基于激光成像技术的农药雾滴飘移评价方法研究

王志翀，何雄奎※，李 天，黄铭一，张永萍，徐 林，邓喜军

（1. 中国农业大学理学院，北京 100193；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 安阳全丰生物科技有限公司，安阳 455001）

0 引 言

农药喷施过程中，约有 30%左右的细小雾滴会被气流携带至非靶标区域[1-3]，农药飘移到非靶标区域，不仅浪费农药、削弱防治效果，也是农药流失、利用率低的一个重要原因，还可能引起非靶标区域作物药害以及环境污染的问题[4-5]。欧美、发达国家植保机械与农药使用技术较为发达，田间飘移控制装备较先进，相应规范更加完善；而中国由于农药飘移行为的相关研究较少、药械与施药技术相对落后、施药方式不当、农药剂型少等因素，施药过程中存在农药飘失问题、环境污染与人畜中毒风险[6-8]。为了提高农药有效利用率，除采用新型技术、新型雾化部件及药械外，通过添加助剂改变药液性质来减少飘移也是研究重点之一[9-10]。

评估添加助剂的防飘移效果测试有田间测试和风洞测试2种，由于开放大田中气象因素的不稳定性和不可控性使得田间试验结果很难重复，而风洞测试可以确定某一因素对试验结果的影响并对该因素的作用进行量化[11-12]。在1997年，英国的Miller首次就针对各型喷头进行了风洞试验，并进行了雾滴的飘移特性分级[13]；Herbst[14]提出了飘移潜力指数（drift potential index，DIX）用于飘移的评估分析；傅泽田等[15]于1999年开展了风洞试验，对不同类型的喷头进行了风洞试验。曾爱军等[16]于2005年针对几种典型的液力式喷头在风洞中进行了飘移评价；王潇楠等[17]于2015年针对各型助剂对不同喷头的影响进行了风洞试验。风洞试验的喷雾飘移采样方法很多，如：棉丝、尼龙丝、培养皿、水敏纸、离心收集器等收集装置[18-22]。但所有收集装置均需要将装置上收集的喷雾液洗脱后测量，而且测量装置多为一次性，测试过程中需要耗费大量的时间和材料在喷雾飘移的测量上[23-26]。

Gil等[27-28]于 2013年年使用激光雷达测量果园喷雾机的飘移。激光雷达无需接收材料，直接探测空中雾滴，但激光雷达传感器价格昂贵，获得的数据量大、处理时间长，难以进行实时、快速批量的飘移测试。为提高测试速度、降低测试成本，本文利用激光成像对喷雾飘移进行测量。激光成像是近年新出现的技术，激光波长集中亮度高，可利用光的丁达尔现象使空气中的水滴、颗粒等成像。本文将该技术应用于风洞中喷雾飘移的定量分析，结合图像批处理技术，提取图像中的特征图层与参数，与喷雾飘移的实际测量结果进行拟合，利用得到的回归方程确立基于图像参数的计算方法，最终建立一种基于激光拍照快速测量风洞中喷雾飘移的评价方法。

1 试验材料与方法

1.1 材料与设备条件

试验喷头选用德国Lechler公司生产的LU120-01喷头，喷雾压力为 0.3 MPa，喷雾时长 5 s，指示剂使用0.5 g/L的Brilliant Sulfoflavine，BSF，风速为2 m/s。为获取不同飘移结果，本试验选用了 11种助剂添加到喷雾液中，其具体参数及理化性质见表 1，理化性质测试温度15 ℃。

表1 各助剂参数、添加体积浓度及理化性质Table 1 Parameters, added volume concentrations and chemical properties of spray adjuvants

收集样品根据ISO22856和GB/T 32241-2015中规定布置。水平样品分别布置于下风向，距离喷头1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m处，每个距离布置2张铜版纸（表面为聚氯乙烯）；垂直样品布置于下风向，距离喷头2 m处，高度5～85 cm，每10 cm布置一根直径2.0 mm的聚四氟乙烯丝，共9根。风洞布置如图1所示。

图1 风洞布置图Fig.1 Wind tunnel layout

收集样品使用100 mL去离子水洗脱，母液稀释1 000倍，洗脱液和母液使用 LS-55（美国 PerkinElmer）荧光仪检测，设置激发光波长为465 nm，狭缝宽度5 nm，检测发射光波长为500 nm，狭缝宽度15 nm，氙灯灯电压770 V。雾滴粒径使用Spraytec（英国Malvern）在距离喷头下方50 cm处进行测量。

1.2 激光影像获取

激光光源为660 nm线激光（日本三菱），制冷器为航空铝，激光成像图如图 2所示。相机使用脚架置于风洞内部，相机置于喷头上风向25 cm，水平距离45 cm，高度50 cm处。相机为Mi6手机，通过使用蓝牙连接相机快门控制器，手机相机设定为手动模式，白平衡和聚焦为自动模式，快门为1/8 s，感光度为100，镜头为广角镜头，光圈为 f/1.8。喷雾开始后使用蓝牙快门控制器连续拍照，直至喷雾停止。

