果树对靶施药精准作业技术.docx

果树对靶施药精准作业技术根据2014年全国水果生产形势分析会发布数据，我国果园种植 面积接近1.89亿亩，已成为世界第一大水果生产国。长期以来，果 园种植模式主要以小面积个体经营为主，果木种植不规范，园区作 业缺乏合理的规划，导致果园作业无法引入智能机械，果园作业机 械化程度低。我国果施药作业现状果园病虫害防治是果园中最主要的、劳动强度最大的作业, 一般每年要喷药812次“4。"目前果园中大多采用高压喷枪作 淋洗式的喷雾方法，沉积到果树上的药液量不到20%,其余的 大量农药流失到土壤和周围的环境中使环境受到污染，而且操 作人员的劳动强度大、条件差、生产效率低。喷药作业的方式直 接影响着果树生长、产量、果品质量、经济效益及生活环境。以 北京市为例，全市231万亩果园有动力喷雾机26777台，平均86 亩果园有一台，其中多数以简易人力或电动喷药机为主，这些机 械远不能满足果园病虫害的防治需求。测技术精确探测果树靶标，结合拖拉机的作业状态，利用微计算 机控制喷洒喷头，实现根据靶标信息智能变量施药的目的。整个系统 自动作业，只需一人操作，降低人力本钱，可有效提高农药利用率, 降低药液损失和降低防治本钱，同时减少环境污染，降低水果农药 残留，符合国家环保和“三农”政策。随着先进理念的引进以及人力本钱的增加，我国果园经营 方式开始发生转变，中大型果园逐渐引入西方种植模式。成规模 的果园无法承受人工增加所带来的本钱压力，而人工效率低下造成 的病虫害防治不及时导致果品品质下降，这些因素导致果园迫切需 要引入果园智能喷药机，提高果园喷药的机械化和智能化水平。 而规范的果木分布与完善的配套设施也为果园喷药机的应用提供 了有利条件。5.3.2 基于靶标探测的智能施药精细农业果园生产管理中，单棵果树是最小的作业单元， 果树的位置、树冠大小是果树施肥、灌溉和果树病虫害防治中确 定投入量多少的重要依据口32-13%无靶标喷施造成的靶标以外大量 农药沉积是果园农药残留的主要原因之一，对靶喷药技术是降 低农药残留的有效手段，其关键技术是靶标探测技术U35-I37。目 前果园靶标探测主要采用红外、图像和超声等探测技术感知果 树冠层形状及位置信息，该方法能准确判断稠密树冠存在与 否，甚至能很好地探测出靶标外形轮廓138-139国内靶标探测器已经能够实现农作物探测、喷雾动作执行 等一系列动作，动作灵敏，初步能够满足生产要求，但仍然存在 着一系列问题，即探测器探测到任何靶标时都会动作，包括一些 非植物障碍物，如枯树、电线杆、栅栏、麦茬等，给这些靶标喷 施农药也会造成浪费和环境污染。由于作物植株之间有空间，一般 还有不等株距和缺苗现象,喷在植株之间的药液不能有效地沉积在 植株上，形成无效喷药，不仅影响了喷药防治效果，且浪费药液， 增加防治本钱，加剧了对环境的污染。解决传统的连续喷药效率低 的有效途径之一是将连续喷药变为按需间歇喷药。为此，将自动化 技术与喷雾技术相结合，根据对植株目标的自动识别和控制，实现 对靶喷药，到达只对目标物实施喷药的目的。5.3.3 靶标探测技术靶标光谱探测技术靶标光谱探测基于红外光漫反射探测原理，采用红外发光 器发射红外光，通过果树靶标叶面反射，远距离聚光，光敏原件接收 反射光，经过自然光降噪和电路处理，将检测到的靶标信息转换为北京农业智能装备技术研究中心的邓巍等通过优化红外 发射电源系统，形成了包括正弦波振荡器、整流电桥、直流偏置、 加法器、窄带滤波器和大功率压控电流源组成的电源系统，使 光强度可以正弦方式变化、光强稳定且波形失真小、正弦信号较 纯洁。在红外探测光路上增加了凸透镜和颜色传感器及对红 外发射进行不同编码的调制等其他辅助方法来提高红外靶 标探测的性能，减少其他信号的干扰，增加红外探测的距 离和精度。南京农业大学的何雄奎等人利用红外发射模块与红外 接收模块搭建的靶标探测电路来探测靶标的有无,通过红外自 动对靶系统分别分布在靶标高度范围的上中下3段探测当前对 应高度靶标的有无来控制喷头电磁阀的动作，实现对靶施药， 如图5-1所示。图5”基于红外靶标探测的对靶喷药机采用红外靶标探测技术易受环境条件影响，靶标信息量 获取单一，难以满足精准施药的要求。