作物冠層霧滴沉積研究進展與展望

劉雪美 劉興華 崔慧媛 苑 進

(1.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省農業裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018)

0 引言

我國農作物病蟲害多發頻發重發，年發生面積近5億公頃次，農產品損失近4 000萬t，以蟲害為例，2012年粘蟲、2017年紅蜘蛛、2018年棉鈴蟲、2019—2020年草地貪夜蛾暴發成災。另一方面，植物化學保護仍是當前最主要的病蟲害防控方法，對保障農業生產安全與糧食有效供給起至關重要作用。我國從2015年2月17日開始實施“農藥零增長”戰略，“十三五”重點解決從精準施藥2.0(植保機械化)到精準施藥3.0(植保智慧化)的提升，提前3年實現了農藥使用量零增長的目標。

2019年我國農藥利用率已達39.8%，然而仍有超過60%的農藥造成了浪費，精準施藥仍有較大減藥增效空間和環保潛力，農藥利用率每提高1%(相當于減藥1.3萬t/a)，可挽回75萬t糧食損失。隨著世界各國對氣候安全和環境安全重要性認識的不斷提高，我國“綠水青山”和“農藥負增長”等環保戰略亦逐步升級，植保作業面臨保障產量和環境安全雙重壓力，精準施藥技術亟待進一步提高，以期實現精準施藥4.0(植保綠色化/生態化)，即“更少藥量，更均勻覆蓋，更佳防效”。

作物冠層內霧滴的沉積是植保噴霧作業的基礎，是決定施藥質量的關鍵環節，也是當前精準施藥技術研究熱點問題之一。農業農村部《全國草地貪夜蛾防控方案》指出:“玉米等作物高稈期，全株噴霧；幼蟲盛發期，重點噴植株中下部。”同時，冠層內霧滴沉積均勻性與防治效果具有顯著一致性[1]。因此，霧滴的全株覆蓋和均勻沉積是確保防治效果的先決條件，能顯著提高防治效果，最大限度地減少施藥量和施藥次數，提高農藥利用率。

冠層霧滴沉積過程，是指具有一定初速度和粒徑譜分布的慣性霧滴群到達冠層表面后，在多種作用力綜合作用下霧滴群在枝葉孔隙內穿透、撞擊、反彈，最終部分霧滴鋪展在枝葉表面的復雜行為。為明晰作物冠層霧滴沉積過程與規律，國內外學者從面向不同作物及機具的實例試驗、霧滴沉積仿真分析、沉積預測與檢測等方面，開展了大量有益研究。

為明晰作物冠層霧滴沉積研究進展與存在的問題，本文在闡述多因素影響下冠層內霧滴沉積過程的基礎上，從沉積性能研究、沉積機理分析與建模、霧滴沉積檢測與評價和施藥作業參數優化等方面，對冠層霧滴沉積研究歷程和成果進行梳理，重點分析霧滴、氣流、枝葉的動態耦合機理，歸納該領域的開放性問題，并對霧滴沉積研究發展趨勢和新技術應用進行展望和探討。

1 冠層內霧滴沉積衰減現象及改善機理分析

合理密植、提高產量的現代農藝要求下，密植作物芽期、苗期等生長前期的稀疏枝葉尚不稠密，但生長中后期易于形成高郁閉度冠層。雖然此時植保施藥的藥液地面流失率減少，但植株中下層或冠層內部沉積衰減，整體沉積均勻性差，藥液有效利用率不高。其原因在于：霧滴群首先被濃密的表層葉片截獲，未被截獲的霧滴繼續向內穿透，但未被截獲的霧滴量遞減，在植株內層沉積率遠低于植株表層沉積率，出現“霧滴沉積衰減”現象。研究表明[2]：高郁閉度冠層比中低密度冠層沉積均勻率低約40%。

影響作物冠層內霧滴均勻沉積的因素眾多。植保噴霧所面對的農作物種類繁多、靶標特征各異，其冠層形態、生長時期、郁閉度和枝葉力學參數等均會影響霧滴的冠層沉積分布。同時，器械施藥能力、施藥環境條件等因素亦會影響霧滴的冠層沉積行為。因此，作物冠層霧滴沉積是多因素綜合作用下，具有耦合性、非線性、不確定性的復雜動態過程。

為了提高霧滴在冠層內穿透分布的均勻性、提高霧滴在葉片正反面的附著沉積等目標，植保噴霧作業依據不同作業場景，采用強制氣流、靜電噴霧[3]、吊桿噴霧、仿形噴霧、機械擾動[4]等各種輔助手段。輔助手段的運用，可有效改善冠層內霧滴沉積均勻性，有利于精準施藥，其改善作用主要體現為兩方面：

(1)優化霧滴輸運通道，增加霧滴在冠層內部的穿透能力和分配比例。具體措施為：對作物枝葉施加風力或機械載荷，引起枝葉變形，增大冠層孔隙率，擴展輸運通道，或直接選擇作物高孔隙率分布的噴霧角，實現霧滴在冠層內高孔隙率路徑下運移。

(2)增強霧滴變軌運移能力，改善冠層內部枝葉和葉片背面的沉積比例。具體措施為：通過對霧滴施加額外約束力，例如氣流曳力增加霧滴在迂曲枝葉孔隙內的運移距離，或靜電噴霧增加霧滴枝葉與霧滴間電場引力以改變霧滴運動軌跡，使霧滴能夠在冠層內部處和葉片背面沉積，提高沉積均勻性。各類輔助措施改善冠層霧滴穿透沉積的作用機制如圖1所示。

傳統噴霧中，如手持式噴霧器、普通噴桿噴霧機、果園或溫室固定式噴霧系統是典型的無輔助手段的傳統噴霧機具，在早期植保噴霧中應用廣泛。霧滴生成主要源于壓力或離心力作用，使之產生一定的初速度，慣性霧滴群在重力和空氣粘滯阻力影響下運移穿行于枝葉構成的孔隙內，進而撞擊并鋪展于枝葉表面，其運移沉積過程主要受霧滴粒徑、霧滴初速度、冠層形態、葉密度等參數的綜合影響。慣性霧滴變軌能力較弱，難以穿透枝葉迂曲孔隙。因此，傳統噴霧模式面對冠層枝葉稀疏或苗期等低郁閉度作物，尚可達到較好的霧滴沉積均勻性與植保防效，但生長中后期枝葉繁多、冠層郁閉的作物(如棉花、玉米、果樹等)，冠層內部和葉片背面難以取得理想的霧滴沉積均勻性。

