劉雪美 劉興華 崔慧媛 苑 進(jìn)

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018)

0 引言

我國農(nóng)作物病蟲害多發(fā)頻發(fā)重發(fā)，年發(fā)生面積近5億公頃次，農(nóng)產(chǎn)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(fā)成災(zāi)。另一方面，植物化學(xué)保護(hù)仍是當(dāng)前最主要的病蟲害防控方法，對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全與糧食有效供給起至關(guān)重要作用。我國從2015年2月17日開始實施“農(nóng)藥零增長”戰(zhàn)略，“十三五”重點解決從精準(zhǔn)施藥2.0(植保機械化)到精準(zhǔn)施藥3.0(植保智慧化)的提升，提前3年實現(xiàn)了農(nóng)藥使用量零增長的目標(biāo)。

2019年我國農(nóng)藥利用率已達(dá)39.8%，然而仍有超過60%的農(nóng)藥造成了浪費，精準(zhǔn)施藥仍有較大減藥增效空間和環(huán)保潛力，農(nóng)藥利用率每提高1%(相當(dāng)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(huán)境安全重要性認(rèn)識的不斷提高，我國“綠水青山”和“農(nóng)藥負(fù)增長”等環(huán)保戰(zhàn)略亦逐步升級，植保作業(yè)面臨保障產(chǎn)量和環(huán)境安全雙重壓力，精準(zhǔn)施藥技術(shù)亟待進(jìn)一步提高，以期實現(xiàn)精準(zhǔn)施藥4.0(植保綠色化/生態(tài)化)，即“更少藥量，更均勻覆蓋，更佳防效”。

作物冠層內(nèi)霧滴的沉積是植保噴霧作業(yè)的基礎(chǔ)，是決定施藥質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究熱點問題之一。農(nóng)業(yè)農(nóng)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(fā)期，重點噴植株中下部。”同時，冠層內(nèi)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(shù)，提高農(nóng)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(dá)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(nèi)穿透、撞擊、反彈，最終部分霧滴鋪展在枝葉表面的復(fù)雜行為。為明晰作物冠層霧滴沉積過程與規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)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(yù)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(jìn)展與存在的問題，本文在闡述多因素影響下冠層內(nèi)霧滴沉積過程的基礎(chǔ)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(yè)參數(shù)優(yōu)化等方面，對冠層霧滴沉積研究歷程和成果進(jìn)行梳理，重點分析霧滴、氣流、枝葉的動態(tài)耦合機理，歸納該領(lǐng)域的開放性問題，并對霧滴沉積研究發(fā)展趨勢和新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行展望和探討。

1 冠層內(nèi)霧滴沉積衰減現(xiàn)象及改善機理分析

合理密植、提高產(chǎn)量的現(xiàn)代農(nóng)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(nèi)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(xù)向內(nèi)穿透，但未被截獲的霧滴量遞減，在植株內(nèi)層沉積率遠(yuǎn)低于植株表層沉積率，出現(xiàn)“霧滴沉積衰減”現(xiàn)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(nèi)霧滴均勻沉積的因素眾多。植保噴霧所面對的農(nóng)作物種類繁多、靶標(biāo)特征各異，其冠層形態(tài)、生長時期、郁閉度和枝葉力學(xué)參數(shù)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(huán)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(fù)雜動態(tài)過程。

為了提高霧滴在冠層內(nèi)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(biāo)，植保噴霧作業(yè)依據(jù)不同作業(yè)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(nèi)霧滴沉積均勻性，有利于精準(zhǔn)施藥，其改善作用主要體現(xiàn)為兩方面：

(1)優(yōu)化霧滴輸運通道，增加霧滴在冠層內(nèi)部的穿透能力和分配比例。具體措施為：對作物枝葉施加風(fēng)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(xiàn)霧滴在冠層內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)是典型的無輔助手段的傳統(tǒng)噴霧機具，在早期植保噴霧中應(yīng)用廣泛。霧滴生成主要源于壓力或離心力作用，使之產(chǎn)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(gòu)成的孔隙內(nèi)，進(jìn)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(tài)、葉密度等參數(shù)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(tǒng)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(dá)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(nèi)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(shù)，無論無人機的下洗氣流，還是地面機械的風(fēng)送氣流，當(dāng)氣流脅迫霧滴群到達(dá)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(xiàn)超低量施藥、提高農(nóng)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(nèi)沉積：通過較大的風(fēng)速對作物冠層枝葉施加風(fēng)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(jìn)入冠層內(nèi)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(nèi)變軌運動，提高穿透能力。多旋翼植保無人機[5](圖2a)、風(fēng)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(yīng)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(yīng)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(nèi)運移過程中，穿透冠層表面的枝葉進(jìn)入冠層內(nèi)部后，荷電霧滴在電場力作用下，對于葉片正面能夠穩(wěn)定吸附，對于葉片背面能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)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(guī)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(yōu)勢(圖2c)。

