CN113466359A - 一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法及系统，在待测区域内搭建漂移气体取样器传感网络；控制每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体；基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个样品气体进行检测，以获取样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；根据每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图和采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。本发明可以准确获取航空施药前后漂移风险区挥发性化学农药浓度的动态变化过程，具有信息丰富、精度高等优点，实现了挥发性农药喷雾漂移污染的准确评估，弥补了传统测量方式对挥发性化学农药气体漂移特性信息难以监测的缺点。

Description

一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统
技术领域
本发明涉及农业信息技术领域，尤其涉及一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法及系统。
背景技术
航空施药能及时有效地预防病虫草灾害，因其作业效率高、灵活和防治效果好等优点，目前大范围面积应用农林植保领域。但由于空中作业条件和气流的影响，相对地面作业机具，航空施药更易产生农药漂移现象。漂移有飞行和蒸发两种形式，在航空施药过程中和作业后都会发生蒸发漂移，主要是受农药本身挥发性影响，高温干燥的环境条件也会增加农药雾滴的蒸发漂移；飞行漂移会顺风漂移几千米或更远，并且多数情况下两种漂移形式是同时或相继发生。漂移农药可使邻近敏感动植物受害，对施药区域及周边地区作物、水产、蜜蜂、桑蚕养殖及有益昆虫造成危害，同时漂移也会不可预知地漂到居民区域，对人体健康造成危害。
随着人们对生态环境的越来越重视，在追求航空施药高效性的同时将其安全性和环境污染问题纳入重点考虑范围，获取和分析雾滴的漂移信息成为评估航空施药作业有效区域和决策是否允许航空施药及处理纠纷的重要手段。
传统航空施药雾滴的漂移特性信息的获取方法，主要是：在试验场和缓冲区域的地面和空中布置聚乙烯线，并按照一定的行间距大量放置采样卡或水敏纸等进行药液雾滴或示踪剂的收集，再通过专业设备仪器(如荧光光度计)等对所收集的药液或示踪剂进行沉积量分析，从而确定药液雾滴的漂移距离和浓度。
该方法虽然简单有效，但对于空气中的残留挥发性化学农药却难以检测，并且仅针对更远的漂移风险区的农药漂移，该测量方式的精度不能满足检测需求，农药漂移对防治效果、养殖区和居民区的影响难以估量。
发明内容
针对现有技术在航空施药雾滴的漂移特性信息的获取中所存在的问题，本发明实施例提供一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法及系统。
本发明提供一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，在待测区域内搭建漂移气体取样器传感网络；漂移气体取样器传感网络是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的；利用所述气体取样器控制终端控制所述每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放；所述航空施药作业进程包括航空喷洒作业前、航空喷洒作业中和航空喷洒作业后；基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个所述样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
可选地，在每个气体取样器分节点采集一个样品气体之后，还包括：记录每个所述采样气体相关的采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息。
可选地，所述获取目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：分析比对每个所述样品气体相关的所述气相色谱图和所述触角电位信号图，以确定每个所述样品气体的气体成分；计算每个所述样品气体相关的所述触角电位信号图中触角电位信号出现峰的谱段平均值；对所有样品气体相关的所述谱段平均值进行方差和显著性分析，并结合每个样品气体相关的采样时间及位置信息，获取触角电位信号分布图；将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，以获取由所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型输出的所述目标农药浓度随时间变化的分布图。
可选地，在将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型之前，还包括预先构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，具体为：