強制氣流作為輔助噴霧技術，無論無人機的下洗氣流，還是地面機械的風送氣流，當氣流脅迫霧滴群到達冠層后，氣流可改變冠層孔隙率，增加霧滴穿透力，有益于全株覆蓋和均勻沉積，是實現超低量施藥、提高農藥有效利用率的最佳施藥方式之一。強制氣流能夠在兩方面改善冠層內沉積：通過較大的風速對作物冠層枝葉施加風力載荷，迫使柔性枝葉彎曲變形，可以拓寬冠層孔隙，打開霧滴進入冠層內部的配送通道；同時可以借助氣流曳力，脅迫霧滴在枝葉孔隙內變軌運動，提高穿透能力。多旋翼植保無人機[5](圖2a)、風幕式噴桿噴霧機[6](圖2b)等是開展氣流輔助噴霧的實用化機具。

靜電噴霧借助電暈、感應和接觸荷電方式使霧滴帶有電荷，使得荷電霧滴群與冠層枝葉間建立感應靜電場，增強霧滴變軌運移能力[7]。荷電霧滴群在慣性力作用下在枝葉孔隙內運移過程中，穿透冠層表面的枝葉進入冠層內部后，荷電霧滴在電場力作用下，對于葉片正面能夠穩定吸附，對于葉片背面能夠實現環繞吸附，克服霧滴不易在葉片背面沉積難題，從而降低了地面流失率，增加了葉片沉積率。常規施藥中，在闊葉葉片背面不容易沉積，因此靜電噴霧在闊葉類作物的病蟲害防治中具有顯著優勢(圖2c)。

吊桿噴霧的吊桿結構深入稠密枝葉內部，避開冠層上部郁閉層的遮擋，在植株群體內部沿高孔隙率路徑噴霧施藥，有利于霧滴在郁閉冠層內部的均勻附著沉積[8](圖2d)。面向果園各類果樹的仿形噴霧，其技術思路與吊桿噴霧有相似之處，通過仿形結構，實現霧滴沿多角度高孔隙率路徑向果樹冠層內部送藥。機械擾動[4]方式通過撥桿或罩蓋等機構撥開冠層郁閉枝葉，擴展霧滴運移通路，有利于霧滴深入冠層內部沉積。

上述分析表明，影響霧滴沉積的因素眾多，除噴霧流量、霧化壓力、霧滴粒徑等因素外，在各類輔助措施應用背景下，枝葉力學參數、孔隙率、葉密度、冠層形態、氣流速度、荷質比、分禾深/寬度等因素均會影響霧滴在冠層內的運動沉積。因此，改善作物冠層內霧滴沉積的實質是強制氣流、霧滴荷電、機械擾動等輔助手段與冠層枝葉交互下，在重力、氣流曳力、靜電場力等作用下，優化慣性霧滴顆粒在冠層枝葉間形成的霧滴群穿透、分配、運移變軌和葉面附著行為。

2 冠層霧滴沉積研究進展

2.1 沉積性能田間試驗研究

針對水稻、小麥、棉花、果樹等冠層形態各異的多種作物，國內外學者結合噴桿噴霧機、氣流輔助噴霧機、多旋翼無人機、靜電噴霧機等多種作業裝備[9]，開展了大量作物冠層霧滴沉積的田間試驗研究，總結多種工況下最佳噴霧作業參數的選擇，為植保裝備的精準施藥應用提供了重要應用實例和數據支撐。

2.1.1傳統噴霧

傳統噴桿噴霧機憑借寬噴幅、高效率等優勢，在噴霧植保作業尤其是大田作物中應用廣泛。業內學者先后針對小麥、水稻、棉花、燕麥[10]、盆栽作物[11]、大豆[12]、花生[13]等作物，試驗研究了噴頭類型、霧滴粒徑、噴霧量、噴霧角度等參數對作物冠層霧滴沉積分布的影響，發現所有噴霧工況下各類作物的冠層霧滴沉積整體趨勢一致，即沿藥液霧滴噴施方向，霧滴沉積量由冠層外部至內部逐層減少，呈現霧滴沉積衰減現象，證實了冠層枝葉對霧滴穿透運移具有顯著影響。同時，具體作業參數對冠層內霧滴沉積分布的影響具有差異性：施藥量比霧滴粒徑對覆蓋率的影響更大；傾斜噴霧角比垂直葉面的噴霧角更有利于霧滴向冠層內部穿透運移；空氣誘導噴嘴產生的霧滴具有較好的穿透能力，空心錐形噴嘴次之，常規扇形噴嘴的霧滴穿透能力最弱。

2.1.2強制氣流噴霧

輔助氣流對霧滴具有二次霧化、加速增能、脅迫運移等功能優勢，使氣流輔助噴霧技術受到重視，并得到迅速發展。氣流輔助噴霧技術與噴霧機相融合，提高了霧滴的穿透能力、防飄移能力，有效改善了霧滴沉積均勻性和防治效果，兩者的結合表現為多種形式：風幕式噴桿噴霧機(大田)、風送式噴霧機(果園)、植保無人機等。由于氣流輔助噴霧具有的技術優勢，學者開展了大量不同機具應用于不同靶標作物的噴霧沉積田間試驗研究。

(1)風幕式噴桿噴霧

風幕式噴桿噴霧是氣流輔助噴霧技術最早的應用形式，Hardi、John Deere、黃海藥械、華盛藥械等公司開發了多款機型。眾多學者也結合風幕式噴桿噴霧機開展了相關研究。HISLOP等[14]針對成熟期春小麥、FOQUé等[15]針對盆栽藤類作物分別開展了氣流輔助噴霧試驗，證實了輔助氣流能夠提高霧滴的穿透能力、增加葉片背面沉積量，改善沉積均勻性。利用PDPA系統捕獲的霧滴軌跡也試驗證實了輔助氣流對霧滴的脅迫和加速作用，發現風幕出風口與藥液噴嘴的水平距離越近，霧滴的加速效果越好，穿透能力越強[16-17]。雖然輔助氣流具有脅迫霧滴運移、改善沉積均勻性的優勢，但風速、風量等參數需要經過合理選擇。利用4種型號扇形噴頭的風幕式噴霧沉積試驗表明，風幕對小粒徑霧滴的影響更明顯，可以提高霧滴的穿透能力和覆蓋率；但是，有風幕時農藥的地面流失率也比無風幕有所增加。這一研究說明不合理的風送噴霧施藥參數可能導致霧滴直接吹向地面，不利于減藥增效。