吊桿噴霧的吊桿結(jié)構(gòu)深入稠密枝葉內(nèi)部，避開冠層上部郁閉層的遮擋，在植株群體內(nèi)部沿高孔隙率路徑噴霧施藥，有利于霧滴在郁閉冠層內(nèi)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(shù)思路與吊桿噴霧有相似之處，通過仿形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)霧滴沿多角度高孔隙率路徑向果樹冠層內(nèi)部送藥。機械擾動[4]方式通過撥桿或罩蓋等機構(gòu)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(nèi)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(yīng)用背景下，枝葉力學(xué)參數(shù)、孔隙率、葉密度、冠層形態(tài)、氣流速度、荷質(zhì)比、分禾深/寬度等因素均會影響霧滴在冠層內(nèi)的運動沉積。因此，改善作物冠層內(nèi)霧滴沉積的實質(zhì)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(yōu)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(jìn)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(tài)各異的多種作物，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)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(yè)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(jié)多種工況下最佳噴霧作業(yè)參數(shù)的選擇，為植保裝備的精準(zhǔn)施藥應(yīng)用提供了重要應(yīng)用實例和數(shù)據(jù)支撐。

2.1.1傳統(tǒng)噴霧

傳統(tǒng)噴桿噴霧機憑借寬噴幅、高效率等優(yōu)勢，在噴霧植保作業(yè)尤其是大田作物中應(yīng)用廣泛。業(yè)內(nèi)學(xué)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(shù)對作物冠層霧滴沉積分布的影響，發(fā)現(xiàn)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(nèi)部逐層減少，呈現(xiàn)霧滴沉積衰減現(xiàn)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(yè)參數(shù)對冠層內(nèi)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(nèi)部穿透運移；空氣誘導(dǎo)噴嘴產(chǎn)生的霧滴具有較好的穿透能力，空心錐形噴嘴次之，常規(guī)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(yōu)勢，使氣流輔助噴霧技術(shù)受到重視，并得到迅速發(fā)展。氣流輔助噴霧技術(shù)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(jié)合表現(xiàn)為多種形式：風(fēng)幕式噴桿噴霧機(大田)、風(fēng)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(shù)優(yōu)勢，學(xué)者開展了大量不同機具應(yīng)用于不同靶標(biāo)作物的噴霧沉積田間試驗研究。

(1)風(fēng)幕式噴桿噴霧

風(fēng)幕式噴桿噴霧是氣流輔助噴霧技術(shù)最早的應(yīng)用形式，Hardi、John Deere、黃海藥械、華盛藥械等公司開發(fā)了多款機型。眾多學(xué)者也結(jié)合風(fēng)幕式噴桿噴霧機開展了相關(guān)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)風(fēng)幕出風(fēng)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(yōu)勢，但風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)需要經(jīng)過合理選擇。利用4種型號扇形噴頭的風(fēng)幕式噴霧沉積試驗表明，風(fēng)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(fēng)幕時農(nóng)藥的地面流失率也比無風(fēng)幕有所增加。這一研究說明不合理的風(fēng)送噴霧施藥參數(shù)可能導(dǎo)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(jié)構(gòu)可以借助機械剛性吊臂將藥液送入冠層內(nèi)部進(jìn)行霧化噴藥，提高冠層內(nèi)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(jié)果表明吊桿噴霧技術(shù)可有效改善冠層內(nèi)上中下部的藥液沉積均勻性，是一種具有應(yīng)用潛力的噴霧施藥技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者也開展了吊桿噴霧技術(shù)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(jié)構(gòu)能夠有效突破枝葉屏障，可以在冠層中下部實現(xiàn)穩(wěn)定沉積[19-20]。為進(jìn)一步提升吊桿噴霧冠層霧滴的沉積均勻性，將噴桿結(jié)構(gòu)和吊桿結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時利用強制氣流強化霧滴的冠層穿透能力，實現(xiàn)分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧，結(jié)合了吊桿結(jié)構(gòu)和強制氣流的技術(shù)優(yōu)勢，施藥效果提升明顯[21-22]，如圖3所示。

(2)風(fēng)送式噴霧

風(fēng)送式噴霧是利用軸流風(fēng)機輸出的強制氣流，以環(huán)形出風(fēng)、塔式出風(fēng)、多頭掌式出風(fēng)或固定管道式等形式向冠層送風(fēng)，脅迫霧滴向靶標(biāo)運移，實現(xiàn)植保噴霧作業(yè)的一類機型，在果園各類果樹中應(yīng)用廣泛。

