王志翀，何雄奎※，李 天，黃銘一，張永萍，徐 林，鄧喜軍

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3. 安陽全豐生物科技有限公司，安陽 455001）

0 引 言

農(nóng)藥噴施過程中，約有 30%左右的細(xì)小霧滴會(huì)被氣流攜帶至非靶標(biāo)區(qū)域[1-3]，農(nóng)藥飄移到非靶標(biāo)區(qū)域，不僅浪費(fèi)農(nóng)藥、削弱防治效果，也是農(nóng)藥流失、利用率低的一個(gè)重要原因，還可能引起非靶標(biāo)區(qū)域作物藥害以及環(huán)境污染的問題[4-5]。歐美、發(fā)達(dá)國(guó)家植保機(jī)械與農(nóng)藥使用技術(shù)較為發(fā)達(dá)，田間飄移控制裝備較先進(jìn)，相應(yīng)規(guī)范更加完善；而中國(guó)由于農(nóng)藥飄移行為的相關(guān)研究較少、藥械與施藥技術(shù)相對(duì)落后、施藥方式不當(dāng)、農(nóng)藥劑型少等因素，施藥過程中存在農(nóng)藥飄失問題、環(huán)境污染與人畜中毒風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。為了提高農(nóng)藥有效利用率，除采用新型技術(shù)、新型霧化部件及藥械外，通過添加助劑改變藥液性質(zhì)來減少飄移也是研究重點(diǎn)之一[9-10]。

評(píng)估添加助劑的防飄移效果測(cè)試有田間測(cè)試和風(fēng)洞測(cè)試2種，由于開放大田中氣象因素的不穩(wěn)定性和不可控性使得田間試驗(yàn)結(jié)果很難重復(fù)，而風(fēng)洞測(cè)試可以確定某一因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響并對(duì)該因素的作用進(jìn)行量化[11-12]。在1997年，英國(guó)的Miller首次就針對(duì)各型噴頭進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，并進(jìn)行了霧滴的飄移特性分級(jí)[13]；Herbst[14]提出了飄移潛力指數(shù)（drift potential index，DIX）用于飄移的評(píng)估分析；傅澤田等[15]于1999年開展了風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)不同類型的噴頭進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。曾愛軍等[16]于2005年針對(duì)幾種典型的液力式噴頭在風(fēng)洞中進(jìn)行了飄移評(píng)價(jià)；王瀟楠等[17]于2015年針對(duì)各型助劑對(duì)不同噴頭的影響進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)的噴霧飄移采樣方法很多，如：棉絲、尼龍絲、培養(yǎng)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(cè)量，而且測(cè)量裝置多為一次性，測(cè)試過程中需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和材料在噴霧飄移的測(cè)量上[23-26]。

Gil等[27-28]于 2013年年使用激光雷達(dá)測(cè)量果園噴霧機(jī)的飄移。激光雷達(dá)無需接收材料，直接探測(cè)空中霧滴，但激光雷達(dá)傳感器價(jià)格昂貴，獲得的數(shù)據(jù)量大、處理時(shí)間長(zhǎng)，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速批量的飄移測(cè)試。為提高測(cè)試速度、降低測(cè)試成本，本文利用激光成像對(duì)噴霧飄移進(jìn)行測(cè)量。激光成像是近年新出現(xiàn)的技術(shù)，激光波長(zhǎng)集中亮度高，可利用光的丁達(dá)爾現(xiàn)象使空氣中的水滴、顆粒等成像。本文將該技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)洞中噴霧飄移的定量分析，結(jié)合圖像批處理技術(shù)，提取圖像中的特征圖層與參數(shù)，與噴霧飄移的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，利用得到的回歸方程確立基于圖像參數(shù)的計(jì)算方法，最終建立一種基于激光拍照快速測(cè)量風(fēng)洞中噴霧飄移的評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與設(shè)備條件

試驗(yàn)噴頭選用德國(guó)Lechler公司生產(chǎn)的LU120-01噴頭，噴霧壓力為 0.3 MPa，噴霧時(shí)長(zhǎng) 5 s，指示劑使用0.5 g/L的Brilliant Sulfoflavine，BSF，風(fēng)速為2 m/s。為獲取不同飄移結(jié)果，本試驗(yàn)選用了 11種助劑添加到噴霧液中，其具體參數(shù)及理化性質(zhì)見表 1，理化性質(zhì)測(cè)試溫度15 ℃。

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

收集樣品根據(jù)ISO22856和GB/T 32241-2015中規(guī)定布置。水平樣品分別布置于下風(fēng)向，距離噴頭1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m處，每個(gè)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(fēng)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(fēng)洞布置如圖1所示。