針對作物生長中后期冠層郁閉，不利于霧滴穿透沉積的問題，吊桿結構可以借助機械剛性吊臂將藥液送入冠層內部進行霧化噴藥，提高冠層內霧滴沉積均勻性。FOQUé等[18]開展了針對月桂樹冠層的吊桿噴霧試驗，藥液沉積結果表明吊桿噴霧技術可有效改善冠層內上中下部的藥液沉積均勻性，是一種具有應用潛力的噴霧施藥技術。國內學者也開展了吊桿噴霧技術的田間試驗研究，以玉米作物為主要試驗對象，證實了吊桿結構能夠有效突破枝葉屏障，可以在冠層中下部實現穩定沉積[19-20]。為進一步提升吊桿噴霧冠層霧滴的沉積均勻性，將噴桿結構和吊桿結構相結合，同時利用強制氣流強化霧滴的冠層穿透能力，實現分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧，結合了吊桿結構和強制氣流的技術優勢，施藥效果提升明顯[21-22]，如圖3所示。

(2)風送式噴霧

風送式噴霧是利用軸流風機輸出的強制氣流，以環形出風、塔式出風、多頭掌式出風或固定管道式等形式向冠層送風，脅迫霧滴向靶標運移，實現植保噴霧作業的一類機型，在果園各類果樹中應用廣泛。

橫流式噴霧機、離心風送式噴霧機、多出風口噴霧機機型是風送式噴霧的主要機具形式(圖4a)，相應的噴霧試驗研究表明梨樹和蘋果樹冠層內霧滴沉積分布云圖與氣流分布具有明顯相關性，量化證明了輔助氣流對霧滴沉積分布的改善效果；同時，試驗結果也表明作物冠層葉密度、孔隙率、冠層體積等作物形態參數對霧滴沉積影響顯著[23]。為了實現根據作物冠層形態特征在線變量施藥，對多頭掌式風送噴霧機[24](圖4b)和離心風送式噴霧機[25](圖4c)加裝激光掃描傳感器和PWM變量調節機構，針對蘋果樹冠層的噴霧施藥試驗結果表明，通過感知冠層形態特征在線調節藥液用量，能夠在節約藥量27%～53%的基礎上，實現與非變量噴霧等效的冠層霧滴沉積效果，試驗證實了根據靶標形態特征在線變量施藥，是提高藥液利用率的有效手段。仿形變量噴霧考慮了靶標作物形態特征，可依據果樹樹冠特征實時調節噴霧參數，對比試驗研究表明[26-27]：相比于離心式和定向式風送噴霧形式，仿形變量噴霧的縱向沉積從上到下逐步增加的趨勢，實現縱向霧滴沉積的仿形分布，有效改善防治效果。針對溫室植保作業環境，固定管道式常溫煙霧系統作為一種噴霧作業方式，李雪等[28]分析了其風場腹部特性和霧滴沉積分布特性，研究得出風送氣壓0.3 MPa、藥液壓力0.05 MPa為最優作業參數。

(3)植保無人機噴霧

強制氣流能夠有效提升植保噴霧效率這一優勢，不僅體現在風幕式噴桿噴霧機、風送式噴霧機等地面機械，在航空植保噴霧領域中亦有展現。

航空植保噴霧中，單旋翼/多旋翼電動或油動無人機是主要的機具形式，其作業過程的實質是旋翼下洗氣流與作物冠層交互影響下霧滴在冠層內的穿透沉積過程。一方面，作物冠層形態特征會對霧滴穿透沉積造成影響，比如面向水稻、小麥、柑橘、椰樹、檳榔等多種作物的噴霧沉積試驗和作業參數優化研究表明，不同作物的霧滴沉積量和沉積均勻性對飛行高度、飛行速度、噴霧流量等作業參數的敏感度存在差異[29-30]，如圖5所示，說明了不同作物的形態特征會影響冠層霧滴沉積效果；另一方面，作為脅迫霧滴運移的載體，下洗氣流也會影響霧滴在冠層內的沉積行為，比如，許童羽等[31]以粳稻為試驗對象，研究發現多旋翼植保無人機低空噴霧時，沿垂直方向霧滴沉積衰減明顯，有效噴幅內旋翼下方區域的霧滴覆蓋效果最好，而遠離旋翼的位置，霧滴覆蓋率較差，再如，AHAMD等[32]通過單旋翼無人機田塊外雜草防治試驗，發現隨飛行高度和速度的降低，下洗氣流對作物冠層影響增強，霧滴沉積量、霧滴密度呈增長趨勢。由于航空植保噴霧具有不受地形及耕地狀態限制、便于進場作業的技術優勢，業內學者開展了針對棉花、棗樹、梨樹等多種作物[33-34]的航空植保冠層霧滴沉積試驗分析，研究了多種作業參數對霧滴沉積的影響，并給出了適應不同作物植保防控需求的優化作業參數組合。

2.1.3靜電噴霧

相比于前述噴霧方式，靜電噴霧施藥過程中荷電霧滴的運動沉積行為擁有獨有的影響因素——靜電場力。荷電霧滴在冠層內的變軌運移能力增強，有助于霧滴在枝葉表面，尤其是葉片背面沉積附著。面向植保噴霧作業的靜電噴霧技術的研究和應用起源于美國，并逐步受到國際植保工作者的關注。

由于荷電霧滴在靜電場力作用下具有更強的變軌運移能力，其更容易在作物冠層枝葉上附著和沉積。以棉花為噴霧對象，航空靜電噴頭和離心式霧化噴頭的對比噴霧試驗表明，與非靜電噴霧相比，靜電噴霧使冠層葉片正面的霧滴覆蓋率增加了2倍，與非靜電和離心式霧化噴霧相比，使葉片背面的霧滴覆蓋率提高了3倍[35]。在明確靜電噴霧確有增強霧滴靶標沉積效果的基礎上，國內外學者進一步對靜電噴霧作業參數開展研究，KIRK等[36]和FRITZ等[37]針對小麥作物分別使用液壓噴頭、離心噴頭和靜電噴頭開展噴霧對比試驗，發現靜電噴霧施藥液量為9.4 L/hm2和霧滴體積中徑小于等于150 μm(總體積50%的霧滴直徑不大于150 μm)的組合在小麥上獲得較好的沉積效果。靜電噴霧霧滴沉積試驗[38]表明在50～120 μm區間的霧滴受靜電作用影響最大，靜電作用下此區間段內的霧滴沉積數量增加了約2倍，當霧滴粒徑大于120 μm時，霧滴沉積密度呈下降趨勢，沉積霧滴粒徑主要集中在180 μm以下，與國外學者的研究結果相互印證，為靜電噴霧的實際應用提供了參數依據。