橫流式噴霧機、離心風(fēng)送式噴霧機、多出風(fēng)口噴霧機機型是風(fēng)送式噴霧的主要機具形式(圖4a)，相應(yīng)的噴霧試驗研究表明梨樹和蘋果樹冠層內(nèi)霧滴沉積分布云圖與氣流分布具有明顯相關(guān)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(jié)果也表明作物冠層葉密度、孔隙率、冠層體積等作物形態(tài)參數(shù)對霧滴沉積影響顯著[23]。為了實現(xiàn)根據(jù)作物冠層形態(tài)特征在線變量施藥，對多頭掌式風(fēng)送噴霧機[24](圖4b)和離心風(fēng)送式噴霧機[25](圖4c)加裝激光掃描傳感器和PWM變量調(diào)節(jié)機構(gòu)，針對蘋果樹冠層的噴霧施藥試驗結(jié)果表明，通過感知冠層形態(tài)特征在線調(diào)節(jié)藥液用量，能夠在節(jié)約藥量27%～53%的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與非變量噴霧等效的冠層霧滴沉積效果，試驗證實了根據(jù)靶標(biāo)形態(tài)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(biāo)作物形態(tài)特征，可依據(jù)果樹樹冠特征實時調(diào)節(jié)噴霧參數(shù)，對比試驗研究表明[26-27]：相比于離心式和定向式風(fēng)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(xiàn)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(yè)環(huán)境，固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)作為一種噴霧作業(yè)方式，李雪等[28]分析了其風(fēng)場腹部特性和霧滴沉積分布特性，研究得出風(fēng)送氣壓0.3 MPa、藥液壓力0.05 MPa為最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

(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(yōu)勢，不僅體現(xiàn)在風(fēng)幕式噴桿噴霧機、風(fēng)送式噴霧機等地面機械，在航空植保噴霧領(lǐng)域中亦有展現(xiàn)。

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(yè)過程的實質(zhì)是旋翼下洗氣流與作物冠層交互影響下霧滴在冠層內(nèi)的穿透沉積過程。一方面，作物冠層形態(tài)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(yè)參數(shù)優(yōu)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(yè)參數(shù)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(tài)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(nèi)的沉積行為，比如，許童羽等[31]以粳稻為試驗對象，研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)旋翼下方區(qū)域的霧滴覆蓋效果最好，而遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)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(tài)限制、便于進(jìn)場作業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，業(yè)內(nèi)學(xué)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(yè)參數(shù)對霧滴沉積的影響，并給出了適應(yīng)不同作物植保防控需求的優(yōu)化作業(yè)參數(shù)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(nèi)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(yè)的靜電噴霧技術(shù)的研究和應(yīng)用起源于美國，并逐步受到國際植保工作者的關(guān)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(biāo)沉積效果的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步對靜電噴霧作業(yè)參數(shù)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(fā)現(xiàn)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(qū)間的霧滴受靜電作用影響最大，靜電作用下此區(qū)間段內(nèi)的霧滴沉積數(shù)量增加了約2倍，當(dāng)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(xué)者的研究結(jié)果相互印證，為靜電噴霧的實際應(yīng)用提供了參數(shù)依據(jù)。

雖然荷電霧滴在靶標(biāo)枝葉周圍借助靜電場力可以實現(xiàn)變軌運移和環(huán)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(biāo)運移過程中荷電量快速衰減等問題。氣流輔助技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)的結(jié)合是克服上述問題的有效途徑，可以實現(xiàn)較好的遠(yuǎn)程霧滴輸送和霧滴葉面環(huán)繞吸附效果，試驗研究表明兩種技術(shù)的結(jié)合可以實現(xiàn)垂直霧量分布規(guī)律、氣流速度分布規(guī)律與紡錘型果樹生物量分布規(guī)律的一致，單側(cè)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(shù)的推廣應(yīng)用提供了有益借鑒。

2.2 沉積機理分析與建模

國內(nèi)外學(xué)者為了明晰冠層霧滴沉積機理，從冠層內(nèi)霧滴、強制氣流、枝葉、靜電場、吊桿結(jié)構(gòu)等因素的交互過程出發(fā)，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(nóng)藥利用率等優(yōu)勢。同時，由于作物種類多樣、形態(tài)各異導(dǎo)致的枝葉參數(shù)的多樣性以及輔助氣流改變冠層枝葉形態(tài)和輸運通道及脅迫霧滴運移過程的復(fù)雜性，學(xué)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(gòu)建

對作物冠層枝葉分布及密度進(jìn)行量化描述是開展冠層霧滴沉積機理研究的前提條件。學(xué)者通過大量冠層噴霧沉積試驗發(fā)現(xiàn)，作物冠層對霧滴在冠層內(nèi)的運移沉積具有重要影響。因此，為進(jìn)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(guī)律，需要先對作物冠層形態(tài)、枝葉密度、空間分布等進(jìn)行量化分析。