圖1 風(fēng)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(guó) PerkinElmer）熒光儀檢測(cè)，設(shè)置激發(fā)光波長(zhǎng)為465 nm，狹縫寬度5 nm，檢測(cè)發(fā)射光波長(zhǎng)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(guó)Malvern）在距離噴頭下方50 cm處進(jìn)行測(cè)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(jī)使用腳架置于風(fēng)洞內(nèi)部，相機(jī)置于噴頭上風(fēng)向25 cm，水平距離45 cm，高度50 cm處。相機(jī)為Mi6手機(jī)，通過使用藍(lán)牙連接相機(jī)快門控制器，手機(jī)相機(jī)設(shè)定為手動(dòng)模式，白平衡和聚焦為自動(dòng)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(lán)牙快門控制器連續(xù)拍照，直至噴霧停止。

圖2 風(fēng)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(shù)提取

1.3.1 噴霧區(qū)提取及去噪

拍攝后的照片使用MATLAB 2017a進(jìn)行分析。將圖像的RGB 3層信號(hào)分別獨(dú)立。為有效分離噴霧區(qū)，避免弱光環(huán)境下風(fēng)洞中的背景影響，選擇使用R圖層減去G圖層，并將噴霧區(qū)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(qū)特征參數(shù)提取

分離后的噴霧區(qū)圖片數(shù)據(jù)為二維矩陣（定義圖片左上角為零點(diǎn)），對(duì)垂直方向進(jìn)行平均，得到水平方向的一維平均值序列（average_x），對(duì)序列求最大值（mx）和最大值坐標(biāo)（i）；對(duì)水平方向進(jìn)行平均，得到垂直方向的一維平均值序列（average_y），對(duì)該序列求垂直方向（y方向）最大值（my）和最大值坐標(biāo)（j）；對(duì)整個(gè)圖片求重心坐標(biāo)（Center_x，Center_y）。具體表達(dá)式如下：

式中average_x為從垂直方向進(jìn)行平均，得到的水平平均值序列；average_y為從水平方向進(jìn)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(gè)點(diǎn)的像素值；xn為第n個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；yn為第n個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

1.4 計(jì)算方法

銅版紙和聚四氟乙烯線上的飄移量通過式（8）計(jì)算，得到飄移測(cè)試區(qū)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(cè)試熒光值；A0為母液測(cè)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(cè)試平面內(nèi)的霧滴總通量T，由式（9）計(jì)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(shù)DIXh定義為

垂直飄移潛力指數(shù)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(shù)，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(yuǎn)，說明飄移運(yùn)移的距離越遠(yuǎn)；垂直飄移的特征高度越大，說明飄移在空中運(yùn)移高度越高；DIX值越大，飄移損失的可能性越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧飄移測(cè)試結(jié)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(shì)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(nèi)，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(xiàn)在距地面25 cm，ND700出現(xiàn)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(jié)中的式（10）～（13），對(duì)垂直和水平飄移的3個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)助劑的飄移率、特征飄移高度/距離、DIXh和 DIXv指數(shù)，如表2所示。在垂直飄移中BT、邁圖、AGE809、ADE701、AGE852、AGE825的 DIXv指數(shù)分別為 68、55、65、51、62和59，均遠(yuǎn)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(chǎn)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(shù)與空白相當(dāng)，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(chǎn)生抗飄移效果而且增加了飄移，其中AS100的DIXh和DIXv指數(shù)分別為 128和 108，均大于空白值，這與飄移分布中出現(xiàn)的規(guī)律一致。

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

2.2 飄移與照片特征參數(shù)

將計(jì)算得到的飄移率、特征飄移高度、DIX指數(shù)與照片中的特征參數(shù)（式（1）至（7）計(jì)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(shù)與照片特征參數(shù)擬合結(jié)果。在垂直飄移和水平飄移中 3個(gè)飄移特征參數(shù)均得到了較好的擬合結(jié)果，最小相關(guān)系數(shù)為 0.913，且回歸分析結(jié)果均具有顯著性（Sig.F＜0.05）。在垂直飄移 3個(gè)特征參數(shù)擬合中均使用了照片計(jì)算產(chǎn)生的7個(gè)參數(shù)，相關(guān)系數(shù)r均大于0.97，回歸結(jié)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(shù)與照片特征參數(shù)擬合結(jié)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(gè)無關(guān)參數(shù)，飄移率和DIXv均與照片計(jì)算產(chǎn)生的7個(gè)參數(shù)進(jìn)行回歸，相關(guān)系數(shù) r均大于 0.91，回歸結(jié)果均具有顯著性（Sig.F＜0.05）。

綜合垂直和水平飄移擬合結(jié)果，垂直飄移的 3個(gè)特征參數(shù)均與平均值（mean）呈正相關(guān)，垂直方向最大值位置（j）、重心位置縱坐標(biāo)（Center_y）呈負(fù)相關(guān)，說明霧滴散射的紅色在圖片中出現(xiàn)越多（圖3）、在垂直方向上越高（坐標(biāo)數(shù)值越?。?，DIXv指數(shù)越大，說明飄移風(fēng)險(xiǎn)越高。水平飄移的 3個(gè)特征參數(shù)均與平均值呈正相關(guān)，水平方向最大值（i）、重心位置縱坐標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，說明霧滴散射的紅色在圖片中出現(xiàn)越多、在水平方向上越遠(yuǎn)離噴頭、垂直方向上重心越高，DIXh指數(shù)越大，飄移風(fēng)險(xiǎn)越高。這一規(guī)律與飄移運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，即霧滴運(yùn)動(dòng)的越高越遠(yuǎn)（圖3中左上角方向），潛在飄移量越多，DIX指數(shù)越大。