将待测农药稀释成一系列浓度，并将不同浓度的待测农药样品气体依次输入至挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，获取在不同浓度的待测农药样品气体下的触角电位信号的谱段平均值；将每一浓度下的待测农药样品气体的浓度与谱段平均值进行相关性分析，构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
可选地，所述基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，包括：将所述样品气体进样后经气相色谱毛细柱进行组分分离，并依次将分离气体注入至分流阀，以获取分流后的第一分流气体和第二分流气体；将第一分流气体输入至所述火焰离子化检测器，以获取所述气相色谱图；将所述第二分流气体输入至电位探头上固设的昆虫触角上，以在所述电位探头的两级生成电位信号；对所述电位信号进行放大滤波处理后，输入至触角电位信号采集分析终端，以获取所述触角电位信号图。
可选地，所述昆虫触角为松墨天牛触角、美国白蛾触角和中华蜜蜂触角中的一种。
可选地，所述目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：在所述昆虫触角为松墨天牛触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第一分布图；在所述昆虫触角为美国白蛾触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第二分布图；在所述昆虫触角为中华蜜蜂触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第三分布图；在获取所述目标农药浓度随时间变化的分布图之后，还包括：根据对所述第一分布图和所述第二分布图的分析结果，确定航空作业喷施路径和范围；根据对所述第三分布图的分析结果，确定航空作业缓冲区边界。
本发明还提供一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，包括：漂移气体取样器传感网络、昆虫触角电位测量装置和漂移污染分析装置；所述漂移气体取样器传感网络是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的；所述气体取样器控制终端，用于控制每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放；所述航空施药作业进程包括航空喷洒作业前、航空喷洒作业中和航空喷洒作业后；所述昆虫触角电位测量装置，用于采用气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；所述漂移污染分析装置，用于根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个所述样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
可选地，所述每个气体取样器分节点，包括：分节点控制模块、气泵、流量计、温度计、电磁阀、无线通信模块、全球定位模块和气体存储容器；所述分节点控制模块通过所述无线通信模块，与所述漂移气体取样器传感网络中的其它气体取样器分节点以及所述气体取样器控制终端进行无线通信，实现相互之间的数据交互，以控制所述气泵和所述电磁阀的启停，实现每个样品气体的采集；所述全球定位模块，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样时间及位置信息；所述流量计，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样流量信息；所述温度计，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样温度信息；所述气体存储容器包括多个独立的密闭存储腔体，每个所述密闭存储腔体配置独立的电磁阀；每个采样气体被存储于不同的密闭存储腔体；所述分节点控制模块，还用于记录每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息。
可选地，所述气体取样器控制终端，包括：分节点采集指令发送模块、分节点数据接收模块、数据解析模块、数据可视化模块和数据存储模块；所述分节点采集指令发送模块，用于向各气体取样器分节点发送气体采集指令，以使得各气体取样器分节点响应于所述气体采集指令开始进行样品气体的采集；所述分节点数据接收模块，用于接收各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息；所述数据解析模块，用于对各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息进行解析，以通过所述数据可视化模块进行展示；所述数据存储模块，用于对各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息进行存储。
可选地，每个所述气体取样器分节点具有唯一的节点编号；相应地，每个所述气体取样器分节点中的各个密闭存储腔体具有唯一的腔室编号。
