷雾机上最多可以安装32个信号互不干扰的红外电子眼。这对探测器的单路控制进行了改进，它增加了电子眼的通用性和可移植性。安装有此装置的果园喷雾机在作业时，农民可以按需装配不同数量的红外自动对靶装置，这实现了对自动对靶功能的灵活控制。

2010年，中国农业大学药械与施药技术中心李恒研发了一种基于红外光的，以颜色传感器TCS230D为辅助的红外光电探测系统，电路原理如图3所示。该探测系统能够同时对靶标的2种特征——存在与否和颜色是否为绿色——进行识别，以此来达到当且仅当探测器探测到绿色靶标时进行喷雾的目的。研究表明：①探测器探测距离与叶片覆盖密度有关，当植物冠层叶片覆盖率越大时，探测器探测距离越远，反之探测距离越近。②探测距离与植物靶标本身反射出的红外光强度有关，叶片表面反射出的红外光越强，探测器探测距离越远，反之探测距离越近。③探测器探测距离的远近是靶标叶片覆盖率与靶标叶面反射红外光强度两因素综合影响的结果，叶片覆盖率越大且反射光强度越大时，探测器探测距离越远且工作越稳定。

基于超声波的变量施药技术

超声波变量施药技术是利用超声波测距原理的自动对靶施药技术，作业原理如图4所示。超声波传感器在采集环境信息时不存在复杂的图像匹配技术，不需要通过大量的计算获得距离数据，因此其测距速度快，实时性好。虽然超声波传感器容易使用且价格低廉，但它也有不足：精度低，而且其测量误差也取决于它与靶标的距离、空气的温度与湿度、以及喷雾机相对地面的运行速度等。

2003年Escola等人发明了一套运用超声波传感器测定树冠体积的喷雾机控制系统，进而研发了具有商业价值的变量空气辅助式果园喷雾机。2006年Solanelles等人，也使用超声波传感器把传统的风送式喷雾机改装成变量果园喷雾机。

图4　带有超声波传感器的果园喷雾机作业原理图

Molto等人设计了由单片机、超声波传感器、步进电机、喷杆及喷头等组成的施药系统，该系统利用超声波传感器探测传感器与果树轮廓之间的距离，并将距离信息传送给单片机，单片机根据此信息控制步进电机驱动喷杆运动，实现喷头与果树轮廓间保持一定距离的目的。这就是所谓的恒定距离喷雾（Spray at constant distance）控制系统，该系统在果园喷雾中达到了较好的效果。

中国农业大学胡开群研制了基于超声波传感器的变量施药系统，该系统主要包括超声波传感器、单片机、PC、流量控制机构及喷头等。传感器用于测量其与作物冠层间的最短距离，测得的数据经单片机通过RS232 串口传送至 PC，为进一步的数据处理做准备。电动比例调节阀则根据传感器的探测情况实时调节喷头的流量，达到变量施药的目的。如图5为系统的果园冠层体积测量系统界面。

基于机器视觉的变量施药技术

机器视觉技术是研究用计算机来模拟生物视觉功能的科学技术，即利用计算机实现人的视觉功能，是由图像数据来产生视野环境内有用符号描述的过程。在农业中，机器视觉技术主要应用于植物生长监测、杂草识别、农业机器人、农业遥感分析、农产品分级、品质检测、动物行为跟踪等方面。

Yang Chun-Chieh等人设计了基于机器视觉技术和图像处理技术的杂草自动识别系统，该系统用摄像机采集田间庄稼、杂草等图像信息，将采集到的信息经人工神经网络处理区分出庄稼和杂草，并且确定杂草的分布情况和覆盖率。根据杂草的分布信息，系统利用模糊控制理论计算除草剂的喷量。

Chris Gliever等人利用图像传感器对植物靶标进行拍照，将拍得的照片实时传送给计算机，计算机通过图像处理技术对照片进行处理从而识别出靶标杂草，计算机根据图像处理的结果，作出施药决策，并以施药处方地图的形式将施药决策传到施药控制器，施药处方地图标有数字网格，网格标明了施药区域。当喷雾机经过标定的区域时，相应的施药控制阀就会打开，针对杂草靶标进行施药。

