在不同激光功率、离焦距离和杂草生长阶段条件下，激光除草效果的预测建模，以辅助进行适应性功率决策

《Crop Protection》：Predictive Modeling of Laser Weed Control Efficacy under Varying Laser Power, Defocus Distance, and Weed Growth Stage for Adaptive Power Decision-Making

　　摘要：在杂草抗性不断增加以及减少化学除草剂使用需求日益增长的背景下，本研究以Calystegia hederacea作为目标杂草，探讨了激光杂草控制的性能。采用三因素实验设计来分析激光功率、绝对离焦距离和杂草生长阶段对控制效果的影响，并构建了一个二元逻辑回归模型进行定量预测。实验包括三个激光功率水平（10、35和60瓦）、五个离焦距离水平（-100、-50、0、50和100毫米）以及三个杂草生长阶段（二叶期、三叶期和四叶期）。在照射后14天测量重新生长的杂草的鲜重，有效控制被定义为模型构建的因变量。结果表明，激光功率、杂草生长阶段和绝对离焦距离显著影响实现有效控制的概率（p<0.05）。逻辑回归模型具有良好的拟合能力和预测性能，Nagelkerke R2值为0.84，Hosmer-Lemeshow检验p值为0.995，分类准确率为91.1%，AUC值为0.9787。在相同条件下，激光功率每增加1瓦，实现有效控制的概率增加23.5%，而每个额外的生长阶段则使概率降低97.7%，这表明处于较高级生长阶段的杂草对激光照射的耐受性更强。此外，绝对离焦距离每增加1毫米，实现有效控制的概率降低6.6%，表明焦点平面匹配对维持控制性能的重要性。低功率处理对离焦变化更为敏感，而中等功率处理在适当的离焦范围内能够实现对早期杂草的有效控制。成熟杂草需要更高的能量输入才能达到类似的控制效果。基于建立的模型，提出了一种基于模型的参数决策方法，根据杂草生长阶段、绝对离焦距离和预定义的有效控制概率阈值来确定所需的激光功率。该方法为激光参数选择提供了定量依据，并支持非化学精准杂草管理策略的发展。

引言：杂草竞争是影响作物产量、资源利用效率和生产稳定性的关键因素[1][2]。长期以来，由于化学除草剂易于应用、见效快且适合大规模生产，因此在农业杂草管理中占据主导地位[2][3]。然而，持续依赖化学除草剂也导致了杂草抗性的增加、生态和环境风险的上升、对非目标生物的伤害以及对农产品安全性的日益关注[3][4][5][6]。随着农业生产越来越重视绿色害虫控制和精准管理，开发高效、可控且环保的非化学杂草控制技术已成为当前杂草管理研究的核心[2][7][8][9]。在这种背景下，作为一种非接触式、无化学残留的物理控制方法，激光杂草控制近年来在智能农业和精准植物保护领域受到了广泛关注[7][8][9]。激光具有高定向性、能量集中、可控制的目标定位以及与机器视觉和自主导航等技术的易集成性，使其能够精确针对特定杂草，并具有发展成为智能田间杂草控制设备的巨大潜力[8][9][10]。与传统的机械除草相比，激光除草不会过度破坏土壤结构，空间选择性更强；与化学除草相比，它不依赖农药施用，从而从源头上降低了生态和食品安全风险[7][10]。因此，激光除草被认为是未来高效、绿色和精准农田管理系统的关键技术途径之一[7][8][9]。现有研究探索了激光功率、照射时间、扫描速度、光斑大小和照射位置等因素[11][12][13][14][15][16]。例如，Mathiassen等人[11]通过改变激光功率、照射时间和光斑大小，证明了激光杂草控制的有效性与能量剂量、光斑大小、功率和目标分生组织定位的精确度密切相关；Marx等人[12]进一步将光斑直径和光斑位置等因素纳入激光损伤模型，表明激光杂草控制的有效性不仅取决于能量输入量，还受到目标区域内能量分布和具体作用位置的影响。近年来，Andreasen等人[13]和Walsh等人[14]从剂量-响应的角度证明，增加激光能量密度通常会提高杂草损伤程度；然而，不同杂草种类和生长阶段对激光能量的需求存在显著差异。特别是，叶龄较大或生物量较大的杂草通常需要更高的能量输入才能实现一致的控制效果。然而，与激光功率和照射时间等参数相比，照射距离及其导致的离焦效应对激光杂草控制效果的影响尚未系统量化。大多数现有研究在固定的室内平台或相对稳定的实验条件下进行，其中激光与目标之间的距离通常保持不变。例如，在他们的激光杂草控制实验中，Mathiassen等人固定了光学手持器与目标之间的距离以确保正确聚焦，主要研究了波长、照射时间、光斑大小和功率等因素对杂草控制效果的影响[11]；在剂量-响应实验中，Andreasen等人也将植物放置在距离激光头约30-35厘米的位置，并主要通过改变照射时间来调节激光能量剂量[13]。虽然一些研究开始探讨激光照射距离对杂草死亡率或切割茎部所需能量的影响[15][16]，但大多数研究集中在静态设置或切割较粗的植物茎部上。关于田间操作过程中由于离焦导致的目标表面能量密度衰减以及由此引起的杂草控制概率变化，仍缺乏进一步的量化。对于基于田间的激光除草机器人，表面起伏、植物高度的变化、执行器高度的变化以及操作过程中的姿态干扰都可能改变实际照射距离，导致激光光斑不同程度的离焦。相关研究还指出，在复杂的田间环境中，不平的地表、作物遮挡和机器人运动误差可能导致激光束偏离目标位置，从而降低定位精度和杂草控制效果[9]。因此，明确离焦距离如何影响杂草控制效果的模式对于提高激光杂草控制系统在复杂操作环境中的稳定性和适应性具有重要意义。除了激光功率、暴露时间、光斑大小和离焦距离等物理参数外，杂草的生长阶段也是影响激光杂草控制效果的关键生物学因素。不同生长阶段的杂草在植物大小、组织含水量、茎基直径、分生组织暴露程度和恢复能力方面存在差异。一般来说，幼嫩的杂草组织更柔软，生长点更暴露，对激光热损伤更敏感；随着叶片年龄的增长，杂草组织质量增加，茎基结构更强，生长点受到叶片或周围组织的更好保护，因此实现相同控制效果所需的激光能量可能相应增加。Andreasen等人的研究表明，激光处理在子叶期到早期叶片期对杂草最有效，而四叶期植物更容易重新生长[13]；Walsh等人也指出，随着杂草的生长阶段进展，实现相似生物量抑制所需的激光能量密度显著增加[14]。因此，选择激光功率时不应脱离杂草生长阶段进行考虑。使用固定的功率设置处理可能会对幼嫩杂草造成过高的能量输入，而老杂草可能因能量输入不足而无法实现一致的控制。根据杂草生长阶段、离焦距离和激光功率之间的相互关系优化参数，有助于确保精确的激光能量传递，并提高各种操作条件下的控制效果的一致性。总之，激光杂草控制的效果不是由单一因素决定的，而是受到激光功率、离焦距离和杂草生长阶段等多种因素的综合影响。激光功率决定了能量输入水平；离焦距离影响目标表面的光斑大小和能量密度分布；杂草的生长阶段反映了目标植物对激光热损伤的敏感性及其恢复能力。尽管现有研究已经广泛探讨了激光杂草控制的关键参数，但仍缺乏在不同功率水平、离焦条件和生长阶段下杂草控制效果的综合性响应模式的系统量化。特别是缺乏将物理操作参数与杂草生物状态相结合的功率决策方法。基于此，本研究以Calystegia hederacea作为目标杂草，采用三因素实验设计，并构建了一个二元逻辑回归模型，定量分析激光功率、绝对离焦距离和杂草生长阶段对成功激光杂草控制概率的影响。此外，本研究提出了一种根据不同生长阶段和绝对离焦距离自适应选择激光功率的方法，旨在为激光杂草控制参数的优化和精准杂草管理提供理论基础。

