基于激光成像技術的農藥霧滴飄移評價方法研究

王志翀，何雄奎※，李 天，黃銘一，張永萍，徐 林，鄧喜軍

（1. 中國農業大學理學院，北京 100193；2. 中國農業大學工學院，北京 100083；3. 安陽全豐生物科技有限公司，安陽 455001）

0 引 言

農藥噴施過程中，約有 30%左右的細小霧滴會被氣流攜帶至非靶標區域[1-3]，農藥飄移到非靶標區域，不僅浪費農藥、削弱防治效果，也是農藥流失、利用率低的一個重要原因，還可能引起非靶標區域作物藥害以及環境污染的問題[4-5]。歐美、發達國家植保機械與農藥使用技術較為發達，田間飄移控制裝備較先進，相應規范更加完善；而中國由于農藥飄移行為的相關研究較少、藥械與施藥技術相對落后、施藥方式不當、農藥劑型少等因素，施藥過程中存在農藥飄失問題、環境污染與人畜中毒風險[6-8]。為了提高農藥有效利用率，除采用新型技術、新型霧化部件及藥械外，通過添加助劑改變藥液性質來減少飄移也是研究重點之一[9-10]。

評估添加助劑的防飄移效果測試有田間測試和風洞測試2種，由于開放大田中氣象因素的不穩定性和不可控性使得田間試驗結果很難重復，而風洞測試可以確定某一因素對試驗結果的影響并對該因素的作用進行量化[11-12]。在1997年，英國的Miller首次就針對各型噴頭進行了風洞試驗，并進行了霧滴的飄移特性分級[13]；Herbst[14]提出了飄移潛力指數（drift potential index，DIX）用于飄移的評估分析；傅澤田等[15]于1999年開展了風洞試驗，對不同類型的噴頭進行了風洞試驗。曾愛軍等[16]于2005年針對幾種典型的液力式噴頭在風洞中進行了飄移評價；王瀟楠等[17]于2015年針對各型助劑對不同噴頭的影響進行了風洞試驗。風洞試驗的噴霧飄移采樣方法很多，如：棉絲、尼龍絲、培養皿、水敏紙、離心收集器等收集裝置[18-22]。但所有收集裝置均需要將裝置上收集的噴霧液洗脫后測量，而且測量裝置多為一次性，測試過程中需要耗費大量的時間和材料在噴霧飄移的測量上[23-26]。

Gil等[27-28]于 2013年年使用激光雷達測量果園噴霧機的飄移。激光雷達無需接收材料，直接探測空中霧滴，但激光雷達傳感器價格昂貴，獲得的數據量大、處理時間長，難以進行實時、快速批量的飄移測試。為提高測試速度、降低測試成本，本文利用激光成像對噴霧飄移進行測量。激光成像是近年新出現的技術，激光波長集中亮度高，可利用光的丁達爾現象使空氣中的水滴、顆粒等成像。本文將該技術應用于風洞中噴霧飄移的定量分析，結合圖像批處理技術，提取圖像中的特征圖層與參數，與噴霧飄移的實際測量結果進行擬合，利用得到的回歸方程確立基于圖像參數的計算方法，最終建立一種基于激光拍照快速測量風洞中噴霧飄移的評價方法。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設備條件

試驗噴頭選用德國Lechler公司生產的LU120-01噴頭，噴霧壓力為 0.3 MPa，噴霧時長 5 s，指示劑使用0.5 g/L的Brilliant Sulfoflavine，BSF，風速為2 m/s。為獲取不同飄移結果，本試驗選用了 11種助劑添加到噴霧液中，其具體參數及理化性質見表 1，理化性質測試溫度15 ℃。

表1 各助劑參數、添加體積濃度及理化性質Table 1 Parameters, added volume concentrations and chemical properties of spray adjuvants