2.3 激光成像測(cè)量準(zhǔn)確性

由于測(cè)量為霧滴反射光，為保證風(fēng)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(xù)線性回歸分析過程中消除了該影響因素，為方便計(jì)算機(jī)批量執(zhí)行，因此在自動(dòng)計(jì)算時(shí)，直接使用線性回歸方法進(jìn)行，減少操作步驟。

利用擬合方程計(jì)算的飄移率、特征高度、DIX與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得到相對(duì)誤差及絕對(duì)值平均相對(duì)誤差、均方根誤差（RMSE），如表4所示。結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值非常接近，絕對(duì)值平均相對(duì)誤差最大僅為5.9%。垂直特征高度和水平特征距離擬合結(jié)果最好，平均相對(duì)誤差為0，絕對(duì)值平均相對(duì)誤差為0.6%和1.5%，其次為DIX指數(shù)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(qū)別，擬合結(jié)果規(guī)律相似，其中DIX指數(shù)絕對(duì)值平均誤差綜合后為僅4.0%，準(zhǔn)確率高達(dá)96%，飄移率準(zhǔn)確率為94.4%。

表4 水平和垂直飄移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差結(jié)果Table 4 Result of error between calculated value and tested value of vertical and horizontal drift

通過計(jì)算照片中的特征信息，結(jié)合擬合公式，可對(duì)水平、垂直飄移的飄移率、飄移特征高度、DIX進(jìn)行計(jì)算。由此可以證明，激光成像是一種對(duì)風(fēng)洞中飄移評(píng)估可行且準(zhǔn)確的方法。

2.4 激光成像測(cè)量霧滴飄移與傳統(tǒng)測(cè)量方法的對(duì)比

激光成像測(cè)量霧滴飄移與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，主要存在三方面的優(yōu)點(diǎn)：1）測(cè)試快速、高效。拍照測(cè)量過程與噴霧過程同步，在噴霧的同時(shí)進(jìn)行拍照。計(jì)算機(jī)處理過程為程序自動(dòng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)無人化批次處理，直接輸出圖片的特征參數(shù)。1張圖片耗時(shí)低于1 s。2）測(cè)試經(jīng)濟(jì)、環(huán)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(jī)拍攝，無一次性耗材，測(cè)試更加環(huán)保。同時(shí)噴霧液中也無需添加指示劑，在確保噴霧液與實(shí)際作業(yè)中一致的同時(shí)，也降低了測(cè)試成本。3）測(cè)試準(zhǔn)確，重復(fù)性好。測(cè)試過程中無人操作，全程使用計(jì)算機(jī)。避免了人為取樣過程中樣品污染、檢測(cè)過程中人為誤差。提高了同一測(cè)試中的重復(fù)性。本試驗(yàn)中，同一處理內(nèi)的照片計(jì)算結(jié)果變異系數(shù)平均為2.8%，最小為0.3%，而人工測(cè)試結(jié)果的平均變異系數(shù)為12.4%。但該方法局限于風(fēng)洞中，且需要保證外界光源亮度較低，難以運(yùn)用到除室外田間測(cè)量過程中。

3 結(jié) 論

本文選用 11種各類型助劑和水在風(fēng)洞中的進(jìn)行了噴霧飄移測(cè)試，利用激光成像技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取了飄移影像信息，結(jié)合圖像批處理技術(shù)，提取了橫縱方向的最大值及位置、重心坐標(biāo)、平均值等圖像特征參數(shù)，同時(shí)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試噴霧飄移，通過圖像特征參數(shù)與評(píng)估飄移的飄移率、特征高度、DIX指數(shù)3個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行擬合，驗(yàn)證了激光成像技術(shù)測(cè)量噴霧飄移的準(zhǔn)確性。得到以下結(jié)論：

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

2）測(cè)試重復(fù)性較高，處理內(nèi)計(jì)算結(jié)果平均變異系數(shù)為2.8%，遠(yuǎn)大于人工測(cè)量的12.4%。DIX指數(shù)綜合準(zhǔn)確性可高達(dá)96%。

綜上，激光拍照是一種可以準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)洞中的噴霧飄移的方法，是一種快速、環(huán)保、高效的測(cè)試方法，可以在助劑的批量篩選過程中節(jié)約大量的時(shí)間和耗材，提高篩選效率，也可以在防飄裝置測(cè)試中運(yùn)用，提高測(cè)試效率。