雖然荷電霧滴在靶標枝葉周圍借助靜電場力可以實現變軌運移和環繞吸附效果，但靜電噴霧也存在荷電霧滴的粒徑偏小、容易飄移脫靶以及向靶標運移過程中荷電量快速衰減等問題。氣流輔助技術與靜電噴霧技術的結合是克服上述問題的有效途徑，可以實現較好的遠程霧滴輸送和霧滴葉面環繞吸附效果，試驗研究表明兩種技術的結合可以實現垂直霧量分布規律、氣流速度分布規律與紡錘型果樹生物量分布規律的一致，單側噴霧時果樹葉片正反面霧滴覆蓋密度分別為115、47個/cm2，滿足防治害蟲的要求[39]，為靜電噴霧技術的推廣應用提供了有益借鑒。

2.2 沉積機理分析與建模

國內外學者為了明晰冠層霧滴沉積機理，從冠層內霧滴、強制氣流、枝葉、靜電場、吊桿結構等因素的交互過程出發，開展霧滴沉積過程建模與仿真計算方面的理論研究。其中，強制氣流具有拓寬霧滴輸運通道和增強霧滴變軌跡運移的能力，具有改善霧滴沉積均勻性、提高農藥利用率等優勢。同時，由于作物種類多樣、形態各異導致的枝葉參數的多樣性以及輔助氣流改變冠層枝葉形態和輸運通道及脅迫霧滴運移過程的復雜性，學界對冠層枝葉與氣流的交互及其影響下霧滴沉積機理開展了大量研究，獲得了大量成果。

2.2.1作物冠層等效模型構建

對作物冠層枝葉分布及密度進行量化描述是開展冠層霧滴沉積機理研究的前提條件。學者通過大量冠層噴霧沉積試驗發現，作物冠層對霧滴在冠層內的運移沉積具有重要影響。因此，為進一步厘清各類輔助措施作用下冠層枝葉對霧滴的阻截、霧滴的穿透運移及霧滴的葉面沉積等規律，需要先對作物冠層形態、枝葉密度、空間分布等進行量化分析。

利用數值仿真、試驗分析等不同霧滴沉積機理研究途徑，學界主要采用4種方式對作物冠層進行了量化描述或等效表達，其主要特點對比見表1。

表1 作物冠層等效模型對比Tab.1 Comparison of equivalent models of crop canopy

2.2.2冠層枝葉與強制氣流的交互

氣流輔助噴霧田間試驗表明，冠層內強制氣流流場與冠層霧滴沉積分布具有明顯相關性，說明強制氣流對霧滴的脅迫運移是改善霧滴沉積均勻性的重要因素。因此，明確強制氣流與冠層枝葉交互下冠層氣流場的衰減變化規律，建立冠層氣流場分布模型，對厘清氣流強制噴霧中霧滴沉積機理具有重要意義。

CFD仿真中局部枝葉多孔介質模型的運用可以獲取豐富的流場數值信息，在揭示作物冠層與輔助氣流交互方面發揮了重要作用。ENDALEW等[40-41]利用上述模型，開展了單風機(Condor V)、雙風機塔式(Duoprop)和四風機塔式(AirJet Quatt)3種機型的梨樹冠層氣流場數值模擬，驗證了所提出的多孔介質CFD模型的有效性，并進一步研究發現出風口的布置方案和冠層形態及枝葉密度分布對強制氣流場具有重要影響[46-47]，如圖6所示。利用簡化等效多孔介質模型[42]，通過集成滑動網格技術的CFD分析，較好地預測樹冠內外強制氣流的空氣速度分布，如圖7所示，達到了降低模型復雜度、減少計算耗時下的作物冠層流場的良好預測效果。

與國外學者采用的研究思路類似，國內學者也利用簡化等效多孔介質模型對作物冠層流場進行了仿真分析。面向果樹冠層，利用簡化等效多孔介質模型，多旋翼植保無人機下洗氣流的CFD仿真分析表明，果樹冠層對旋翼下洗氣流有明顯的阻擋作用，如圖8所示。3種枝葉疏密程度不同的冠層風場分布結果呈現出風速衰減與冠層壓力損失系數呈正相關特點，量化表征了冠層枝葉疏密程度對強制氣流的阻擋和衰減作用[48-49]。

與此同時，多位學者也通過田間試驗手段，分析了輔助氣流，主要是無人機下洗氣流，在作物冠層的分布規律。針對水稻[50]、小麥[51]冠層的單旋翼、多旋翼氣流場試驗研究均表明，不同旋翼結構布置與水稻冠層耦合形成的風場在風場寬度、風速、空間分布規律等方面存在明顯差異。上述研究表明施藥機械自身的強制氣流配送方案對作物冠層處的風場分布具有重要影響，因此針對具體作物冠層的風場分布規律及霧滴沉積規律研究應先明確施藥機械的強制氣流配送方案。延續上述研究，李繼宇等[52-53]針對水稻這一具體作物，詳細分析了單旋翼無人機的風場分布，借助等效面積(等高線和上邊界包圍面積)和風場寬度等參數，描述了風場分布區域與無人機旋翼風場的線性衰減關系，并根據無人機旋翼半徑和等效面積衰減率建立了水稻冠層內翼風場覆蓋區域呈現的渦旋結構的等效錐模型，如圖9所示，為理解無人機旋翼風場與水稻冠層的交互過程提供幫助，并為明確霧滴在水稻冠層內的穿透沉積行為提供依據。

上述關于作物冠層與輔助氣流交互的研究側重于作物冠層阻礙下強制氣流的衰減變化規律，而沒有關注強制氣流對作物冠層枝葉形態的改變。強制氣流輔助噴霧能夠改善沉積均勻性的原因之一是氣流載荷作用下，柔性作物枝葉會發生彎曲變形，從而減輕冠層郁閉度、拓寬霧滴輸運通道。為明確輔助氣流對冠層枝葉變形的作用規律，劉興華等[54]借助高速攝像技術和雙向流固耦合模型，分析了風力載荷下棉花葉片的彎曲變形規律，建立了棉花葉片彎曲變形的參數辨識模型，如圖10所示。上述研究結果可以為氣流輔助噴霧作業中作物冠層郁閉度的動態變化、施藥參數的合理選取提供參考。強制氣流除了能夠引起枝葉彎曲變形、拓寬霧滴輸運通道外，還能夠增強霧滴動能、改善霧滴的變軌穿透能力。