利用數(shù)值仿真、試驗分析等不同霧滴沉積機理研究途徑，學(xué)界主要采用4種方式對作物冠層進(jìn)行了量化描述或等效表達(dá)，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(nèi)強制氣流流場與冠層霧滴沉積分布具有明顯相關(guān)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(guī)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(zhì)模型的運用可以獲取豐富的流場數(shù)值信息，在揭示作物冠層與輔助氣流交互方面發(fā)揮了重要作用。ENDALEW等[40-41]利用上述模型，開展了單風(fēng)機(Condor V)、雙風(fēng)機塔式(Duoprop)和四風(fēng)機塔式(AirJet Quatt)3種機型的梨樹冠層氣流場數(shù)值模擬，驗證了所提出的多孔介質(zhì)CFD模型的有效性，并進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口的布置方案和冠層形態(tài)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(zhì)模型[42]，通過集成滑動網(wǎng)格技術(shù)的CFD分析，較好地預(yù)測樹冠內(nèi)外強制氣流的空氣速度分布，如圖7所示，達(dá)到了降低模型復(fù)雜度、減少計算耗時下的作物冠層流場的良好預(yù)測效果。

與國外學(xué)者采用的研究思路類似，國內(nèi)學(xué)者也利用簡化等效多孔介質(zhì)模型對作物冠層流場進(jìn)行了仿真分析。面向果樹冠層，利用簡化等效多孔介質(zhì)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(fēng)場分布結(jié)果呈現(xiàn)出風(fēng)速衰減與冠層壓力損失系數(shù)呈正相關(guān)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(xué)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(guī)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(jié)構(gòu)布置與水稻冠層耦合形成的風(fēng)場在風(fēng)場寬度、風(fēng)速、空間分布規(guī)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(fēng)場分布具有重要影響，因此針對具體作物冠層的風(fēng)場分布規(guī)律及霧滴沉積規(guī)律研究應(yīng)先明確施藥機械的強制氣流配送方案。延續(xù)上述研究，李繼宇等[52-53]針對水稻這一具體作物，詳細(xì)分析了單旋翼無人機的風(fēng)場分布，借助等效面積(等高線和上邊界包圍面積)和風(fēng)場寬度等參數(shù)，描述了風(fēng)場分布區(qū)域與無人機旋翼風(fēng)場的線性衰減關(guān)系，并根據(jù)無人機旋翼半徑和等效面積衰減率建立了水稻冠層內(nèi)翼風(fēng)場覆蓋區(qū)域呈現(xiàn)的渦旋結(jié)構(gòu)的等效錐模型，如圖9所示，為理解無人機旋翼風(fēng)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(nèi)的穿透沉積行為提供依據(jù)。

上述關(guān)于作物冠層與輔助氣流交互的研究側(cè)重于作物冠層阻礙下強制氣流的衰減變化規(guī)律，而沒有關(guān)注強制氣流對作物冠層枝葉形態(tài)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(fā)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(guī)律，劉興華等[54]借助高速攝像技術(shù)和雙向流固耦合模型，分析了風(fēng)力載荷下棉花葉片的彎曲變形規(guī)律，建立了棉花葉片彎曲變形的參數(shù)辨識模型，如圖10所示。上述研究結(jié)果可以為氣流輔助噴霧作業(yè)中作物冠層郁閉度的動態(tài)變化、施藥參數(shù)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(jìn)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(nèi)穿透、運移及沉積的規(guī)律，以建立精準(zhǔn)噴霧的重要理論基礎(chǔ)。

局部枝葉等效多孔介質(zhì)模型和簡化等效多孔介質(zhì)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(fā)揮了重要作用。借助局部枝葉等效多孔介質(zhì)模型， ENDALEW等[55]以梨樹為研究對象，建立了考慮作物葉片光學(xué)孔隙率、葉面積密度、葉片阻力系數(shù)以及葉面霧滴截獲系數(shù)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(guī)律提供了一種可行的研究路徑。依托上述多孔介質(zhì)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(huán)境風(fēng)及輔助氣流配送方式研究表明，當(dāng)垂直于噴霧方向時，環(huán)境風(fēng)對樹冠內(nèi)部霧滴軌跡流形影響較樹冠外部??；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速設(shè)定6.5 m/s時，風(fēng)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(zhì)模型也是分析作物冠層內(nèi)霧滴沉積分布的有利工具。結(jié)合霧滴沉積概率模型，針對蘋果冠層的簡化等效多孔介質(zhì)CFD模型分析結(jié)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(nèi)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(jié)果揭示風(fēng)送噴霧雖然具有增強霧滴穿透、提高沉積均勻性的優(yōu)勢，但不恰當(dāng)?shù)膹娭茪饬鲄?shù)可能加重霧滴飄移損失，如圖13所示[57]。與此同時，依據(jù)上述研究，HONG等[58]開發(fā)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(yù)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(jù)，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(huán)境因素不可控等問題，但其仍是研究冠層霧滴沉積分布規(guī)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(fā)現(xiàn)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(nèi)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(zhì)模型研究結(jié)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(dǎo)作用，同時也表明強制氣流與冠層內(nèi)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(xiàn)改善沉積和減少飄移雙重目標(biāo)的關(guān)鍵。