收集樣品根據ISO22856和GB/T 32241-2015中規定布置。水平樣品分別布置于下風向，距離噴頭1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m處，每個距離布置2張銅版紙（表面為聚氯乙烯）；垂直樣品布置于下風向，距離噴頭2 m處，高度5～85 cm，每10 cm布置一根直徑2.0 mm的聚四氟乙烯絲，共9根。風洞布置如圖1所示。

圖1 風洞布置圖Fig.1 Wind tunnel layout

收集樣品使用100 mL去離子水洗脫，母液稀釋1 000倍，洗脫液和母液使用 LS-55（美國 PerkinElmer）熒光儀檢測，設置激發光波長為465 nm，狹縫寬度5 nm，檢測發射光波長為500 nm，狹縫寬度15 nm，氙燈燈電壓770 V。霧滴粒徑使用Spraytec（英國Malvern）在距離噴頭下方50 cm處進行測量。

1.2 激光影像獲取

激光光源為660 nm線激光（日本三菱），制冷器為航空鋁，激光成像圖如圖 2所示。相機使用腳架置于風洞內部，相機置于噴頭上風向25 cm，水平距離45 cm，高度50 cm處。相機為Mi6手機，通過使用藍牙連接相機快門控制器，手機相機設定為手動模式，白平衡和聚焦為自動模式，快門為1/8 s，感光度為100，鏡頭為廣角鏡頭，光圈為 f/1.8。噴霧開始后使用藍牙快門控制器連續拍照，直至噴霧停止。

圖2 風洞中激光成像效果圖Fig.2 Laser Imaging effect in wind tunnel

1.3 圖像特征參數提取

1.3.1 噴霧區提取及去噪

拍攝后的照片使用MATLAB 2017a進行分析。將圖像的RGB 3層信號分別獨立。為有效分離噴霧區，避免弱光環境下風洞中的背景影響，選擇使用R圖層減去G圖層，并將噴霧區從照片中裁剪出，圖 3為各通道及處理后圖片效果。

圖3 各通道圖像信息及處理后圖片效果Fig.3 Image of all channel and result after processing

1.3.2 噴霧區特征參數提取

分離后的噴霧區圖片數據為二維矩陣（定義圖片左上角為零點），對垂直方向進行平均，得到水平方向的一維平均值序列（average_x），對序列求最大值（mx）和最大值坐標（i）；對水平方向進行平均，得到垂直方向的一維平均值序列（average_y），對該序列求垂直方向（y方向）最大值（my）和最大值坐標（j）；對整個圖片求重心坐標（Center_x，Center_y）。具體表達式如下：

式中average_x為從垂直方向進行平均，得到的水平平均值序列；average_y為從水平方向進行平均，得到垂直平均值序列；mean為整體圖像的平均值；pn為第n個點的像素值；xn為第n個點的橫坐標值；yn為第n個點的縱坐標值。

1.4 計算方法

銅版紙和聚四氟乙烯線上的飄移量通過式（8）計算，得到飄移測試區分布情況[29-30]。

式中β(y,z)為距離地面z、距離噴頭y處的飄移量，μL/cm2；A為樣品測試熒光值；A0為母液測試熒光值；Va為洗脫液體積，100 mL；S為面積，銅版紙為49.5 cm2，聚四氟乙烯線為20 cm2。

通過測試平面內的霧滴總通量T，由式（9）計算。

式中y是與噴頭的水平距離，范圍0～4 m；z是距地面的垂直距離，范圍0～1 m；T為霧滴體積總通量，L；飄移率 V=T/βv，βv 為噴霧體積，36 mL。

銅版紙上飄移量分布的特征距離L定義為

聚四氟乙烯線上飄移量分布的特征高度h定義為

水平飄移潛力指數DIXh定義為

垂直飄移潛力指數DIXv定義為

式中L為添加助劑的水平飄移特征距離，m；L0為未添加助劑的水平飄移特征距離，m，h為添加助劑的垂直飄移特征高度，m，h0為未添加助劑的垂直飄移特征高度，m，V為添加助劑的飄移率，V0為未添加助劑的飄移率；a、b為常數，分別取值為0.88、0.78[19-20]。飄移率越大，說明飄移的體積量越大；水平飄移的特征距離越遠，說明飄移運移的距離越遠；垂直飄移的特征高度越大，說明飄移在空中運移高度越高；DIX值越大，飄移損失的可能性越大。