2.2.3冠層與強制氣流交互下霧滴穿透沉積

為探究輔助氣流噴霧過程中霧滴的運移沉積機理，需要在研究冠層枝葉與強制氣流交互影響下，進一步明確冠層、氣流、霧滴三者交互行為及其影響霧滴在冠層內穿透、運移及沉積的規律，以建立精準噴霧的重要理論基礎。

局部枝葉等效多孔介質模型和簡化等效多孔介質模型在研究輔助氣流與作物冠層交互下霧滴沉積行為也發揮了重要作用。借助局部枝葉等效多孔介質模型， ENDALEW等[55]以梨樹為研究對象，建立了考慮作物葉片光學孔隙率、葉面積密度、葉片阻力系數以及葉面霧滴截獲系數等因素的霧滴沉積概率模型，如圖11所示，為分析作物冠層、輔助氣流、霧滴沉積三者交互影響規律提供了一種可行的研究路徑。依托上述多孔介質模型和霧滴沉積概率模型，針對4種不同蘋果和梨樹作物冠層的環境風及輔助氣流配送方式研究表明，當垂直于噴霧方向時，環境風對樹冠內部霧滴軌跡流形影響較樹冠外部小；當環境風速設定6.5 m/s時，風向與噴霧方向相同顯著增加霧滴與葉片的交互沉積量，但霧滴漂移造成地面沉積量也有所增加，如圖12所示[56]。

簡化多孔介質模型也是分析作物冠層內霧滴沉積分布的有利工具。結合霧滴沉積概率模型，針對蘋果冠層的簡化等效多孔介質CFD模型分析結果表明，冠層枝葉密度增加，可以增強冠層對霧滴的捕獲能力，其冠層內沉積量由8.5%增加至65.8%，同時空中飄移和地面沉積量分別由25.8%、47.8%下降至7.0%、21.2%；同時仿真結果揭示風送噴霧雖然具有增強霧滴穿透、提高沉積均勻性的優勢，但不恰當的強制氣流參數可能加重霧滴飄移損失，如圖13所示[57]。與此同時，依據上述研究，HONG等[58]開發了氣流輔助噴霧分析軟件(Software of air-assisted sprayers, SAAS)，其可以幫助用戶評估和預測霧滴沉積、飄移量及飄移距離，為強制氣流輔助噴霧提供決策依據，如圖14所示。

氣流輔助田間噴霧試驗雖然存在試驗開展工作量大、環境因素不可控等問題，但其仍是研究冠層霧滴沉積分布規律的重要手段。針對蘋果等果樹作物的氣流輔助噴霧田間試驗也揭示了輔助氣流對霧滴的沉積和飄移行為影響顯著[59-61]，同時發現不同噴霧器類型下霧滴沉積量均隨冠層深度增加不斷減少，說明冠層枝葉對霧滴的向內運移沉積具有截留和阻礙作用[62]，與基于CFD的冠層等效多孔介質模型研究結果具有一致性，均表明強制氣流輔助噴霧中，強制氣流對冠層霧滴運移沉積的主導作用，同時也表明強制氣流與冠層內霧滴沉積是一對矛盾體，合理的氣流配送方案及配送量是實現改善沉積和減少飄移雙重目標的關鍵。

隨著對作物冠層、強制氣流和藥液霧滴三者交互過程認識的深入，國內學者也從霧滴粒徑、冠層流場分布、葉面積體密度、冠層分層孔隙率等因素入手，對強制氣流輔助噴霧冠層霧滴運移沉積規律開展研究。李繼宇等[63]分析了4種無人機噴霧粒徑(218、200、178、145 μm)對水稻冠層霧滴沉積效果的影響，發現不同粒徑霧滴沉積量之間差異極顯著，平均單位面積沉積量具有隨霧滴粒徑減小而增大的趨勢，說明霧滴粒徑越小，其冠層分布均勻性越好。陳盛德等[64]、王昌陵等[65]分別分析了多旋翼無人機下洗氣流三維矢量對有效噴幅內霧滴沉積量及霧滴沉積穿透性的影響，均發現相比于X、Y向風速，Z向風速對霧滴沉積量及沉積穿透性影響更加顯著。陳盛德等[64]還進一步建立了有效噴幅區內霧滴沉積量與因素Z向風速之間的回歸模型及有效噴幅區內霧滴沉積穿透性與因素Y、Z向風速之間的回歸模型，可以為實際作業提供指導。

為進一步揭示靶標作物的冠層枝葉密度、冠層深度等對霧滴在果樹冠層的穿透沉積的影響，孫誠達等[66]、邱威等[67]以臘梅、早櫻、花石榴、梨樹等為試驗對象，以葉面積體密度、冠層取樣深度、出口風速等為試驗變量，構建了霧滴穿透比例二次指數數學模型，表明取樣深度相比于葉面積體密度及出口風速對霧滴的冠層穿透影響更加顯著。利用前期建立的棉花冠層分層孔隙率估算模型，LIU等[68]為進一步量化分析冠層枝葉對霧滴在冠層內穿透分布的規律，建立了以冠層分層孔隙率為輸入變量的冠層霧滴沉積分布量高斯過程回歸模型，可以實現冠層霧滴穿透分布的可靠預測，如圖15所示，量化揭示了棉花冠層枝葉對霧滴的阻截作用下霧滴在冠層內的穿透規律，為探明其他作物冠層內霧滴穿透規律提供了解決思路。為深入分析強制氣流在霧滴脅迫運移和冠層孔隙改變兩方面的作用，劉雪美等[69]還開展了強制氣流作用下霧滴冠層沉積性能影響解耦研究，揭示了強制氣流對霧滴的脅迫作用相較于冠層孔隙變化更有利于霧滴在棉花冠層內的附著沉積，兩者對霧滴冠層沉積量的提升比例分別為39.81%和10.52%；冠層孔隙增大形成的霧滴運移通道相比于氣流對霧滴的脅迫作用更有利于霧滴在冠層內的均勻分布，兩者對沉積均勻性的提升比例分別為42.71%和1.10%。上述量化研究結果說明，強制氣流能夠從改善霧滴變軌運移能力和拓寬霧滴輸運通道兩方面增強霧滴在冠層內的有效沉積是確實存在的，并且其影響機理也是存在差別的，這一發現可以為針對不同作物的氣流輔助施藥模式及施藥參數選擇提供參考。