可选地，所述昆虫触角电位测量装置，包括：气流处理控制单元和触角电位测量单元；所述气流处理控制单元，包括：进样器、气相色谱毛细柱、分流阀、L型玻璃管和火焰离子化检测器；所述进样器内置震荡补偿空气泵和活性炭进气过滤筒，用于将所述样品气体泵入所述气相色谱毛细柱；所述气相色谱毛细柱，用于对所述样品气体进行组分分离，并依次将分离气体注入至所述分流阀；所述分流阀，用于将输入的分离气体按预设比例进行分流，第一分流气体输入至所述火焰离子化检测器，第二分流气体通过所述L型玻璃管输入至所述触角电位测量单元；所述火焰离子化检测器，用于对所述第一分流气体进行检测，输出所述气相色谱图；所述触角电位测量单元，用于对所述第二分流气体进行检测，输出所述触角电位信号图。
可选地，所述触角电位测量单元，包括：电位探头、信号放大器、电子滤波器、触角电位信号采集分析终端；所述电位探头上固设有昆虫触角，所述昆虫触角是对目标农药敏感的昆虫的触角；在所述昆虫触角接触到所述第二分流气体后，在所述电位探头的两级生成电位信号；所述信号放大器，用于对所述电位信号进行放大处理；所述电子滤波器，用于滤除放大后的电位信号中的噪声，以获取昆虫触角电位信号；所述触角电位信号采集分析终端，用于对所述昆虫触角电位信号进行分析，以输出所述触角电位信号图。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法及系统，可以准确获取航空施药前后漂移风险区挥发性化学农药浓度的动态变化过程，具有信息丰富、精度高等优点，实现了挥发性农药喷雾漂移污染的准确评估，弥补了传统测量方式对挥发性化学农药气体漂移特性信息难以监测的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法的流程示意图；
图2是本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统的结构示意图；
图3是本发明提供的漂移气体取样器传感网络的结构示意图；
图4是本发明提供的气体取样器分节点的结构示意图；
图5是本发明提供的气体取样器分节点电路模块的结构示意图；
图6是本发明提供的气体取样器控制终端软件功能模块的结构示意图；
图7是本发明提供的昆虫触角电位测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、系统、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、系统、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、系统、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1-图7详细描述本发明实施例所提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法及系统。
图1是本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法的流程示意图，如图1所示，主要包括但不限于以下步骤：
步骤S1，在待测区域内搭建漂移气体取样器传感网络；漂移气体取样器传感网络是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的；
步骤S2，利用所述气体取样器控制终端控制所述每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放；所述航空施药作业进程包括航空喷洒作业前、航空喷洒作业中和航空喷洒作业后；
步骤S3，基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；
步骤S4，根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个所述样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
作为一种可选的实施例，本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，在每次检测前，首先在待测区域内搭建漂移气体取样器传感网络。
其中，漂移气体取样器传感网络，主要是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的。气体取样器控制终端主要用于控制每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放。
昆虫触角电位测量装置，主要用于采用气相色谱与触角电位联用的方式，对每个样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图。
所述漂移污染分析装置，主要用于根据每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
具体地，气体取样器控制终端控制所述每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体的取样步骤，可以是：
(1)在施药作业开始前，将漂移气体取样器传感网络的各气体取样器分节点分布式、网格化布置多个样本点在待测区域内的漂移风险区，等待航空施药作业。
需要说明的是，在将气体取样器分节点布置完成后，气体取样器控制终端需要与所有的气体取样器分节点一起自组无线网络，并按预设频率将气体取样器分节点的全球定位模块的位置、时间戳信息等同步采集上传到气体取样器控制终端。