2 結果與分析

2.1 噴霧飄移測試結果

圖4為不同助劑的霧滴飄移分布。水平飄移沉積量在各距離上的沉積量分布如圖4a，各助劑隨距離的增大沉積量下降，下降趨勢較為相近，其中AS100在整體上飄移多于其他助劑。垂直方向飄移在各高度上的飄移量分布如圖 4b，主要飄移分布在0～75 cm高度范圍內，各助劑隨高度的上升，飄移量先上升后下降，峰值集中于 30～50 cm 處，其中AS100和 ND700的峰值較高，AS100峰值出現在距地面25 cm，ND700出現在距地面40 cm處。

圖4 不同助劑的霧滴飄移分布Fig.4 Drift distribution of different adjuvant

通過 1.4節中的式（10）～（13），對垂直和水平飄移的3個特征參數進行計算，得到各個助劑的飄移率、特征飄移高度/距離、DIXh和 DIXv指數，如表2所示。在垂直飄移中BT、邁圖、AGE809、ADE701、AGE852、AGE825的 DIXv指數分別為 68、55、65、51、62和59，均遠低于100空白值，說明能夠起到較好的防飄效果，但其中的 BT在水平飄移中并未產生較好的防飄移效果，DIXh僅為91；全豐助劑未起到防飄移效果，DIXh和DIXv指數與空白相當，即不減少飄移也不增加飄移；AS100、A+B、ND500、ND700的DIXh和DIXv大于空白值，說明其不僅未產生抗飄移效果而且增加了飄移，其中AS100的DIXh和DIXv指數分別為 128和 108，均大于空白值，這與飄移分布中出現的規律一致。

表2 垂直和水平的飄移特征參數Table 2 Characteristic parameters of horizontal and vertical spray drift

2.2 飄移與照片特征參數

將計算得到的飄移率、特征飄移高度、DIX指數與照片中的特征參數（式（1）至（7）計算得出）使用SPSS 21.0（IBM）回歸分析，表3為垂直飄移與水平飄移特征參數與照片特征參數擬合結果。在垂直飄移和水平飄移中 3個飄移特征參數均得到了較好的擬合結果，最小相關系數為 0.913，且回歸分析結果均具有顯著性（Sig.F＜0.05）。在垂直飄移 3個特征參數擬合中均使用了照片計算產生的7個參數，相關系數r均大于0.97，回歸結果均具有顯著性（Sig. F＜0.05）。

表3 垂直飄移與水平飄移特征參數與照片特征參數擬合結果Table 3 Result of fitting vertical drift characteristic parameter and horizontal drift characteristic parameter with photo feature parameter

在水平飄移中，特征距離擬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個無關參數，飄移率和DIXv均與照片計算產生的7個參數進行回歸，相關系數 r均大于 0.91，回歸結果均具有顯著性（Sig.F＜0.05）。

綜合垂直和水平飄移擬合結果，垂直飄移的 3個特征參數均與平均值（mean）呈正相關，垂直方向最大值位置（j）、重心位置縱坐標（Center_y）呈負相關，說明霧滴散射的紅色在圖片中出現越多（圖3）、在垂直方向上越高（坐標數值越小），DIXv指數越大，說明飄移風險越高。水平飄移的 3個特征參數均與平均值呈正相關，水平方向最大值（i）、重心位置縱坐標呈負相關，說明霧滴散射的紅色在圖片中出現越多、在水平方向上越遠離噴頭、垂直方向上重心越高，DIXh指數越大，飄移風險越高。這一規律與飄移運動規律一致，即霧滴運動的越高越遠（圖3中左上角方向），潛在飄移量越多，DIX指數越大。

