基于高光譜成像的不同藥滴粒徑的藥效試驗裝置開發

馬偉 王秀 夏浪

農藥噴灑時的霧滴粒徑和噴藥壓力是影響施藥效果的兩個關鍵因素，要根據作物栽培的實際情況來決定其參數。傳統的方式是依據經驗選取噴頭的孔徑，再根據孔徑選取大致的壓力范圍，這種做法比較簡單，但是忽略了作物的類型、生長階段、葉片表面微觀特征、農藥類型、農藥濃度等參數，對于試驗精度要求較高的藥效試驗會產生諸多問題，試驗結果存在一定程度的不確定性。

開發藥效試驗裝置可以瞄準解決霧滴粒徑和壓力調節這兩個關鍵目標。控制霧滴粒徑常規的辦法是選取不同孔徑的噴頭，美國噴霧系統公司提供了系列的Teejet噴嘴，并有詳細的孔徑及霧滴特征描述。恒壓裝置有多種方法，采用精準的壓力調節閥以及間歇壓力泵都可以作為壓力源。但藥效試驗對藥劑的用量和濃度有較高要求，因此傳統的壓力泵方式難免會有藥劑殘留在壓力泵及管路中，這些殘留的藥劑會對下一個處理的藥劑產生不同程度的影響，因此，試驗裝置的設計要考慮如何清理管路系統中的留存藥劑。采用氣體加壓的方式是一個很好的選擇。加壓選用CO2氣體，具有以下好處：第一是價格低，鋼管包裝的2 L CO2氣體售價僅幾十元，基本可以完成上百個小樣本的藥效試驗；第二是維護方便，電機加壓要考慮電機的防水以及蓄電池的定期充電、故障率較高等問題，而氣壓系統可長期保存；第三是攜帶方便，鋼瓶體積小，強度較高，配上手提結構，非常容易攜帶。

藥效檢測的傳統方法是采集活體樣本進行實驗室組分分析，主要通過電鏡觀察葉片組織的變化，進行染病孢子或者害蟲蟲體的統計。此種調查方法周期較長，費時費力，短時間內處理樣本的數量較少。然而藥效試驗組分分析都是數百個樣本以上，實際調查中往往力不從心。采用光譜手段能無損快速的獲取植株的光譜數據，將其和正常植株、嚴重染病的光譜曲線進行比對，對關鍵點的光譜數據進行對比分析，建立對應的識別和判定數學模型[1-2]，就能快速的得出不同藥效的分析結果。高光譜成像技術不但融合光譜的特征，同時做到“圖譜合一”，能夠直觀的選取感興趣的圖元，進行光譜數據的提取和分析，因而對于植株藥效而言具有極強的針對性。

原理

在鋼瓶內儲存2～4 L高壓CO2氣體，通過氣壓閥分成2路，并需進行恒壓限壓，可通過改變噴霧壓力來調節霧滴粒徑大小。該系統由CO2鋼瓶、開關閥、噴嘴、光譜儀、計算機分析系統及控制系統組成（圖1）。不同處理的藥劑可按照濃度和種類等參數提前儲存在多個塑料瓶里，使用時按照試驗作物的分組方案將塑料瓶替換上?？刂破骺山邮沼嬎銠C信號控制藥劑流量和藥量的大小。開關閥關閉，停止噴霧后氣壓閥泄壓，保證氣路安全。噴嘴為帶螺紋結構可同時進行多組噴嘴的輪換測試和不同霧滴大小的對比試驗。光譜儀實時傳輸采集植物施藥后的光譜信息，發送給計算機進行計算來提取相關信息。

試驗

試驗裝置（圖2）的測試在溫室內進行。配置不同濃度的光譜殺菌劑啶酰菌胺溶液分別裝在不同的塑料瓶中，測試時擰緊固定在試驗裝置上，CO2高壓氣體將藥液直接壓出，在噴嘴處形成霧滴，對待測花卉苗進行不同霧滴粒徑大小的噴灑試驗。將50株花苗分成5個對照組，每組10株，其中4組共40株噴藥，一個對照空白組10株不施藥。試驗裝置噴頭選用Teejet系列噴頭，輪換按照花苗編號噴施。噴藥CO2氣體壓力選擇從0.2～0.36 MPa連續調節，圖3是測試過程。通過不同霧滴粒徑噴灑的秧苗在溫室中葉片表面干涸后即可進行光譜數據的采集分析。為提高光譜測量精度需要提前用白色背景進行校準，試驗時穿深色衣服，選取溫室外陽光沒有遮擋的位置進行試驗（圖4）。

結果

通過試驗裝置獲取感興趣的葉片區域的圖元，對應的光譜值就可以讀取出來（圖5）。數據分析時依次選取不同位置、不同高度的葉片，裁剪后提取對應光譜數據，即可得到不同霧滴粒徑下葉片施藥后的藥效信息。從試驗數據結果看，花苗染病程度對光譜影響最大，霧滴粒徑大小次之，藥劑濃度影響最小。

結論

本文開發了基于高壓CO2氣體來形成不同霧滴粒徑的試驗裝置，并采用基于光譜手段來進行不同霧滴粒徑噴藥后藥效的光譜響應試驗進行數據分析，得出光譜響應受霧滴粒徑影響的不顯著的結論。

參考文獻

[1]馬偉，王秀，李偉國.近紅外光譜（NIRs）檢測技術在設施果蔬生產上的應用[J].農業工程技術（溫室園藝），2015（31）：60-63.

[2]吳長山，項月琴，鄭蘭芬，等.利用高光譜數據對作物群體葉綠素密度估算的研究[J].遙感學報，2000，4（3）：228-232.

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