隨著對作物冠層、強制氣流和藥液霧滴三者交互過程認(rèn)識的深入，國內(nèi)學(xué)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(guī)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(fā)現(xiàn)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(nèi)霧滴沉積量及霧滴沉積穿透性的影響，均發(fā)現(xiàn)相比于X、Y向風(fēng)速，Z向風(fēng)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(jìn)一步建立了有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量與因素Z向風(fēng)速之間的回歸模型及有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性與因素Y、Z向風(fēng)速之間的回歸模型，可以為實際作業(yè)提供指導(dǎo)。

為進(jìn)一步揭示靶標(biāo)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(dá)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(fēng)速等為試驗變量，構(gòu)建了霧滴穿透比例二次指數(shù)數(shù)學(xué)模型，表明取樣深度相比于葉面積體密度及出口風(fēng)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(jìn)一步量化分析冠層枝葉對霧滴在冠層內(nèi)穿透分布的規(guī)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(xiàn)冠層霧滴穿透分布的可靠預(yù)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(nèi)的穿透規(guī)律，為探明其他作物冠層內(nèi)霧滴穿透規(guī)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(fā)現(xiàn)可以為針對不同作物的氣流輔助施藥模式及施藥參數(shù)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(guī)律的同時，為了能夠?qū)趯屿F滴的沉積性能做出預(yù)測，學(xué)界從霧滴運動軌跡力學(xué)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?；陟F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(fā)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(shù)(LAI)等冠層宏觀參數(shù)，分析和建立霧滴沉積多元回歸模型已被證實是預(yù)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(yè)參數(shù)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(guī)律，分別建立了飛行速度、高度與試驗指標(biāo)沉積濃度及沉積均勻性之間的關(guān)系模型，可以實現(xiàn)根據(jù)無人直升機噴霧作業(yè)參數(shù)預(yù)測特定小麥冠層形態(tài)下的霧滴沉積情況。

2.2.4霧滴與靶標(biāo)葉面的交互行為分析

霧滴在靶標(biāo)葉面上有效沉積是植保噴霧作業(yè)的最終目的，霧滴與靶標(biāo)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(chǔ)，也是在宏觀上明晰霧滴在冠層內(nèi)穿透分布規(guī)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(biāo)葉面疏水特性等多重因素影響，霧滴在靶標(biāo)葉面表面可能出現(xiàn)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(shù)是研究霧滴在靶標(biāo)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(jìn)一步用于揭示藥液性質(zhì)、靶標(biāo)表面性質(zhì)對霧滴沉積行為的影響[77]。在認(rèn)識到藥液理化性質(zhì)和作物葉面表面結(jié)構(gòu)是影響霧滴在靶標(biāo)葉面沉積行為的重要因素后，學(xué)界開展了大量研究。陸軍等[78]研究了藥液理化性質(zhì)(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(tài)表面張力所主導(dǎo)。周召路[79]研究了水溶性農(nóng)藥霧滴在水稻、棉花及懸浮劑型農(nóng)藥霧滴在甘藍(lán)葉面上的蒸發(fā)動力學(xué)行為和葉面彈跳行為，揭示了霧滴界面膜的穩(wěn)定性對霧滴彈跳性能存在影響。作為霧滴沉積的靶標(biāo)，作物葉片表面結(jié)構(gòu)對霧滴沉積亦是需要考慮的影響因素，霧滴在毛刺、蠟質(zhì)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(shù)中，葉面結(jié)構(gòu)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(zhì)和葉面表面結(jié)構(gòu)兩方面的研究外，學(xué)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(zhì)比的影響，發(fā)現(xiàn)霧滴荷質(zhì)比與其臨界膠束濃度(CMC)有關(guān)，進(jìn)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(shù)(St)為主要衡量指標(biāo)，建立單一霧滴葉面沉積概率E經(jīng)驗公式，并以此為基礎(chǔ)分析了作物冠層對霧滴捕獲概率T與冠層光學(xué)孔隙率τ及葉面沉積概率E的關(guān)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(xué)界通過多孔介質(zhì)CFD模型基于冠層狀態(tài)實測數(shù)據(jù)的風(fēng)場分布試驗分析等方式，證實了作物冠層對強制氣流風(fēng)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(fēng)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(zhì)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(shù)等，研究了多種作物冠層內(nèi)霧滴的穿透行為、沉積分布規(guī)律等，促進(jìn)了學(xué)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(xué)界也針對輔助氣流、靜電場等多類因素影響下霧滴與靶標(biāo)葉片的交互行為開展了研究，從藥液理化性質(zhì)、靶標(biāo)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(gòu)建、氣流場與冠層的交互及其影響下霧滴的沉積規(guī)律分析，也涵蓋了微觀的霧滴與靶標(biāo)葉片的交互行為探究，為精準(zhǔn)噴霧理論的完善、噴霧裝備的研發(fā)、噴霧作業(yè)參數(shù)優(yōu)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確檢測，是分析植保噴霧時冠層內(nèi)霧滴沉積機理的重要前提；同時，沉積數(shù)據(jù)的快速檢測與評估也是植保噴霧作業(yè)時及時分析施藥效果、有針對性調(diào)整噴霧作業(yè)參數(shù)的重要手段。因此，霧滴沉積狀況的準(zhǔn)確檢測和合理評估，在霧滴沉積理論研究和噴霧實際作業(yè)兩方面均具有重要作用，為實現(xiàn)作物噴霧施藥的精準(zhǔn)智能調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

