CN109490158A - 一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法 - Google Patents

一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法,将植株冠层分为若干层,在层与层之间的间隔处放置隔板,隔板上均匀且尽可能多地放置水敏纸,将植株定速穿过流量恒定的喷雾构架,统计分析水敏纸沉积数据,得出雾滴单位面积沉积量,与隔板的面积相乘,得到第n层隔板的沉积总量,即植株冠层的第n层穿透量,第n‑1层隔板与第n层隔板的沉积量的差值即为第n层植株冠层的沉积量,反映了雾滴在第n层植株冠层的沉积状况,第n层的隔板沉积总量占第n‑1层隔板沉积总量的百分比反映出雾滴在植株冠层的穿透状况,利用高斯过程回归得出各层孔隙率与沉积百分比的关系,可以为研究植株冠层内部雾滴穿透以及沉积分布提供重要依据。

Description

一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法
技术领域
本发明属于植保喷雾技术领域,涉及一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法,以及孔隙率和沉积量对应关系的评价方法。
技术背景
对于植株冠层喷雾沉积量的测量,Khot等人提出将水敏纸布置在植株冠层的叶片上,这种方式通常需要叶面积指数等参数值来计算,但是植株冠层的形态多变,叶面积指数测量困难,无法测得所需结果。经对现有技术文献的检索发现,发明专利“尺寸可变式雾滴空间沉积量测试装置及方法”,专利申请号201310410038.1公开了一种尺寸可变式空间测试装置,利用圆片简化模型,实现圆片尺寸、高度可调,,获得雾滴分层沉积数据;实用新型专利“一种基于作物孔隙率相似性的雾滴沉积测试装置”专利申请号201720730198.8将叶片简化为立体体积单元,可以从多面接收雾滴;发明专利“一种植株药液冠层穿透性的评估方法”,专利申请号201410827364.7提出一种利用多层百叶箱测试植株药液冠层穿透性的评估方法。这些简化模型一定程度上可以代替植株测量沉积量,但植株冠层内部结构复杂多变,且植株之间有相互遮挡影响,采用这些方式不能准确得到沉积结果。
发明内容
针对以上技术的不足,本发明提供一种可以准确测量植株冠层任何一个层次的雾滴沉积量;以及通过植株冠层的孔隙的雾滴沉积量,结合分层孔隙率参数,利用高斯过程回归得出两者的关系,为后续喷雾参数优化提供理论依据。
本发明采用的具体技术方案如下:一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法,主要包括以下步骤:
所述的喷雾系统为门型喷雾台架,采用喷杆式喷雾方式,包括喷头,流量计,电磁阀,隔膜泵,药箱以及软管等,所述的喷头为扇形喷头,喷洒均匀雾化药液,喷雾范围大于植株行距;所述的流量计用于实时监测喷雾流量,做出反馈,便于实时调整,确保流量稳定;所述的电磁阀分别为常开和常闭电磁阀,用于控制喷头喷雾的启停;所述的隔膜泵用于抽取药箱中的药液,通过软管供给喷头;所述的药箱用于存放药液,软管用于输送药液;喷雾控制系统包括PC端,串口,单片机,隔膜泵驱动器,继电器等;对于所属喷雾系统,利用串口使pc端和单片机通讯,PC端发送指令使隔膜泵按照给定电压工作,使喷头按照需要的流量稳定喷雾,流量计测出稳定工作时的流量,通过串口反馈到PC端,根据要求可做出适当调整;喷雾结束后,可以利用继电器的通断控制电磁阀使喷头立即停止喷药,防止对水敏纸沉积数据造成干扰。
所述的行走机构用于植株的定速运动,行走部分控制系统包括PC端,蓝牙或者WIFI模块,控制器等,采用WIFI或者蓝牙模块无线通讯,PC端发送指令使行走机构按照一定的速度运动,旋转编码器反馈行走机构运动速度,可通过PC端做出适当调整,使载有植株的行走机构按所需速度移动。
1)植株冠层分层孔隙率的获得:由于真实植株茎叶秆较为脆弱,在操作过程中容易受到损害,多方面采集不同植株的叶倾角,茎秆长短,抗压抗弯能力,叶片形状大小等各类参数,1:1还原搭建枝叶易拆卸的仿真植株模型,按照不同的行株距放置四株植株,获得一个封闭式的矩形区域,将植株冠层分成若干层c1,c2,c3...cn,利用激光测距原理分别测得植株冠层各层的孔隙率值。
2)植株冠层分层沉积量的测量:四株植株以一定的行株距(a×b)排列在行走机构上,同植株冠层测试孔隙率一致,将植株分为若干层c1,c2,c3...cn,c1即为植株顶层,准备一块与行株距(a×b)相符的板材,该板不应太光滑,否则液滴自由滑动可能会引起误差,在板上尽可能多且均匀地布置水敏纸,将板材依次放在植株的各个层次,做好固定,在行走机构速度、喷雾雾化压力、植株的摆放方向角度等不变的前提下进行多次试验。统计分析水敏纸沉积数据,得到每一片水敏纸上的单位面积沉积量,q1、q2、q3···qn根据
求得单次试验所得水敏纸上的平均雾滴沉积量,利用
得到各层隔板上总的沉积量,
其中sn=a×b为隔板的面积;
为各层的总沉积量,即雾滴通过植株冠层各层孔隙沉积在隔板上的总量,n为1,2,3····
为植株顶层沉积量,即植株冠层所接收的总沉积量;
为两层隔板之间的植株叶片拦截即喷洒在植株叶片上的雾滴沉积量。
根据
得出第n层沉积量占第n-1层沉积量的百分比,即两块隔板之间的植株冠层穿过孔隙的喷雾量占该层总接收喷雾量的百分比。