在探究強制氣流與作物交互影響下霧滴運移沉積規律的同時，為了能夠對冠層霧滴的沉積性能做出預測，學界從霧滴運動軌跡力學分析、霧滴運移模擬、田間試驗研究等角度，建立了霧滴運移、穿透和沉積的回歸模型。基于霧滴粒徑譜概率描述的拉格朗日隨機行走模型能夠給出霧滴群在氣流脅迫下運移、蒸發和持留等信息，適用于微觀層面霧滴的飛行段運動和在冠層頂部的沉積分析[70-71]。借助棉花葉面積指數(LAI)等冠層宏觀參數，分析和建立霧滴沉積多元回歸模型已被證實是預測霧滴沉積的有效手段[72]。與此同時，以無人直升機飛行高度、速度等作業參數為影響因素，邱白晶等[73]研究了小麥冠層的霧滴沉積分布規律，分別建立了飛行速度、高度與試驗指標沉積濃度及沉積均勻性之間的關系模型，可以實現根據無人直升機噴霧作業參數預測特定小麥冠層形態下的霧滴沉積情況。

2.2.4霧滴與靶標葉面的交互行為分析

霧滴在靶標葉面上有效沉積是植保噴霧作業的最終目的，霧滴與靶標葉面的交互行為既是從微觀上明晰霧滴沉積機理的重要基礎，也是在宏觀上明晰霧滴在冠層內穿透分布規律的重要前提。受霧滴慣性、重力場、局部氣流場、靜電場、液滴表面張力、靶標葉面疏水特性等多重因素影響，霧滴在靶標葉面表面可能出現碰撞、附著、浸潤、凝并、鋪展、反彈、破碎飛濺等多種微觀行為[74-75]。微距高速攝像技術是研究霧滴在靶標葉面運動行為的有效試驗工具，可以研究液滴與不同傾角的植物葉片的彈跳、碰撞、駐留以及飛濺等行為[76]，也可以進一步用于揭示藥液性質、靶標表面性質對霧滴沉積行為的影響[77]。在認識到藥液理化性質和作物葉面表面結構是影響霧滴在靶標葉面沉積行為的重要因素后，學界開展了大量研究。陸軍等[78]研究了藥液理化性質(表面張力、垂直方向碰撞速度)對霧滴的鋪展、凝并行為的影響，推測滾入底部吸入凝并和直接頂部吸入凝并兩種方式分別由表面張力梯度和動態表面張力所主導。周召路[79]研究了水溶性農藥霧滴在水稻、棉花及懸浮劑型農藥霧滴在甘藍葉面上的蒸發動力學行為和葉面彈跳行為，揭示了霧滴界面膜的穩定性對霧滴彈跳性能存在影響。作為霧滴沉積的靶標，作物葉片表面結構對霧滴沉積亦是需要考慮的影響因素，霧滴在毛刺、蠟質和粗糙3種表面的沉積試驗表明，影響霧滴葉面運動行為的葉面參數中，葉面結構的影響程度僅次于葉片傾角[80]。

與此同時，除上述霧滴理化性質和葉面表面結構兩方面的研究外，學界也開展了強制氣流場、靜電力等因素對霧滴沉積行為的影響。王勝增[81]研究了非離子、陰離子、陽離子3類表面活性劑在不同濃度下對霧滴荷質比的影響，發現霧滴荷質比與其臨界膠束濃度(CMC)有關，進而影響霧滴在葉面的潤濕能力。MERCER[82]研究了輔助氣流作用下霧滴在葉面周圍的運動軌跡(圖16)，綜合分析了霧滴慣性及空氣曳力作用下霧滴在葉面的沉積概率，以斯托克斯數(St)為主要衡量指標，建立單一霧滴葉面沉積概率E經驗公式，并以此為基礎分析了作物冠層對霧滴捕獲概率T與冠層光學孔隙率τ及葉面沉積概率E的關系式，為理解輔助氣流作用下霧滴的局部沉積行為提供了有益借鑒。

綜上，一方面，針對作物冠層與輔助氣流的交互作用，學界通過多孔介質CFD模型基于冠層狀態實測數據的風場分布試驗分析等方式，證實了作物冠層對強制氣流風場分布具有顯著影響，并建立了一些具體作物，如蘋果、梨樹、水稻等冠層風場分布模型，對理解冠層與強制流場的交互提供有益參考；另一方面，針對冠層與氣流交互下霧滴穿透沉積行為，大量研究借助多孔介質模型、輔助氣流場三維矢量、葉面積體密度、冠層分層孔隙率參數等，研究了多種作物冠層內霧滴的穿透行為、沉積分布規律等，促進了學界對作物冠層與強制氣流交互下冠層對霧滴的阻擋截獲、強制氣流對霧滴的脅迫運移等機理的理解；另外，學界也針對輔助氣流、靜電場等多類因素影響下霧滴與靶標葉片的交互行為開展了研究，從藥液理化性質、靶標葉面表面類型等角度入手，分析了霧滴在葉面的黏附、反彈、破碎、沉積等行為。上述霧滴沉積機理及建模方面的諸多研究成果，既包含宏觀的作物冠層模型構建、氣流場與冠層的交互及其影響下霧滴的沉積規律分析，也涵蓋了微觀的霧滴與靶標葉片的交互行為探究，為精準噴霧理論的完善、噴霧裝備的研發、噴霧作業參數優化等提供了扎實的理論支撐。

2.3 霧滴沉積檢測與評價

作物冠層霧滴沉積數據的準確檢測，是分析植保噴霧時冠層內霧滴沉積機理的重要前提；同時，沉積數據的快速檢測與評估也是植保噴霧作業時及時分析施藥效果、有針對性調整噴霧作業參數的重要手段。因此，霧滴沉積狀況的準確檢測和合理評估，在霧滴沉積理論研究和噴霧實際作業兩方面均具有重要作用，為實現作物噴霧施藥的精準智能調控提供數據支撐。

針對目前缺乏霧滴沉積數據準確、快速的評估手段，國內外學者根據圖像處理、光學、電磁學等不同原理，提出了多種軟硬件的解決方案。表2對其進行概括對比。

表2 霧滴沉積檢測與評價方案對比Tab.2 Comparison of droplets deposition detection and evaluation scheme

采用霧滴收集板和量筒等設備開展霧滴沉積量檢測是基本的霧滴沉積方法。基于上述思路，BAHLOL等[83-84]融合二維聲速計和霧滴捕捉單元，開發了智能噴霧實時檢測與分析系統。該類方案適用于室內試驗和植保機具田間初步測試，但不適合于大規模田間場景下霧量檢測。 水敏紙是噴霧沉積試驗中用于測定霧滴沉積分布的另一重要工具。