針對目前缺乏霧滴沉積數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速的評估手段，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)圖像處理、光學(xué)、電磁學(xué)等不同原理，提出了多種軟硬件的解決方案。表2對其進(jìn)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(shè)備開展霧滴沉積量檢測是基本的霧滴沉積方法?；谏鲜鏊悸?，BAHLOL等[83-84]融合二維聲速計和霧滴捕捉單元，開發(fā)了智能噴霧實時檢測與分析系統(tǒng)。該類方案適用于室內(nèi)試驗和植保機具田間初步測試，但不適合于大規(guī)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(biāo)具有顯著相關(guān)性，為利用水敏紙準(zhǔn)確檢測霧滴沉積提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。針對水敏紙、Kromekote霧滴測試卡數(shù)據(jù)處理步驟繁瑣、時效性差等問題，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多款便攜式掃描測試系統(tǒng)，如SnapCard[85-86](圖17)、DropLeaf[87]。

國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計了多款基于光學(xué)原理或電磁學(xué)原理的霧滴沉積傳感器，為霧滴沉積數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確獲取提供了研發(fā)方向。TALEB等[88]研發(fā)了基于光波導(dǎo)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(jié)果表明其霧滴沉積檢測相關(guān)性為66.5%，檢測精度達(dá)到0.39 μL。KUMAR等[89]通過對表面增強拉曼散射法的改進(jìn)，在樣品的復(fù)雜表面提取感興趣目標(biāo)元素，檢測精度達(dá)到10-9g/cm2，如圖19所示。雖然其主要針對農(nóng)作物的低量農(nóng)藥殘留而設(shè)計，但其為霧滴沉積量的精準(zhǔn)檢測提供了研發(fā)思路。劉雪美等[90]基于結(jié)構(gòu)光透射原理和視覺檢測，設(shè)計了一種同時檢測正反面霧滴沉積量的測量節(jié)點，可以實現(xiàn)霧滴密度、覆蓋率、單位面積沉積量等指標(biāo)的在線霧滴沉積檢測，如圖20所示。

基于光學(xué)原理和變介電常數(shù)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(zhǔn)抽檢和分析，為霧滴沉積檢測由傳統(tǒng)的洗脫示蹤劑和水敏紙等方式向快速高效測量的光學(xué)或電氣傳感器方式轉(zhuǎn)變提供了研發(fā)方向上的啟示。

上述霧滴沉積檢測技術(shù)和裝置側(cè)重于從霧滴個體在光學(xué)參數(shù)或電氣參數(shù)方面對檢測基材的影響入手，獲取霧滴沉積量數(shù)據(jù)。與此同時，學(xué)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(fā)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，開發(fā)霧滴沉積檢測技術(shù)?？臻g金字塔池化網(wǎng)絡(luò)(SPP-Net)經(jīng)證實可以實現(xiàn)冠層熱紅外圖像的多尺度特征融合，實現(xiàn)柑橘冠層霧滴沉積量的快速準(zhǔn)確分類，為大規(guī)模噴霧場景下霧滴沉積狀況的準(zhǔn)確檢測和快速評估提供解決思路[96]。

綜上，研發(fā)霧滴沉積快速檢測傳感器和檢測系統(tǒng)是業(yè)界共識的發(fā)展趨勢，但目前所研發(fā)的霧滴沉積傳感和檢測技術(shù)尚不夠成熟，無法應(yīng)用于大規(guī)模噴霧場景的霧滴沉積檢測。

2.4 施藥作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

噴霧作業(yè)參數(shù)優(yōu)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(biāo)特征。為了達(dá)到最佳沉積效果，近年來國內(nèi)外學(xué)者將作物特定形態(tài)和霧滴群飛行特征納入噴霧過程優(yōu)化，主要通過3種途徑開展施藥作業(yè)參數(shù)優(yōu)化：依托具體植保作業(yè)機具，針對具體作物，開展作物參數(shù)優(yōu)化研究；根據(jù)靶標(biāo)作物形態(tài)特征和冠層外形特征，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化改善噴霧施藥質(zhì)量；根據(jù)作業(yè)靶標(biāo)對象特征及作業(yè)場景特點，研究新型噴霧機具，并對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