3)得到各层孔隙率与沉积量的对应关系:分别进行多组孔隙率和沉积量的试验,得到孔隙率和沉积量的对应值,将所获得孔隙率参数以及所对应的沉积百分比数据作为高斯过程回归的训练集,采用高斯过程回归学习方法,获得孔隙率和沉积百分比两组数据的高斯过程回归模型,应用该高斯过程回归模型进行预测,给出相应的预测均值和预测方差,利用验证集数据验证模型有效性。
与现在技术相比,本发明所具有的有益效果:
1)采用隔板测试沉积量的方式,避免了将水敏纸夹在植株上测量却无法准确得到叶片叶面积指数进而无法获得准确穿透量和沉积量的弊端;同时也克服了所夹植株叶片位置的不同而带来的数据不准确的弊端;最后当分析第n层孔隙率对应第n层沉积量的关系时,若采用将水敏纸夹在植株叶片的模式势必要将水敏纸夹在n层以下的植株叶片上,则n层以下植株的孔隙率势必会对结果带来误差,采用隔板沉积的做法,可以准确得到穿过该层次的雾滴量,并且可以计算该层叶片上沉积量;
2)采用还原真实植株搭建模型的方式,可以避免因简化模型带来的误差;
3)采用植株冠层分多层层孔隙率对应分层沉积量的方式,可以更加准确地观察植株内部结构,并且可以更清晰准确地观察出孔隙率对沉积和穿透性的影响;
4)采用植株冠层沉积百分比的形式有效地避免了植株穿透量多是由于行株距较大接收面大而造成接收的沉积较多的情况。
附图说明
图1为分层沉积的具体试验图;
图中:1、药箱 2、输液软管 3、隔膜泵 4、压力表 5、电源 6、试验台架 7、流量计8、电磁阀 9、喷头 10、C1层隔板 11、仿真植株模型 12、Cn层隔板 13、行走机构 14、旋转编码器.
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步描述,本具体实施方式实例仅为示例性,不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示,本发明提供一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法,包括以下步骤:
所述的喷雾系统为门型喷雾台架6,采用喷杆式喷雾方式,包括喷头9,流量计7,电磁阀8,隔膜泵3,药箱1以及软管2等,所述的喷头9为扇形喷头,喷洒均匀药液,喷雾范围大于植株的行距;所述的流量计7用于实时监测喷雾流量,做出反馈,便于实时调整,确保流量稳定;所述的电磁阀8分别为常开和常闭电磁阀,用于控制喷头喷雾的启停;所述的隔膜泵3用于抽取药箱1中的药液,通过软管2供给喷头9;所述的药箱1用于存放药液,软管2用于输送药液;喷雾控制系统包括PC端,串口,单片机,隔膜泵电机驱动,继电器等;对于所属的喷雾系统,利用串口使pc端和单片机通讯,PC端发送指令使隔膜泵3按照给定电压工作,使喷头9按照需要的流量稳定喷药,流量计7测出稳定工作时的流量同样通过串口反馈到PC端,根据要求可做出适当调整;喷雾过程结束后,可以利用继电器的通断控制电磁阀8使喷头立即停止喷药;
所述的行走机构13用于放置植株11,并可以以一定的速度运动,行走部分控制系统包括PC端,蓝牙或者WIFI模块,控制器等;采用WIFI或者蓝牙模块无线通讯,PC端发送指令使行走机构13按照一定的速度运动,旋转编码器14反馈行走机构13运动速度,可通过PC端做出适当调整,使行走机构13按所需速度运行。
1)植株冠层分层孔隙率的获得:由于真实植株茎叶秆较为脆弱,在操作过程中容易受到损害,多方面采集不同植株的叶倾角,茎秆长短,抗压抗弯能力,叶片形状大小等各类参数,1:1还原搭建植株侧枝易拆卸的仿真植株模型11,按照不同的行株距放置四株植株,获得一个封闭式的矩形区域,将植株冠层分成若干层c1,c2,c3...cn,利用激光测距原理分别测得植株冠层各层的孔隙率值。
2)植株冠层分层沉积量的测量:四株植株11以一定的行株距(a×b)排列在行走机构13上,同植株冠层测试孔隙率一致,将植株11分为若干层c1,c2,c3...cn,c1即为植株顶层,准备一块与行株距(a×b)相符的隔板(c1,c2,,,cn),该板不应太光滑,否则液滴自由滑动可能会引起误差,在板上尽可能多且均匀地布置上水敏纸,将隔板(c1,c2,,,cn)依次放在植株11的各个层次,做好固定,在行走机构13速度不变和喷雾系统喷雾的流量和压力相同的情况下,保持植株11的摆放方向角度等不变的情况下进行多次试验。统计分析水敏纸沉积数据,得到每一片水敏纸上的单位面积沉积量,q1、q2、q3···qn根据
求得一次试验所得水敏纸上所得的平均雾滴沉积量,利用
得到各层隔板(c1,c2,,,cn)上总的沉积量。
其中sn=a×b为隔板的面积;
为各层的总沉积量,即雾滴通过植株11冠层各层孔隙沉积在隔板上的总量,n为1,2,3···
为植株顶层沉积量,即植株冠层所接收的总沉积量;
为两层隔板之间的植株叶片拦截即喷洒在植株叶片上的雾滴沉积量。
根据
得出第n层沉积量占第n-1层沉积量的百分比,即两块隔板之间的植株冠层穿过孔隙的喷雾量占该层总接收的喷雾量的百分比。
3)得到各层孔隙率与沉积量的关系:分别进行多组孔隙率和沉积量的试验,得到孔隙率和沉积量的对应值,将所获得孔隙率参数以及所对应的沉积百分比数据作为高斯过程回归的训练集,采用高斯过程回归学习方法,获得孔隙率和沉积百分比两组数据的高斯过程回归模型,应用该高斯过程回归模型进行预测,给出相应的预测均值和预测方差,利用验证集数据验证模型有效性。