图2 风洞中激光成像效果图Fig.2 Laser Imaging effect in wind tunnel

1.3 图像特征参数提取

1.3.1 喷雾区提取及去噪

拍摄后的照片使用MATLAB 2017a进行分析。将图像的RGB 3层信号分别独立。为有效分离喷雾区，避免弱光环境下风洞中的背景影响，选择使用R图层减去G图层，并将喷雾区从照片中裁剪出，图 3为各通道及处理后图片效果。

图3 各通道图像信息及处理后图片效果Fig.3 Image of all channel and result after processing

1.3.2 喷雾区特征参数提取

分离后的喷雾区图片数据为二维矩阵（定义图片左上角为零点），对垂直方向进行平均，得到水平方向的一维平均值序列（average_x），对序列求最大值（mx）和最大值坐标（i）；对水平方向进行平均，得到垂直方向的一维平均值序列（average_y），对该序列求垂直方向（y方向）最大值（my）和最大值坐标（j）；对整个图片求重心坐标（Center_x，Center_y）。具体表达式如下：

式中average_x为从垂直方向进行平均，得到的水平平均值序列；average_y为从水平方向进行平均，得到垂直平均值序列；mean为整体图像的平均值；pn为第n个点的像素值；xn为第n个点的横坐标值；yn为第n个点的纵坐标值。

1.4 计算方法

铜版纸和聚四氟乙烯线上的飘移量通过式（8）计算，得到飘移测试区分布情况[29-30]。

式中β(y,z)为距离地面z、距离喷头y处的飘移量，μL/cm2；A为样品测试荧光值；A0为母液测试荧光值；Va为洗脱液体积，100 mL；S为面积，铜版纸为49.5 cm2，聚四氟乙烯线为20 cm2。

通过测试平面内的雾滴总通量T，由式（9）计算。

式中y是与喷头的水平距离，范围0～4 m；z是距地面的垂直距离，范围0～1 m；T为雾滴体积总通量，L；飘移率 V=T/βv，βv 为喷雾体积，36 mL。

铜版纸上飘移量分布的特征距离L定义为

聚四氟乙烯线上飘移量分布的特征高度h定义为

水平飘移潜力指数DIXh定义为

垂直飘移潜力指数DIXv定义为

式中L为添加助剂的水平飘移特征距离，m；L0为未添加助剂的水平飘移特征距离，m，h为添加助剂的垂直飘移特征高度，m，h0为未添加助剂的垂直飘移特征高度，m，V为添加助剂的飘移率，V0为未添加助剂的飘移率；a、b为常数，分别取值为0.88、0.78[19-20]。飘移率越大，说明飘移的体积量越大；水平飘移的特征距离越远，说明飘移运移的距离越远；垂直飘移的特征高度越大，说明飘移在空中运移高度越高；DIX值越大，飘移损失的可能性越大。

2 结果与分析

2.1 喷雾飘移测试结果

图4为不同助剂的雾滴飘移分布。水平飘移沉积量在各距离上的沉积量分布如图4a，各助剂随距离的增大沉积量下降，下降趋势较为相近，其中AS100在整体上飘移多于其他助剂。垂直方向飘移在各高度上的飘移量分布如图 4b，主要飘移分布在0～75 cm高度范围内，各助剂随高度的上升，飘移量先上升后下降，峰值集中于 30～50 cm 处，其中AS100和 ND700的峰值较高，AS100峰值出现在距地面25 cm，ND700出现在距地面40 cm处。

图4 不同助剂的雾滴飘移分布Fig.4 Drift distribution of different adjuvant

通过 1.4节中的式（10）～（13），对垂直和水平飘移的3个特征参数进行计算，得到各个助剂的飘移率、特征飘移高度/距离、DIXh和 DIXv指数，如表2所示。在垂直飘移中BT、迈图、AGE809、ADE701、AGE852、AGE825的 DIXv指数分别为 68、55、65、51、62和59，均远低于100空白值，说明能够起到较好的防飘效果，但其中的 BT在水平飘移中并未产生较好的防飘移效果，DIXh仅为91；全丰助剂未起到防飘移效果，DIXh和DIXv指数与空白相当，即不减少飘移也不增加飘移；AS100、A+B、ND500、ND700的DIXh和DIXv大于空白值，说明其不仅未产生抗飘移效果而且增加了飘移，其中AS100的DIXh和DIXv指数分别为 128和 108，均大于空白值，这与飘移分布中出现的规律一致。

表2 垂直和水平的飘移特征参数Table 2 Characteristic parameters of horizontal and vertical spray drift

2.2 飘移与照片特征参数

将计算得到的飘移率、特征飘移高度、DIX指数与照片中的特征参数（式（1）至（7）计算得出）使用SPSS 21.0（IBM）回归分析，表3为垂直飘移与水平飘移特征参数与照片特征参数拟合结果。在垂直飘移和水平飘移中 3个飘移特征参数均得到了较好的拟合结果，最小相关系数为 0.913，且回归分析结果均具有显著性（Sig.F＜0.05）。在垂直飘移 3个特征参数拟合中均使用了照片计算产生的7个参数，相关系数r均大于0.97，回归结果均具有显著性（Sig. F＜0.05）。