面向水稻、冬小麥、果樹等多種作物，學(xué)界針對多旋翼無人機[97-100]、單旋翼無人機[101]、風(fēng)送噴霧機[102]、對靶噴霧機[103]等多款裝備，研究了噴霧作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積的影響規(guī)律，并分別確定了適于不同作物的各類機型的優(yōu)化作業(yè)參數(shù)。除了上述基于田間試驗的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化研究外，學(xué)界也對多種噴霧機械的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而達(dá)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(biāo)，從而實現(xiàn)更好的噴霧沉積施藥效果。針對擋板導(dǎo)流式罩蓋噴霧機，通過風(fēng)洞試驗與除草劑田間藥效試驗進(jìn)行了性能測定和罩蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到了減量施藥的目標(biāo)[104]。針對吊桿式噴霧機，利用EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和鱘魚頭部曲線對分禾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)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(nèi)部的沉積均勻性[105]。針對噴桿式噴霧機，對風(fēng)助風(fēng)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[106-107]，并將利用優(yōu)化設(shè)計理論結(jié)果用于指導(dǎo)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(xiàn)有機具進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化外，學(xué)界也根據(jù)植保作業(yè)靶標(biāo)對象或作業(yè)場景的差異，研制了多款新型噴霧機，并對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。祁力鈞團(tuán)隊分別針對溫室和果園環(huán)境，研發(fā)了變速搖擺式變量噴霧機，并利用響應(yīng)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(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別獲得了適用于溫室和果園植保作業(yè)的最佳作業(yè)參數(shù)組合[110-111]。劉雪美團(tuán)隊研制了自走式風(fēng)送式對行噴霧溫室噴霧機，如圖21所示，并對風(fēng)筒俯仰角度、風(fēng)速、噴霧量等作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(dǎo)了霧滴沉積區(qū)域與噴霧機風(fēng)筒姿態(tài)的映射關(guān)系，以噴霧霧滴在作物群體上均勻覆蓋為目標(biāo)，應(yīng)用遺傳算法對噴霧機工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了很好的作業(yè)效果[112]。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者以改善霧滴沉積效果為目標(biāo)，以田間試驗為主要分析手段，開展了大量作業(yè)參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[113-114]，為田間噴霧作業(yè)參數(shù)的合理確定提供了選擇依據(jù)，具有重要的實踐價值；同時，上述作業(yè)參數(shù)優(yōu)化及田間試驗結(jié)果也為明晰霧滴的冠層沉積行為機理提供了數(shù)據(jù)支持，有助于植保噴霧作業(yè)向精準(zhǔn)化方向發(fā)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(guī)律的研究多為定性或半定量分析，當(dāng)前噴霧作業(yè)參數(shù)優(yōu)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(yōu)化結(jié)果適應(yīng)性不強，優(yōu)化獲取的霧滴沉積效果，因農(nóng)藝、品種和生長期變化而難以復(fù)現(xiàn)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(shù)優(yōu)化面臨試驗結(jié)果適應(yīng)性不強、大規(guī)模試驗難度大、不易明晰霧滴沉積內(nèi)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(tài)，并且施藥環(huán)境不可控，經(jīng)過作業(yè)參數(shù)優(yōu)化獲得的霧滴沉積效果難以重現(xiàn)，當(dāng)靶標(biāo)類型、作物葉面積指數(shù)、生物力學(xué)特性或作業(yè)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)差異時，優(yōu)化獲取的作業(yè)參數(shù)適應(yīng)性較差，難以推廣應(yīng)用。同時，面對種類繁多的作物冠層及不斷變化的噴霧作業(yè)環(huán)境，大規(guī)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(shù)據(jù)采集工作量大等問題十分突出。此外，田間試驗的數(shù)據(jù)豐富度及表達(dá)力不足，一般僅能獲取噴霧作業(yè)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)及有限的靶標(biāo)作物參數(shù)和霧滴沉積量等試驗數(shù)據(jù)，難以獲取霧滴在冠層內(nèi)的速度場、空間分布及運動軌跡等中間態(tài)數(shù)據(jù)，霧滴沉積過程呈黑箱或灰箱狀態(tài)，需進(jìn)一步明晰作物冠層內(nèi)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(xiàn)有研究手段面臨諸多挑戰(zhàn)。學(xué)界近些年認(rèn)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(xiàn)有的CFD仿真計算能力，學(xué)界利用多孔介質(zhì)簡化表征作物冠層的研究手段有效促進(jìn)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(zhì)的孔隙率等參數(shù)為固定值，無法描述枝葉與氣流的雙向耦合作用，亦不能準(zhǔn)確反映霧滴在冠層枝葉上的沉積行為。③多孔介質(zhì)的阻力系數(shù)等參數(shù)與作物冠層枝葉力學(xué)、枝葉三維尺寸、冠層枝葉分布及葉密度、風(fēng)速等參數(shù)的映射關(guān)系復(fù)雜，目前多孔介質(zhì)參數(shù)的確定主要采用針對特定作物的試驗測定法，其適應(yīng)性較差，理論依據(jù)尚不清晰。另一方面，沉積過程中存在兩個不確定性：① 到達(dá)作物冠層前霧滴粒徑譜、霧滴動能、風(fēng)場風(fēng)速分布、風(fēng)量變化等參數(shù)存在不一致性和不確定性。② 枝葉密度、枝葉力學(xué)特性、植株高度、種植農(nóng)藝等作物冠層特征參數(shù)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(dǎo)致霧滴群在作物冠層內(nèi)運移、穿透和沉積過程十分復(fù)雜。因此，如何恰當(dāng)?shù)乇碚髯魑锕趯有螒B(tài)，準(zhǔn)確分析霧滴冠層內(nèi)沉積行為一直是困擾學(xué)界的難點問題。