CERRUTO等[85]證實了水敏紙的單位面積沉積量與覆蓋率指標具有顯著相關性，為利用水敏紙準確檢測霧滴沉積提供了參考標準。針對水敏紙、Kromekote霧滴測試卡數據處理步驟繁瑣、時效性差等問題，國內外學者開發了多款便攜式掃描測試系統，如SnapCard[85-86](圖17)、DropLeaf[87]。

國內外學者設計了多款基于光學原理或電磁學原理的霧滴沉積傳感器，為霧滴沉積數據的快速準確獲取提供了研發方向。TALEB等[88]研發了基于光波導原理和多光譜分析的微型霧滴沉積傳感器，如圖18所示，試驗結果表明其霧滴沉積檢測相關性為66.5%，檢測精度達到0.39 μL。KUMAR等[89]通過對表面增強拉曼散射法的改進，在樣品的復雜表面提取感興趣目標元素，檢測精度達到10-9g/cm2，如圖19所示。雖然其主要針對農作物的低量農藥殘留而設計，但其為霧滴沉積量的精準檢測提供了研發思路。劉雪美等[90]基于結構光透射原理和視覺檢測，設計了一種同時檢測正反面霧滴沉積量的測量節點，可以實現霧滴密度、覆蓋率、單位面積沉積量等指標的在線霧滴沉積檢測，如圖20所示。

基于光學原理和變介電常數原理的霧滴沉積傳感器具有較好的檢測性能，適合于小范圍場景下霧滴沉積狀況的快速精準抽檢和分析，為霧滴沉積檢測由傳統的洗脫示蹤劑和水敏紙等方式向快速高效測量的光學或電氣傳感器方式轉變提供了研發方向上的啟示。

上述霧滴沉積檢測技術和裝置側重于從霧滴個體在光學參數或電氣參數方面對檢測基材的影響入手，獲取霧滴沉積量數據。與此同時，學界也從霧滴群體在作物冠層沉積附著對冠層理化性能改變的宏觀整體出發，結合深度學習技術，開發霧滴沉積檢測技術。空間金字塔池化網絡(SPP-Net)經證實可以實現冠層熱紅外圖像的多尺度特征融合，實現柑橘冠層霧滴沉積量的快速準確分類，為大規模噴霧場景下霧滴沉積狀況的準確檢測和快速評估提供解決思路[96]。

綜上，研發霧滴沉積快速檢測傳感器和檢測系統是業界共識的發展趨勢，但目前所研發的霧滴沉積傳感和檢測技術尚不夠成熟，無法應用于大規模噴霧場景的霧滴沉積檢測。

2.4 施藥作業參數優化

噴霧作業參數優化最初僅考慮施藥機械輸出的霧滴粒徑和藥液分布，未考慮靶標特征。為了達到最佳沉積效果，近年來國內外學者將作物特定形態和霧滴群飛行特征納入噴霧過程優化，主要通過3種途徑開展施藥作業參數優化：依托具體植保作業機具，針對具體作物，開展作物參數優化研究；根據靶標作物形態特征和冠層外形特征，通過結構參數優化改善噴霧施藥質量；根據作業靶標對象特征及作業場景特點，研究新型噴霧機具，并對作業參數進行優化。

面向水稻、冬小麥、果樹等多種作物，學界針對多旋翼無人機[97-100]、單旋翼無人機[101]、風送噴霧機[102]、對靶噴霧機[103]等多款裝備，研究了噴霧作業參數對霧滴沉積的影響規律，并分別確定了適于不同作物的各類機型的優化作業參數。除了上述基于田間試驗的作業參數優化研究外，學界也對多種噴霧機械的結構參數進行優化設計，從而達到改善氣流場及霧流場分布、霧滴變軌跡運移能力或冠層枝葉擾動效果等目標，從而實現更好的噴霧沉積施藥效果。針對擋板導流式罩蓋噴霧機，通過風洞試驗與除草劑田間藥效試驗進行了性能測定和罩蓋結構參數優化，達到了減量施藥的目標[104]。針對吊桿式噴霧機，利用EBF神經網絡算法和鱘魚頭部曲線對分禾結構進行了參數優化，以達到減小作物莖葉損傷、改善冠層開合效果，提高藥液霧滴在冠層內部的沉積均勻性[105]。針對噴桿式噴霧機，對風助風筒結構參數進行優化設計[106-107]，并將利用優化設計理論結果用于指導氣流輔助式噴桿噴霧機的研制[108-109]，獲得了理想的輔助氣流配送效果和霧滴沉積效果。

除了對現有機具進行作業參數優化外，學界也根據植保作業靶標對象或作業場景的差異，研制了多款新型噴霧機，并對作業參數進行了優化。祁力鈞團隊分別針對溫室和果園環境，研發了變速搖擺式變量噴霧機，并利用響應面法對噴霧流量、噴霧距離、噴霧機行走速度和噴頭擺動速度等參數進行優化，分別獲得了適用于溫室和果園植保作業的最佳作業參數組合[110-111]。劉雪美團隊研制了自走式風送式對行噴霧溫室噴霧機，如圖21所示，并對風筒俯仰角度、風速、噴霧量等作業參數進行優化，通過建立強制氣流脅迫霧滴群的飛行軌跡計算模型，推導了霧滴沉積區域與噴霧機風筒姿態的映射關系，以噴霧霧滴在作物群體上均勻覆蓋為目標，應用遺傳算法對噴霧機工作參數進行了優化，取得了很好的作業效果[112]。

綜上，國內外學者以改善霧滴沉積效果為目標，以田間試驗為主要分析手段，開展了大量作業參數優化及結構參數優化研究[113-114]，為田間噴霧作業參數的合理確定提供了選擇依據，具有重要的實踐價值；同時，上述作業參數優化及田間試驗結果也為明晰霧滴的冠層沉積行為機理提供了數據支持，有助于植保噴霧作業向精準化方向發展。

3 作物冠層霧滴沉積研究的開放性問題

目前對冠層枝葉與輔助氣流交互下霧滴穿透沉積規律的研究多為定性或半定量分析，當前噴霧作業參數優化和施藥沉積效果提升，主要依靠針對特定作物或特定生長期的作物冠層開展田間試驗而獲取，其優化結果適應性不強，優化獲取的霧滴沉積效果，因農藝、品種和生長期變化而難以復現和推廣。因此目前作物霧滴沉積研究仍存在以下開放性問題亟待解決：