表3 垂直飘移与水平飘移特征参数与照片特征参数拟合结果Table 3 Result of fitting vertical drift characteristic parameter and horizontal drift characteristic parameter with photo feature parameter

在水平飘移中，特征距离拟合中排除了水平方向最大值（mx）和垂直方向最大值位置（j）2个无关参数，飘移率和DIXv均与照片计算产生的7个参数进行回归，相关系数 r均大于 0.91，回归结果均具有显著性（Sig.F＜0.05）。

综合垂直和水平飘移拟合结果，垂直飘移的 3个特征参数均与平均值（mean）呈正相关，垂直方向最大值位置（j）、重心位置纵坐标（Center_y）呈负相关，说明雾滴散射的红色在图片中出现越多（图3）、在垂直方向上越高（坐标数值越小），DIXv指数越大，说明飘移风险越高。水平飘移的 3个特征参数均与平均值呈正相关，水平方向最大值（i）、重心位置纵坐标呈负相关，说明雾滴散射的红色在图片中出现越多、在水平方向上越远离喷头、垂直方向上重心越高，DIXh指数越大，飘移风险越高。这一规律与飘移运动规律一致，即雾滴运动的越高越远（图3中左上角方向），潜在飘移量越多，DIX指数越大。

2.3 激光成像测量准确性

由于测量为雾滴反射光，为保证风洞中获取清晰的影像，拍摄装置置于靠近喷头处，因此造成一定的图像扭曲，但该图像扭曲是线性变化[31-32]，在后续线性回归分析过程中消除了该影响因素，为方便计算机批量执行，因此在自动计算时，直接使用线性回归方法进行，减少操作步骤。

利用拟合方程计算的飘移率、特征高度、DIX与实测值进行对比，得到相对误差及绝对值平均相对误差、均方根误差（RMSE），如表4所示。结果表明，计算结果与实测值非常接近，绝对值平均相对误差最大仅为5.9%。垂直特征高度和水平特征距离拟合结果最好，平均相对误差为0，绝对值平均相对误差为0.6%和1.5%，其次为DIX指数和飘移率。综合垂直飘移与水平飘移后，垂直飘移与水平飘移之间无明显的区别，拟合结果规律相似，其中DIX指数绝对值平均误差综合后为仅4.0%，准确率高达96%，飘移率准确率为94.4%。

表4 水平和垂直飘移计算值与实测值误差结果Table 4 Result of error between calculated value and tested value of vertical and horizontal drift

通过计算照片中的特征信息，结合拟合公式，可对水平、垂直飘移的飘移率、飘移特征高度、DIX进行计算。由此可以证明，激光成像是一种对风洞中飘移评估可行且准确的方法。

2.4 激光成像测量雾滴飘移与传统测量方法的对比

激光成像测量雾滴飘移与传统的测量方法相比，主要存在三方面的优点：1）测试快速、高效。拍照测量过程与喷雾过程同步，在喷雾的同时进行拍照。计算机处理过程为程序自动运行，可实现无人化批次处理，直接输出图片的特征参数。1张图片耗时低于1 s。2）测试经济、环保，无需耗材。喷雾过程中无需使用接收材料，只需激光光源与相机拍摄，无一次性耗材，测试更加环保。同时喷雾液中也无需添加指示剂，在确保喷雾液与实际作业中一致的同时，也降低了测试成本。3）测试准确，重复性好。测试过程中无人操作，全程使用计算机。避免了人为取样过程中样品污染、检测过程中人为误差。提高了同一测试中的重复性。本试验中，同一处理内的照片计算结果变异系数平均为2.8%，最小为0.3%，而人工测试结果的平均变异系数为12.4%。但该方法局限于风洞中，且需要保证外界光源亮度较低，难以运用到除室外田间测量过程中。

3 结 论

本文选用 11种各类型助剂和水在风洞中的进行了喷雾飘移测试，利用激光成像技术，实时获取了飘移影像信息，结合图像批处理技术，提取了横纵方向的最大值及位置、重心坐标、平均值等图像特征参数，同时按照国际标准测试喷雾飘移，通过图像特征参数与评估飘移的飘移率、特征高度、DIX指数3个特征参数进行拟合，验证了激光成像技术测量喷雾飘移的准确性。得到以下结论：

1）图像特征参数与飘移率、特征高度、DIX指数的拟合结果较好（相关系数＞0.91，Sig. F＜0.05）。最大绝对值平均相对误差仅为5.9%，垂直特征高度和水平特征距离拟合结果最好，平均相对误差为0，绝对值平均相对误差为0.6%和1.5%，其次为DIX指数和飘移率。

2）测试重复性较高，处理内计算结果平均变异系数为2.8%，远大于人工测量的12.4%。DIX指数综合准确性可高达96%。

综上，激光拍照是一种可以准确地评估风洞中的喷雾飘移的方法，是一种快速、环保、高效的测试方法，可以在助剂的批量筛选过程中节约大量的时间和耗材，提高筛选效率，也可以在防飘装置测试中运用，提高测试效率。