基于苹果树冠层特征的仿形变量果园喷雾机研制

《Agronomy》：Development of a Profiling Variable-Rate Sprayer Based on Apple Tree Canopy Characteristics

　　

传统果园喷雾作业常存在喷雾参数与果树冠层空间结构不匹配的问题，导致雾滴沉积不均匀、喷雾利用率低。针对这些问题，研究人员研发了一种基于冠层特征的仿形变量果园喷雾机。利用激光雷达（LiDAR）获取果树冠层空间信息，据此建立冠层剖面特征与仿形调节参数之间的映射关系；设计了由升降平台、平移机构和五段仿形喷臂组成的仿形调节机构，可根据冠层形态自适应调节喷嘴位置和喷雾方向；此外，基于有效冠层体积建立了变量喷雾模型，实现喷雾量随冠层空间分布的动态匹配。研究人员在高纺锤形苹果园开展了田间试验，以评价所研发喷雾机的作业性能。结果表明，在冠层自适应喷雾模式下，叶片正面的平均雾滴覆盖率为37.65%，垂直变异系数为2.83%；上、中、下冠层水平变异系数分别为11.50%、8.03%和5.73%。与固定位置定量喷雾模式相比，冠层自适应喷雾模式的地面喷雾损失降低了69.47%，耗水量减少了51.93%。总体而言，冠层自适应喷雾模式改善了雾滴沉积均匀性，减少了地面喷雾损失并降低了喷雾量，显示出其在果园精准植保中的应用潜力。

传统果园喷雾作业通常采用固定作业参数，喷雾量与果树冠层三维空间结构不匹配，导致雾滴沉积不均匀、农药利用率低。果树冠层高度、冠幅和枝叶分布随品种、生长状态和空间位置变化显著，使固定参数喷雾难以适应复杂冠层。现有变量喷雾技术主要基于冠层信息调节喷雾量，但对喷嘴与冠层间的空间距离和喷雾角度关注不足；仿形喷雾机构研究提高了装置适应性，但对复杂三维冠层结构的适应能力仍有限，且喷雾姿态与喷雾量的协调控制尚未实现。为此，研究人员开展了本研究，旨在通过冠层特征感知、仿形姿态调节与变量喷雾的集成，实现喷雾参数与冠层结构的动态匹配，提高果园精准植保水平。

研究人员设计了一种基于冠层特征的仿形变量果园喷雾机：采用LiDAR感知冠层空间信息，建立冠层剖面特征与仿形参数的映射关系；设计由升降平台、平移机构和五段仿形喷臂组成的调节机构；基于有效冠层体积建立变量喷雾模型。田间试验表明，该喷雾机在冠层自适应模式下显著改善了雾滴沉积均匀性，降低地面损失和耗水量，为精准喷雾装备开发提供了支撑。

关键技术方法方面，研究在河南省洛阳市洛宁县高纺锤形标准化苹果园（行距4 m、株距1 m、树高3.4 m、平均冠幅1.1 m、干高0.7 m）进行。主要方法包括：利用LiDAR（视场角360°×30°，测距精度±3 cm）获取冠层点云，投影至YOZ平面后采用Andrew单调链算法提取凸包轮廓，等距插值获得连续冠层剖面；将冠层按五段喷臂结构垂直划分为5个区域，采用随机采样一致性（RANSAC）算法对各区域轮廓点进行直线拟合，计算剖面倾角并转化为喷臂目标姿态角；采用Alpha-shape算法重构冠层几何体，结合多方向投影有效系数计算有效冠层体积；建立基于有效冠层体积的变量喷雾模型（单位冠层体积目标喷雾量0.1 L m^?3），通过PWM信号调节电磁阀开度控制流量；田间试验采用水敏纸和DepositScan分析雾滴覆盖率及沉积量，设置冠层自适应喷雾模式（CASM）与固定位置定量喷雾模式（FQSM）对比。