2.3 激光成像測量準確性

由于測量為霧滴反射光，為保證風洞中獲取清晰的影像，拍攝裝置置于靠近噴頭處，因此造成一定的圖像扭曲，但該圖像扭曲是線性變化[31-32]，在后續線性回歸分析過程中消除了該影響因素，為方便計算機批量執行，因此在自動計算時，直接使用線性回歸方法進行，減少操作步驟。

利用擬合方程計算的飄移率、特征高度、DIX與實測值進行對比，得到相對誤差及絕對值平均相對誤差、均方根誤差（RMSE），如表4所示。結果表明，計算結果與實測值非常接近，絕對值平均相對誤差最大僅為5.9%。垂直特征高度和水平特征距離擬合結果最好，平均相對誤差為0，絕對值平均相對誤差為0.6%和1.5%，其次為DIX指數和飄移率。綜合垂直飄移與水平飄移后，垂直飄移與水平飄移之間無明顯的區別，擬合結果規律相似，其中DIX指數絕對值平均誤差綜合后為僅4.0%，準確率高達96%，飄移率準確率為94.4%。

表4 水平和垂直飄移計算值與實測值誤差結果Table 4 Result of error between calculated value and tested value of vertical and horizontal drift

通過計算照片中的特征信息，結合擬合公式，可對水平、垂直飄移的飄移率、飄移特征高度、DIX進行計算。由此可以證明，激光成像是一種對風洞中飄移評估可行且準確的方法。

2.4 激光成像測量霧滴飄移與傳統測量方法的對比

激光成像測量霧滴飄移與傳統的測量方法相比，主要存在三方面的優點：1）測試快速、高效。拍照測量過程與噴霧過程同步，在噴霧的同時進行拍照。計算機處理過程為程序自動運行，可實現無人化批次處理，直接輸出圖片的特征參數。1張圖片耗時低于1 s。2）測試經濟、環保，無需耗材。噴霧過程中無需使用接收材料，只需激光光源與相機拍攝，無一次性耗材，測試更加環保。同時噴霧液中也無需添加指示劑，在確保噴霧液與實際作業中一致的同時，也降低了測試成本。3）測試準確，重復性好。測試過程中無人操作，全程使用計算機。避免了人為取樣過程中樣品污染、檢測過程中人為誤差。提高了同一測試中的重復性。本試驗中，同一處理內的照片計算結果變異系數平均為2.8%，最小為0.3%，而人工測試結果的平均變異系數為12.4%。但該方法局限于風洞中，且需要保證外界光源亮度較低，難以運用到除室外田間測量過程中。

3 結 論

本文選用 11種各類型助劑和水在風洞中的進行了噴霧飄移測試，利用激光成像技術，實時獲取了飄移影像信息，結合圖像批處理技術，提取了橫縱方向的最大值及位置、重心坐標、平均值等圖像特征參數，同時按照國際標準測試噴霧飄移，通過圖像特征參數與評估飄移的飄移率、特征高度、DIX指數3個特征參數進行擬合，驗證了激光成像技術測量噴霧飄移的準確性。得到以下結論：

1）圖像特征參數與飄移率、特征高度、DIX指數的擬合結果較好（相關系數＞0.91，Sig. F＜0.05）。最大絕對值平均相對誤差僅為5.9%，垂直特征高度和水平特征距離擬合結果最好，平均相對誤差為0，絕對值平均相對誤差為0.6%和1.5%，其次為DIX指數和飄移率。

2）測試重復性較高，處理內計算結果平均變異系數為2.8%，遠大于人工測量的12.4%。DIX指數綜合準確性可高達96%。

綜上，激光拍照是一種可以準確地評估風洞中的噴霧飄移的方法，是一種快速、環保、高效的測試方法，可以在助劑的批量篩選過程中節約大量的時間和耗材，提高篩選效率，也可以在防飄裝置測試中運用，提高測試效率。