测试材料与培养条件：Calystegia hederacea是一种多年生攀援草本植物，其植株形态如图1所示。这种杂草适应性强，分布广泛，常见于农田、田埂、路边和荒地，会对玉米、小麦和棉花等作物的生长造成损害。特别是在玉米田中，Calystegia hederacea经常在幼苗旁边出现并生长，其藤状茎容易缠绕作物植株，阻碍玉米的正常生长。

在不同处理条件下新鲜杂草重量分布特征的分析：为了可视化不同激光功率、离焦距离和杂草生长阶段组合下激光杂草控制的响应模式，基于激光处理后重新生长杂草的鲜重构建了一个三维可视化图，如图4所示。图4a展示了一个整体的三因素3D气泡图，其中x轴表示离焦距离，y轴表示激光功率，z轴表示杂草生长阶段。每个气泡的颜色和大小...

激光功率、绝对离焦距离和杂草生长阶段对杂草控制效果的联合影响：本研究结果表明，激光杂草控制效果与多个因素有关，包括激光功率、绝对离焦距离和杂草生长阶段，而不仅仅是由单一参数决定的。其中，激光功率直接决定了单位时间内传递到目标区域的能量输入，在调节杂草的热反应和随后的再生抑制方面起着重要作用。随着激光功率的增加，热能...

结论：本研究使用实验性杂草作为研究对象，在不同参数组合下探讨了激光杂草控制效果，并基于二元逻辑回归开发了一个基于概率的预测模型和功率决策方法。实验结果表明，激光功率、绝对离焦距离和杂草生长阶段是影响激光杂草控制效果的重要因素。激光功率从10瓦增加到35瓦和60瓦，减少了新鲜杂草的重量...

作者贡献声明：Rui Lu：撰写——原始草稿，验证，监督，方法学，数据管理，概念化。Daode Zhang：撰写——审阅和编辑，项目管理，方法学，资金获取，概念化。Zhe Guo：可视化，验证，软件，调查。Enshun Lu：监督，项目管理，正式分析，概念化。徐宇虎：撰写、审稿与编辑工作；资金筹集；形式化分析；概念化过程
数据可用性声明：本文中的所有数据均可通过联系相应的作者合理获取。
利益冲突：作者声明不存在任何利益冲突。
作者声明：作者亦声明不存在任何竞争利益冲突。
致谢：作者衷心感谢智能农场设计与开发项目（项目编号ZXKY20230528）以及湖北省重大科技创新项目（项目编号2024BAA014）提供的财政支持。
作者：鲁瑞 | 张道德 | 郭哲 | 陆恩顺 | 徐宇虎
中国武汉，湖北工业大学机械工程学院，邮编430068