基于高光谱成像的不同药滴粒径的药效试验装置开发

马伟 王秀 夏浪

农药喷洒时的雾滴粒径和喷药压力是影响施药效果的两个关键因素，要根据作物栽培的实际情况来决定其参数。传统的方式是依据经验选取喷头的孔径，再根据孔径选取大致的压力范围，这种做法比较简单，但是忽略了作物的类型、生长阶段、叶片表面微观特征、农药类型、农药浓度等参数，对于试验精度要求较高的药效试验会产生诸多问题，试验结果存在一定程度的不确定性。

开发药效试验装置可以瞄准解决雾滴粒径和压力调节这两个关键目标。控制雾滴粒径常规的办法是选取不同孔径的喷头，美国喷雾系统公司提供了系列的Teejet喷嘴，并有详细的孔径及雾滴特征描述。恒压装置有多种方法，采用精准的压力调节阀以及间歇压力泵都可以作为压力源。但药效试验对药剂的用量和浓度有较高要求，因此传统的压力泵方式难免会有药剂残留在压力泵及管路中，这些残留的药剂会对下一个处理的药剂产生不同程度的影响，因此，试验装置的设计要考虑如何清理管路系统中的留存药剂。采用气体加压的方式是一个很好的选择。加压选用CO2气体，具有以下好处：第一是价格低，钢管包装的2 L CO2气体售价仅几十元，基本可以完成上百个小样本的药效试验；第二是维护方便，电机加压要考虑电机的防水以及蓄电池的定期充电、故障率较高等问题，而气压系统可长期保存；第三是携带方便，钢瓶体积小，强度较高，配上手提结构，非常容易携带。

药效检测的传统方法是采集活体样本进行实验室组分分析，主要通过电镜观察叶片组织的变化，进行染病孢子或者害虫虫体的统计。此种调查方法周期较长，费时费力，短时间内处理样本的数量较少。然而药效试验组分分析都是数百个样本以上，实际调查中往往力不从心。采用光谱手段能无损快速的获取植株的光谱数据，将其和正常植株、严重染病的光谱曲线进行比对，对关键点的光谱数据进行对比分析，建立对应的识别和判定数学模型[1-2]，就能快速的得出不同药效的分析结果。高光谱成像技术不但融合光谱的特征，同时做到“图谱合一”，能够直观的选取感兴趣的图元，进行光谱数据的提取和分析，因而对于植株药效而言具有极强的针对性。

原理

在钢瓶内储存2～4 L高压CO2气体，通过气压阀分成2路，并需进行恒压限压，可通过改变喷雾压力来调节雾滴粒径大小。该系统由CO2钢瓶、开关阀、喷嘴、光谱仪、计算机分析系统及控制系统组成（图1）。不同处理的药剂可按照浓度和种类等参数提前储存在多个塑料瓶里，使用时按照试验作物的分组方案将塑料瓶替换上。控制器可接收计算机信号控制药剂流量和药量的大小。开关阀关闭，停止喷雾后气压阀泄压，保证气路安全。喷嘴为带螺纹结构可同时进行多组喷嘴的轮换测试和不同雾滴大小的对比试验。光谱仪实时传输采集植物施药后的光谱信息，发送给计算机进行计算来提取相关信息。

试验

试验装置（图2）的测试在温室内进行。配置不同浓度的光谱杀菌剂啶酰菌胺溶液分别装在不同的塑料瓶中，测试时拧紧固定在试验装置上，CO2高压气体将药液直接压出，在喷嘴处形成雾滴，对待测花卉苗进行不同雾滴粒径大小的喷洒试验。将50株花苗分成5个对照组，每组10株，其中4组共40株喷药，一个对照空白组10株不施药。试验装置喷头选用Teejet系列喷头，轮换按照花苗编号喷施。喷药CO2气体压力选择从0.2～0.36 MPa连续调节，图3是测试过程。通过不同雾滴粒径喷洒的秧苗在温室中叶片表面干涸后即可进行光谱数据的采集分析。为提高光谱测量精度需要提前用白色背景进行校准，试验时穿深色衣服，选取温室外阳光没有遮挡的位置进行试验（图4）。

结果

通过试验装置获取感兴趣的叶片区域的图元，对应的光谱值就可以读取出来（图5）。数据分析时依次选取不同位置、不同高度的叶片，裁剪后提取对应光谱数据，即可得到不同雾滴粒径下叶片施药后的药效信息。从试验数据结果看，花苗染病程度对光谱影响最大，雾滴粒径大小次之，药剂浓度影响最小。

结论

本文开发了基于高压CO2气体来形成不同雾滴粒径的试验装置，并采用基于光谱手段来进行不同雾滴粒径喷药后药效的光谱响应试验进行数据分析，得出光谱响应受雾滴粒径影响的不显著的结论。

参考文献

[1]马伟，王秀，李伟国.近红外光谱（NIRs）检测技术在设施果蔬生产上的应用[J].农业工程技术（温室园艺），2015（31）：60-63.

[2]吴长山，项月琴，郑兰芬，等.利用高光谱数据对作物群体叶绿素密度估算的研究[J].遥感学报，2000，4（3）：228-232.

项目支持：国家科技支撑项目（2014BAD06B01-17）；北京市创新团队岗位专家项目。