5.332超声靶标探测技术超声靶标探测主要利用超声波回波原理，通过分布在不同 高度位置的超声波传感器在移动中对靶标,冠层边缘进行距离扫 描测量，根据靶标冠层的距离扫描值绘制出靶标冠层的直径及外 形轮廓信息。北京农业智能装备技术研究中心王秀、西北农林科技大学 的翟长远等利用超声波传感器技术进行果树靶标的探测，用多个 超声波传感器对果树靶标进行冠层扫描，根据距离扫描值计算 获取了靶标的体积信息。华南农业大学的俞龙等在超声波探测基础之上结合了 姿态航向参考系统(Attitude and Heading Reference System, AHRS)通idAHRS可实现车辆坐标系到大地坐标系的空间坐标 的旋转和平移转换，由此直接获得基于大地坐标的果树靶标的 距离点阵信息。通过坐标转换获得的靶标体积更为准确。实际作业过程中，为提高探测精度，采用前置的假设干超声波 传感器组成探测列阵，信号经过滤波以及转换电路，传输给控制 器集中处理，结合拖拉机作业状态，实现了对果树树冠的动态体 积测量。基于超声靶标探测的对靶喷药机如图5-2所示。图52基于超声靶标探测的对靶喷药机超声靶标探测技术依赖于传感器本身的精度和传感器的 数量，基于有定点位置和有限点探测，对于不同的果树靶标， 需要重新校验，难以适应果园的复杂环境，测量精度也不高。533.3激光靶标探测技术激光靶标探测采用连续波相位式激光测距扫描，根据波段 的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线所产 生的相位延迟和调制光的波长，换算探测距离。采用旋镜技术 实现在二维扫描，结合拖拉机的运动状态，实现对靶标的三维 扫描。国外学者在激光靶标探测方面做了深入研究。莱里达大学的JoanR. Rosell等利用二维激光雷达扫描果树靶标，能够快速地 进行非破坏性获取靶标的三维结构，包括几何形状、大小、高 度、截面等等信息，获得的数字化靶标三维结构模型与真正的靶 标有着良好的一致性。Joan Ramon等同样利用激光雷达进行 了非破坏性的靶标体积测量，构建了三维数字模型，获得了树 的树面积指数，再由树面积指数计算获得靶标的LAKLeaf AreaIndex）同时与进行破坏性试验的数据进行比拟获得了作物叶 面积。国内研究人员也开展果园靶标激光探测技术的研究。北京 农业信息技术研究中心王秀、胡培等设计了激光靶标体积检测系 统，通过上位机调节步进电机的转速及激光传感器的扫描频率，利 用步进电机带动激光传感器精确运动来检测果树体积。耿顺山利用激 光扫描仪扫描作业面，当扫描到有靶标存在时，控制喷头翻开进行 喷药，没有靶标时控制喷头关闭。刘华、俞龙等利用激光传感器和 激光扫描仪进行靶标测距与扫描，对靶标进行距离扫描，并根据距离 重构翱招魁。激光传感器适于远距离工作，激光束的方向性极好，抗干 扰。采用激光扫描进行靶标探测，较红外探测以及激光探测具有 更大探测距离和更高探测精度，但是本钱比拟高。5.334基于图像处理的靶标探测技术基于图像处理的靶标探测技术主要采用CCD (Charge Coupled Device)相机拍照与图像处理相结合的方法探测靶标信息。国内有一些学者进行这一技术的探索性研究。贵州大学的 张富贵等人通过相机静态拍摄靶标，利用MatLab进行图像处理获得靶标的树叶稀密程度。在靶标的体积探测方面，华南农业大学的李松等人利用单幅 靶标图像处理后获得无背景的二值化图像，对果树靶标采用旋转体 模型,，获得果树靶标的冠形轮廓。由单幅图像重构的靶标三维模型 能够较好地符合实际的靶标外形；但当靶标外形不对称时，重构的 靶标三维模型会有较大的误差。新疆农业大学的王磊等人利用多幅图像测量靶标的冠 层体积和叶面积指数，在靶标旁放置一个长度的木棒作为 标尺，以靶标为中心在一定拍摄半径上围绕靶标拍摄假设干图像， 通过靶标图像中标尺大小和实际的标尺长度计算出靶标冠层体积； 将靶标冠层中一定高度范围内的叶片采摘形成空层，由上述方法计 算本积。基于图像技术的靶标探测技术可以反映靶标的特征信息， 但图像技术对光照条件和信息提取要求较高，图像处理速度还 不能满足实际作业要求。对靶施药的经济性与环保性果树对靶施药主要通过拖拉机牵引，采用不同的靶标传感探