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融合多源图谱信息的农药液滴探测方法及蒸发研究

马伟

  现代农业提倡的省药增效为高品质作物生产提供了技术基础,但超低量施药的农药液滴在叶面易受到农药雾滴蒸发时间的制约,严重制约农药高效利用。农药液滴的蒸发研究是解决这一间题的有效手段之一。本文针对液滴的探测和蒸发分析关键技术,从图像、高光谱和高光谱图像融合三个方向深入研究液滴蒸发规律,具有重要意义。主要研究内容及结论分为如下5部分。(1)提出基于计算机视觉获取液滴图像形状边界特征变化的方法,并基于Matlab计算获得边界点的坐标,通过稗草叶面的草甘膦液滴图像提取结果验证该方法对显徽图像有很好的精度。通过二维函数描述液滴,并对每个建模的参数进行比较,提出了用二维函数描述液滴特征的评价方法。提出了对二维函数进行降维的方法,利用降维后数据分析液滴的关键特性。通过玉米叶面的草甘膦液滴提取了其11个特征参数,结果表明该方法能通过多参数融合获取液滴探测和蒸发过程的更多信息。为了精确描述液滴特征变化,提出了基于统计矩对11个形状特征参数的建模精度评价方法。基于上述方法,提出基于显微高速图像的液滴探测和蒸发分析方法。研究了基于图像面积和弦长特征曲线的液滴探测,基于面积和弦长特征曲线可准确获得液滴特征峰值,得出液滴在特定方向的扩散速度矢量细微差别。结果表明弦长特征值相对面积而言偏重轮廓上单个点的描述,可用于液滴分类。在液滴蒸发预测建模中,通过获取液滴轮廓点坐标并将坐标点按象限划分,能够直观得到液滴轮廓的细微变化。基于偏心、圆形率、平均弯曲能量和最小惯量轴长四个参数建立液滴蒸发变化的监督线性模型,结果表明建模决定系数在0.7409-0.999之间,所建蒸发模型具有较好的精度。通过统计矩结果可知,预测值波动,蒸发液滴轮廓变化速度,正偏度和偏离度都较好。统计矩结果亦表明建模达到预期。(2)开发了除草剂漂移液滴的多光谱探测系统实现液滴粒径探测和蒸发监测。提出了基于多光谱快速检测除草剂液滴的粒径的方法,通过试验研究从6个波段中筛选4个波段用来对液滴进行检测,并证实红色鱼线上的液滴反射信号中,600-620nm和670-690bm波段的信号最强。近红外短波的两个波段800-820nm和850-870nm能用于液滴检测。实验室液滴蒸发试验研究中,得出波长600-620nm对液滴蒸发粒径变化的探测最好,相关系数为0.9353。在大田蒸发试验中,波长600-620 nm和670-690nm和建立液滴蒸发粒径探测的多元线性回归模型的建模决定系数达到0.94,模型能很好预测液滴蒸发粒径。(3)提出一种连续拍摄在时间序列上获得液滴蒸发的高光谱成像数据方法,获取三种不同叶片的样本及叶面液滴的高光谱成像数据。对光谱维度压缩处理中,利用SPCA选择出敏感波段作为阈值条件来对待测样本进行筛选,取得较好的识别效果。提取和分析叶面液滴的光谱、形状和纹理特征,通过反复试验研究得出最佳阈值构建液滴识别和蒸发分析决策树。在识别规则研究的基础上构建识别模型,基于光谱、形状和纹理构建的蒸发识别模型研究结果表明,蜡质叶片与其他两类叶片相比特征稳定,识别精度较高。绒毛叶片形状特征与其他两类叶片有较大差异,但因为液滴在其表面形状特征有较大范围,也有被错分的可能。基于纹理识别蒸发过程有较高的精度,证明基于纹理的蒸发识别是可行的。该模型可以有效的识别不同叶面上液滴以及液滴蒸发所带来的变化,总体精度达到了 95.4%,Kappa系数也达到0.9472。(4)搭建人工模拟蒸发室,开展了环境参数(风和温湿度)对蒸发的影响分析。在温度为15℃,20℃和25℃时,相对无风条件紊流风引起蒸发时间显著减少29.15%,23.25%和37.87%。对比可得,紊流风对液滴蒸发的影响最大,垂直风次之,水平风最小。风速对蒸发的影响试验结果表明风速大小和蒸发时间呈线性相关。开展环境温度对蒸发时间的试验研究得出:当试验温度分别为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃,测试参数条件相同,液滴的蒸发时间随着温度的增加而减少,温度和蒸发时间呈显著线性相关,蜡质叶面、平整叶面和绒毛叶面的蒸发时间线性回归的决定系数分别0.9645,0.9558和0.9430。开展环境湿度研究表明湿度会延缓蒸发,但是湿度增加蒸发时间不显著。研究了助剂参数(种类和质量百分比)对蒸发的影响。结果表明模拟环境下,助剂种类对蒸发的影响不显著。助剂添加的质量分数对蒸发影响明显。蓟草有绒毛的叶面,助剂百分数的增大对其蒸发时间的减少是非常显著的。但相比蓟草的显著性,助剂百分数的增大对密花蜡质叶面和蒲公英平整叶面的蒸发时间的影响稍微弱些。(5)针对作物冠层小气候环境参数(风速、温湿度)的模拟,开发了叶面农药蒸发时间测定仪,并完成系统精度校准。该装置能根据用户设定的风速、温湿度参数控制封闭式蒸发室的环境参数为农药蒸发研究提供基础。系统风速控制的测试结果表明,在PWM风扇的可调范围内,占空比和风速有好的线性关系,决定系数达到0.9918。PID温湿度控制线性模型决定系数接近1。研究结果表明测定仪产品对于农药蒸发的环境参数调节精确度很好。提出了助剂变量直注控制方法,直注时间和直注剂量的线性相关决定系数逼近1,这说明直注时间对剂量控制有很好的精度。控制器设定的预测助剂量和实际助剂量有很好的一致性,线性相关系数为0.9991,证实系统整体精度很好。……   
[关键词]:雾滴探测分析;雾滴蒸发;雾滴蒸发预测;变量施药
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业大学2018年