Claims (1)

1.一种基于植株冠层孔隙率的空间雾滴沉积量测量与评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述的喷雾系统为门型喷雾台架,采用喷杆式喷雾的方式,包括喷头,流量计,电磁阀,隔膜泵,药箱以及软管等,所述的喷头为扇形喷雾面,喷洒均匀药液,喷雾范围大于植株的行距;所述的流量计用于实时监测喷雾流量,做出反馈,便于实时调整,确保流量稳定;所述的电磁阀分别为常开和常闭电磁阀,用于控制喷头喷雾的即停;所述的隔膜泵用于抽取药箱中的药液,通过软管供给喷头;所述的药箱用于存放药液,软管用于输送药液;喷雾控制系统包括PC端,串口,单片机,隔膜泵电机驱动,继电器等;行走部分控制系统包括PC端,蓝牙或者WIFI模块,控制器等;对于喷雾系统来说,利用串口使pc端和单片机通讯,PC端发送指令使隔膜泵按照特定的电压工作,是喷头按照需要的流量稳定喷药,流量计测出稳定工作时的流量同样通过串口反馈到PC端,根据要求可做出适当调整,工作结束之后,可以利用继电器的通断控制电磁阀使喷头立即停止喷药;
所述的行走机构用于放置植株,并可以以一定的速度运动;所以采用WIFI或者蓝牙模块无线通讯,PC端发送指令使小车按照一定的速度运动,旋转编码器反馈小车运动速度,可通过PC端做出适当调整,使小车载着植株按所需速度运行;
1)植株冠层分层孔隙率的获得:1:1还原搭建枝叶易拆卸的仿真植株模型,将四株植株按照不同的行株距进行摆放,获得一个封闭式的矩形区域,将植株冠层分成若干层c1,c2,c3...cn,利用激光测距原理分别测得植株冠层各层的孔隙率值;
2)植株冠层分层沉积量的测量:四株植株以一定的行株距(a×b)排列在行走机构上,同植株冠层测试孔隙率一致,将植株分为若干层c1,c2,c3...cn,c1即为植株顶层,准备一块与行株距(a×b)相符的隔板,在板上尽可能多且均匀地布置上水敏纸,将隔板依次放在植株的各个层次,做好固定,在行走机构速度喷雾雾化压力、植株的摆放方向角度等不变的前提下进行多次试验;统计分析水敏纸沉积数据,得到每一片水敏纸上的单位面积沉积量,q1、q2、q3···qn根据
求得一次试验所得水敏纸上所得的平均雾滴沉积量,利用
qCn=qave×s
得到各层隔板上总的沉积量,
其中sn=a×b为隔板的面积;
为各层的总沉积量,即各层植株通过植株冠层孔隙的总量,n为1,2,3····
qC1为植株顶层沉积量,即植株冠层所接收的总沉积量;
为两层隔板之间的植株叶片拦截即喷洒在植株叶片上的雾滴沉积量;
根据
得出第n层沉积量占第n-1层沉积量的百分比,即两块隔板之间的植株冠层穿过孔隙的喷雾量占该层总接收的喷雾量的百分比;
3)得到各层孔隙率与沉积量的关系:分别进行多组孔隙率和沉积量的试验,得到孔隙率和沉积量的对应值,将所获得孔隙率参数以及沉积百分比数据作为高斯过程回归的训练集,采用高斯过程回归学习方法,获得孔隙率和沉积百分比两组数据的高斯过程回归模型,应用该高斯过程回归模型进行预测,给出相应的预测均值和预测方差,利用验证集数据验证模型有效性。
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