(1)噴霧田間試驗及參數優化面臨試驗結果適應性不強、大規模試驗難度大、不易明晰霧滴沉積內在機理等問題。田間施藥試驗一般只針對特定作物或者作物給定生長期的冠層形態，并且施藥環境不可控，經過作業參數優化獲得的霧滴沉積效果難以重現，當靶標類型、作物葉面積指數、生物力學特性或作業環境參數出現差異時，優化獲取的作業參數適應性較差，難以推廣應用。同時，面對種類繁多的作物冠層及不斷變化的噴霧作業環境，大規模田間試驗分析手段存在的試驗場地布置不便、霧滴沉積數據采集工作量大等問題十分突出。此外，田間試驗的數據豐富度及表達力不足，一般僅能獲取噴霧作業參數、環境參數及有限的靶標作物參數和霧滴沉積量等試驗數據，難以獲取霧滴在冠層內的速度場、空間分布及運動軌跡等中間態數據，霧滴沉積過程呈黑箱或灰箱狀態，需進一步明晰作物冠層內霧滴沉積機理。

(2)作物冠層、強制氣流、霧滴群體三者的量化交互機理尚不清晰，作物冠層霧滴沉積機理缺乏量化解析，現有研究手段面臨諸多挑戰。學界近些年認識到作物冠層對氣流分布和霧滴運移沉積的重要影響，并開始考慮將植株冠層特性納入霧滴沉積機理研究中。依托于現有的CFD仿真計算能力，學界利用多孔介質簡化表征作物冠層的研究手段有效促進了輔助氣流與作物冠層的交互以及霧滴的冠層沉積機理的理解，成為較為廣泛的研究手段，但其仍存在一定缺陷：①其各向同性特性與冠層孔隙率各向差異不符。②多孔介質的孔隙率等參數為固定值，無法描述枝葉與氣流的雙向耦合作用，亦不能準確反映霧滴在冠層枝葉上的沉積行為。③多孔介質的阻力系數等參數與作物冠層枝葉力學、枝葉三維尺寸、冠層枝葉分布及葉密度、風速等參數的映射關系復雜，目前多孔介質參數的確定主要采用針對特定作物的試驗測定法，其適應性較差，理論依據尚不清晰。另一方面，沉積過程中存在兩個不確定性：① 到達作物冠層前霧滴粒徑譜、霧滴動能、風場風速分布、風量變化等參數存在不一致性和不確定性。② 枝葉密度、枝葉力學特性、植株高度、種植農藝等作物冠層特征參數存在諸多差異性和不確定性。上述兩方面不確定性和差異性導致霧滴群在作物冠層內運移、穿透和沉積過程十分復雜。因此，如何恰當地表征作物冠層形態，準確分析霧滴冠層內沉積行為一直是困擾學界的難點問題。

(3)田間監測的作業數據無法構成量化評價施藥質量及指導作業參數在線調控的完整閉環。霧滴全株沉積均勻性作為減藥增效、穩定防效的重要指標，在規模化施藥場景中快速準確地獲取十分重要。目前植保機械施藥中行走軌跡、環境工況和噴霧作業參數已經實現了在線監控，但在作物上的霧滴沉積性能評價方面，由于霧滴沉積傳感器的監測性能無法實現田間快速反饋，在大規模施藥場景中只能依靠少量采樣(布置水敏紙等)加以評價，且采樣點布置有主觀性，數據存在較大變異，因此規模化施藥場景中的霧滴沉積效果無法給出具有說服力的量化評價。同時，由于霧滴冠層沉積機理尚不清晰，導致現有霧滴沉積預測模型不足以有效解析作業參數與施藥效果之間存在的因果關系。霧滴沉積效果評價能力和沉積預測模型精度不足導致目前無法實現作業參數的在線閉環調控。

4 展望

隨著我國經濟發展水平的提高和全社會環保意識的增強，植保噴霧作業面臨減藥增效和環保政策趨嚴的雙重壓力，對精準施藥技術提出了更高要求，對作物冠層霧滴沉積機理的理論需求更加迫切。綜合上述作物冠層霧滴沉積研究的系統梳理可知，冠層霧滴沉積研究在霧滴沉積田間試驗、冠層霧滴沉積機理、霧滴沉積監測與評價以及施藥作業參數優化等方面取得了大量有益成果，相關理論成果應用促進了植保噴霧技術及裝備的發展，有效改善了作物冠層霧滴沉積均勻性和施藥效果。但同時作物冠層霧滴沉積研究與精準施藥技術還面臨噴霧田間試驗成果可重復性和適應性差、冠層霧滴沉積機理尚不清晰、霧滴沉積效果評價-霧滴沉積預測-作業參數在線調控無法閉環等問題亟待突破。

近年來，人工智能、農業大數據、數字孿生、5G通信、物聯網、機器視覺等新技術或生物傳感基材等新材料的快速發展，使解決冠層霧滴沉積研究與精準施藥面臨的難題成為可能。基于上述新技術，后續研究的重點和方向有：

(1)利用光學、多光譜、電磁學或機器視覺技術，開發能夠測量和感知冠層枝葉遮擋狀態下霧滴運移分布軌跡的便攜式儀器，便于田間試驗過程中多維數據的采集；以及利用生物基材等新材料，開發便于大規模噴霧場景中密集采集冠層內噴霧沉積數據的傳感器，提高田間霧滴沉積效果的分辨精度和分析效率。

(2)利用新的復雜物理場計算方法，構建雙向流固耦合的多相多場冠層沉積仿真過程，實現作物冠層數據、作業參數、霧滴狀態參數等多物理量、多尺度的冠層霧滴沉積物理過程向虛擬空間的映射，構建作物冠層霧滴運移及沉積的數字孿生體，實現作物冠層、輔助氣流場、靜電場等耦合下霧滴冠層穿透運移過程的數字化描述，為厘清霧滴冠層沉積機理提供量化分析平臺。

(3)利用深度學習、大數據分析等人工智能技術，提高作物冠層柔性枝葉群體、輔助氣流矢量場、靜電力場、霧滴顆粒群空間運動矢量等多源多維數據的能力，借助機器學習等先進算法，充分挖掘高通量樣本數據的內在規律，構建各因素相互影響的概率描述的知識圖譜，構建實時施藥沉積數據分析-霧滴冠層沉積預測-作業參數在線決策的閉環系統，實現動態響應靶標對象和作業環境變化的精準噴霧施藥系統。

(4)研究如何應用農業物聯網及5G通信技術，實現作業環境氣象數據、作物群體長勢與冠層形態等特性參數、噴霧裝備狀態數據、冠層霧滴沉積數據等多源廣域高通量信息的互聯互通，降低田間試驗的數據采集和傳輸難度，為噴霧霧滴沉積物理模型與虛擬霧滴沉積數字孿生模型的數據互通提供保障。