南京农业机械化研究所吕晓兰搭建了一种基于机器视觉的变量施药平台。该平台能够分别在自动和手动工作模式下，通过变量控制器控制不同电磁阀的通断电，从而实现不同型号喷头的开闭组合。系统运行稳定，响应迅速，满足田间实时性要求。经测定，系统图像处理过程耗时为0.613秒，电磁阀响应耗时为0.233秒，雾滴到达靶标的飞行时间0.113秒，系统总延迟时间为0.959秒，基本满足系统实时性要求。

南京林业大学赵茂程等研发了基于树木特征图像的农药实时精确对靶可变量喷雾机。作业时，喷雾机先利用CCD摄像机、图像采集卡获取树冠形态图像，然后采用计算机视觉和BP神经网络的自动识别系统，根据如树冠的高度、周长、面积等树冠特性作为精确施药的主要依据，控制喷头进行精准对靶喷雾。该研究在实验室进行了测试，图像识别率高达93.8%。

基于激光雷达的变量施药技术

激光雷达传感技术在农业领域的应用，是近几年才发展起来的。它是利用激光的打飞原理，在几十毫秒的时间内通过发出脉冲激光束来扫描一定范围内激光雷达与作物靶标上各探测点之间的距离。在激光雷达内有一个激光源可以发射脉冲激光束，当发射出的脉冲激光束撞击到作物靶标时，部分的激光束就会被反射回来，然后被雷达内的探测器接收。雷达从发出激光束到接收到反射回波之间有段时间差，它和激光雷达与作物靶标上对应探测点之间的距离有着直接的比例关系。图6为测量原理图。

美国Ohio州立大学Heping Zhu等人研制了对于不同冠层结构实时变量施药的激光雷达制导喷雾机。该智能喷雾机是在一个葡萄园喷雾机的基础上经改进后得到的，喷雾机上安装有0.81米高的轴流风机，为其两侧的8个复合喷头提供风力，如图7所示。激光雷达扫描树冠特性的算法可以优化智能喷雾机上每个喷头的喷雾量。经室外测试，不管树的外形尺寸是大是小，此样机在树冠上喷雾的沉积分布情况令人满意。与传统自动对靶喷雾机相比，此智能喷雾机的药液消耗量可减少38%～51%。

国内对此项技术的研究相对较少，中国农业大学康峰对葡萄树杆自动对靶精准施药及根蘖定位识别技术进行了研究。利用“障碍带”的施药方法，研制了牵引式多喷头激光对靶喷雾机，此喷雾机由激光测距机、多喷头施药系统和基于CAN 总线的施药控制系统组成。激光测距机二维扫描葡萄树杆根部，获得其轮廓信息，通过靶标识别算法得到靶标尺寸与位置信息。如图8为喷雾机田间试验照片。

图6　激光雷达测量原理

图7

图8　激光测距机制导喷雾机田间试验照片

在对药液包角、雾滴覆盖率的影响程度上，经喷雾航向角为0度和15度时的对比试验，结果表明：当喷雾航向角为15度时树杆上药液包角达到211.6度，优于0度喷雾航向角时的171.6度，两种角度下靶标中间部位的雾滴覆盖率基本相同，并且在15度喷雾航向角时靶标两侧的雾滴覆盖率明显优于0度时的，雾滴沉积均匀性更好。

通过分析国内外变量施药技术发展的现状，总体上看我国变量施药技术在各个方向都有了明显提高，尤其在激光雷达变量施药技术处于世界领先。变量施药技术根据田间杂草分布信息或病虫害程度，在不同区域里喷施除草剂或杀虫剂，提高农药的靶标附着率，减少农药在非靶标区域的沉积，可以大大降低农业生产成本。但我国在变量施药技术上更多处于田间试验，未来可在成熟技术的基础上，进一步降低施药装备成本，并在我国推广。

（本文系国家科技支撑计划（2011BAD20B07）项目成果。）