(3)田間監(jiān)測的作業(yè)數(shù)據(jù)無法構(gòu)成量化評價施藥質(zhì)量及指導(dǎo)作業(yè)參數(shù)在線調(diào)控的完整閉環(huán)。霧滴全株沉積均勻性作為減藥增效、穩(wěn)定防效的重要指標(biāo)，在規(guī)?；┧巿鼍爸锌焖贉?zhǔn)確地獲取十分重要。目前植保機械施藥中行走軌跡、環(huán)境工況和噴霧作業(yè)參數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了在線監(jiān)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(jiān)測性能無法實現(xiàn)田間快速反饋，在大規(guī)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(shù)據(jù)存在較大變異，因此規(guī)?；┧巿鼍爸械撵F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(dǎo)致現(xiàn)有霧滴沉積預(yù)測模型不足以有效解析作業(yè)參數(shù)與施藥效果之間存在的因果關(guān)系。霧滴沉積效果評價能力和沉積預(yù)測模型精度不足導(dǎo)致目前無法實現(xiàn)作業(yè)參數(shù)的在線閉環(huán)調(diào)控。

4 展望

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提高和全社會環(huán)保意識的增強，植保噴霧作業(yè)面臨減藥增效和環(huán)保政策趨嚴(yán)的雙重壓力，對精準(zhǔn)施藥技術(shù)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(tǒng)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(jiān)測與評價以及施藥作業(yè)參數(shù)優(yōu)化等方面取得了大量有益成果，相關(guān)理論成果應(yīng)用促進(jìn)了植保噴霧技術(shù)及裝備的發(fā)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(zhǔn)施藥技術(shù)還面臨噴霧田間試驗成果可重復(fù)性和適應(yīng)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(yù)測-作業(yè)參數(shù)在線調(diào)控?zé)o法閉環(huán)等問題亟待突破。

近年來，人工智能、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺等新技術(shù)或生物傳感基材等新材料的快速發(fā)展，使解決冠層霧滴沉積研究與精準(zhǔn)施藥面臨的難題成為可能?；谏鲜鲂录夹g(shù)，后續(xù)研究的重點和方向有：

(1)利用光學(xué)、多光譜、電磁學(xué)或機器視覺技術(shù)，開發(fā)能夠測量和感知冠層枝葉遮擋狀態(tài)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(shù)據(jù)的采集；以及利用生物基材等新材料，開發(fā)便于大規(guī)模噴霧場景中密集采集冠層內(nèi)噴霧沉積數(shù)據(jù)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(fù)雜物理場計算方法，構(gòu)建雙向流固耦合的多相多場冠層沉積仿真過程，實現(xiàn)作物冠層數(shù)據(jù)、作業(yè)參數(shù)、霧滴狀態(tài)參數(shù)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(gòu)建作物冠層霧滴運移及沉積的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)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(shù)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(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等人工智能技術(shù)，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(shù)據(jù)的能力，借助機器學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，充分挖掘高通量樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，構(gòu)建各因素相互影響的概率描述的知識圖譜，構(gòu)建實時施藥沉積數(shù)據(jù)分析-霧滴冠層沉積預(yù)測-作業(yè)參數(shù)在線決策的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)靶標(biāo)對象和作業(yè)環(huán)境變化的精準(zhǔn)噴霧施藥系統(tǒng)。

(4)研究如何應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)，實現(xiàn)作業(yè)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、作物群體長勢與冠層形態(tài)等特性參數(shù)、噴霧裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)、冠層霧滴沉積數(shù)據(jù)等多源廣域高通量信息的互聯(lián)互通，降低田間試驗的數(shù)據(jù)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(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)互通提供保障。