3.1 冠层内雾滴沉积结果

3.1.1 冠层雾滴覆盖率：通过水敏纸采样分析两种模式下不同采样点的覆盖率。FQSM下叶片正面和背面平均覆盖率分别为57.34%和29.60%，但不同位置差异较大，外缘采样点覆盖率较高，内膛和背面覆盖率低；CASM下正面和背面平均覆盖率分别为37.65%和19.03%，位置间差异明显减小，说明根据冠层剖面动态调整喷嘴方向能减少局部过量沉积，提高覆盖均匀性。

3.1.2 苹果树冠层内雾滴垂直分布特征：通过比较上、中、下冠层平均覆盖率与垂直变异系数，FQSM下叶片正面垂直变异系数为5.54%，背面为6.21%，且背面各层平均覆盖率均低于33%作业要求；CASM下正面垂直变异系数降至2.83%，较FQSM降低49.0%，背面为6.92%；CASM正面各层覆盖率均达到33%以上，但背面仍低于33%，可能与风送系统末端气流衰减和叶片扰动不足有关。

3.1.3 冠层内雾滴水平分布特征：通过计算各冠层水平变异系数，FQSM下叶片正面水平变异系数在上、中、下冠层分别为38.61%、37.20%、27.90%，背面分别为33.96%、40.05%、37.98%，均匀性差；CASM下正面水平变异系数降至11.50%、8.03%、5.73%，背面降至14.57%、22.72%、20.12%，表明仿形与变量协调控制改善了水平方向雾滴分布一致性。

3.2 喷雾液利用率

3.2.1 耗水量分析：采用液位差法测量实际喷雾量，CASM单株耗水量6.21 L，较FQSM的12.92 L减少51.93%，表明基于有效冠层体积的变量喷雾可显著节水。

3.2.2 地面损失分析：通过地面9个采样点（G1–G9）水敏纸测量沉积量，FQSM平均地面沉积量为30.40 μL/cm²，CASM为9.28 μL/cm²，降低69.47%，说明喷嘴定向调节和变量喷雾减少了非靶标沉积，提高了农药利用率。

3.3 讨论：研究人员指出，本方法实现了喷雾姿态与喷雾量的协调控制，优于仅调节喷雾量或喷嘴位置的方法。但仍存在三点局限：一是叶片背面沉积不足，需通过优化喷雾压力和出风口风速增强雾滴穿透能力；二是尚未开展真实施药条件下的长期病虫防治效果评价；三是仅在9月份高纺锤形苹果树冠层条件下验证，不同生长阶段的适应性仍需检验。

研究结论：针对高纺锤形苹果树冠层空间差异大、常规喷雾中喷嘴方向与冠层剖面不匹配以及喷雾量难以精确调节的问题，本研究开发了一种基于冠层特征的仿形变量果园喷雾机，建立了基于冠层剖面的仿形调节方法和基于有效冠层体积的变量喷雾方法，并进行了田间试验。主要结论如下：(1) 设计了基于冠层特征的五段仿形调节系统。利用LiDAR获取果树冠层空间信息，建立了冠层剖面特征与喷臂姿态参数之间的映射关系，实现了喷嘴位置和喷雾方向的自适应调节；同时，建立了基于有效冠层体积的喷雾量调节模型，实现了喷臂姿态与喷雾量的协调调节，提高了喷雾系统对复杂冠层结构的适应性。(2) 田间试验结果表明，冠层自适应喷雾模式可有效提高冠层内雾滴覆盖均匀性。在该模式下，冠层叶片正面平均覆盖率为37.65%，垂直变异系数为2.83%；上、中、下冠层的水平变异系数分别为11.50%、8.03%和5.73%。与固定位置定量喷雾模式相比，地面喷雾损失减少了69.47%，耗水量减少了51.93%。这些结果表明，冠层自适应喷雾模式能够在降低地面喷雾损失和耗水量的同时提高喷雾覆盖均匀性，显示了其在果园精准喷雾中的应用潜力。总体而言，该仿形变量喷雾机将冠层信息感知、喷臂姿态调节和喷雾量控制集成为一个协调系统，验证了冠层感知与仿形调节及变量喷雾策略集成的可行性，为果园精准喷雾装备的研发提供了技术支撑。