(2)在喷洒作业开始前，气体取样器控制终端向各所属的取样器分节点发送气体采集指令，气体取样器分节点响应这一指令，使得分节点控制模块分别控制气泵和电磁阀，预先采集样作业前的、无化学物质污染时的样品气体，并将采集到的样品气体存储至某一存储腔体内。
在此过程中，流量计、温度计对采样过程中，气体的流量和温度数据进行记录，直至气体该存储腔体被采集满为止，由气体取样器控制终端发送停止采集指令给各个取样器分节点。
(3)喷洒作业开始以及结束后，气体取样器分节点将再次接收到由气体取样器控制终端发送的气体采样指令，以命令各自的分节点控制模块控制气泵和电磁阀配合，按预设采样周期持续取样施药中和施药后的样品气体，并按存储腔体序号依次独立的存放到气体存储容器内的不同存储腔体内。
进一步地，基于气相色谱与触角电位联用法(GC-EAD法)，对采样获取的航空施药作业前后(也可以包括施药作业过程中各个时刻)漂移污染风险区的样品气体进行检测，以获取各样品气体的气相色谱图和触角电位信号(EAG信号)图。
由于每个样品气体在采样时均对应有采样时的位置以及时间戳信息，故将施药前样品气体与施药中样本气体以及施药后样品气体进行比较分析，则可以精确的获知每个气体取样器分节点所在位置在航空施药过程中的挥发性农药喷雾漂移污染程度，再结合各个气体取样器分节点的位置部分情况，即可以获取农药浓度随时间变化的分布图。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，可以准确获取航空施药前后漂移风险区挥发性化学农药浓度的动态变化过程，具有信息丰富、精度高等优点，实现了挥发性农药喷雾漂移污染的准确评估，弥补了传统测量方式对挥发性化学农药气体漂移特性信息难以监测的缺点。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在每个气体取样器分节点采集一个样品气体之后，还包括：记录每个所述采样气体相关的采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息。
本发明通过记录每个气体取样器分节点所在位置，作为该位置处采集的气体样本的位置信息，并记录每个样本在采样时的时间戳信息，则能够获取待测区域内每个位置处的化学农药喷雾漂移污染随时间变化的分布情况。
进一步地，还可以记载每个样品气体采集时刻下的流量信息和采样温度信息，这样在具体对每个气体样品进行分析时，充分考虑因采集流量以及采样问题对分析结果的干扰，有效地提高化学农药喷雾漂移污染检测的精度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述获取目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：
分析比对每个所述样品气体相关的所述气相色谱图和所述触角电位信号图，以确定每个所述样品气体的气体成分；
计算每个所述样品气体相关的所述触角电位信号图中触角电位信号出现峰的谱段平均值；对所有样品气体相关的所述谱段平均值进行方差和显著性分析，并结合每个样品气体相关的采样时间及位置信息，获取触角电位信号分布图；将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，以获取由所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型输出的所述目标农药浓度随时间变化的分布图。
作为一种可选实施例，与每个样品气体相关的所述气相色谱图的获取方法，包括：
选择美国安捷伦Agilent 7890B气相色谱仪，每个气体取样器分节点的存储腔体的待分析气体样品由进样器进样，进样方式为250℃不分流，进样量1μL。HP-FFAP气相色谱毛细柱的初始柱温为50℃持续2min，先以10℃/min的速率加热到180℃，再以20℃/min的速率加热到230℃并持续10min。待分析气体样品进样后分经气相色谱毛细柱分离，再经样品分流阀按一定比例分流，在样品分流阀处加入2.5mL/min的补充载气高纯氦气，以减少柱后死体积。一部分分流的样品经气相色谱毛细柱到氢火焰离子化检测器，从结果的气相色谱图中确定气体各成分及其出峰时间；另一部分分流的样品经同样的毛细柱直至末端到L型玻璃管，然后由湿润器加湿后的空气带到电极探头间的昆虫触角上。
另外，本发明所采用的获取每个样本气体相关的触角电位信号图的方法，主要包括：
待测昆虫触角选择松墨天牛、美国白蛾和中华蜜蜂3种为例进行说明。
用解剖剪从待测昆虫触角的根部剪下，将触角顶端剪除约0.5mm，用Spectra 360导电胶将触角与电位探头(PRG-2，Syntech)叉状触角固定器的两个银电极电位探头a、b连接固定，待测昆虫触角距离刺激气流处理控制单元刺激源气体出口2mm，刺激气流处理控制单元调节控制气体流速在20mL/min，产生稳定的刺激源气体，将刺激源气体吹散到昆虫触角上产生刺激，每次刺激时间为0.1s，两次刺激之间间隔30s，以保证触角感觉器官功能的完全恢复。接受刺激后昆虫触角的电位发生变化，电位信号经过Syntech IDAC-4四通道USB接口信号采集控制器对信号放大和噪声过滤，触角电位信号采集分析终端Thinkpad T15g运行GC-EAD信号记录分析软件，触角电位信号采集分析终端的GC-EAD信号记录分析软件接收到输出的电位信号实时记录显示气相色谱图和EAG触角电位信号图，并保存。
具体地，设气体取样器分节点的总数为121个，每个气体取样器分节点包含有10个存储气体腔体。
分别测试松墨天牛、美国白蛾和中华蜜蜂的触角电位信号值，同剂量条件下重复刺激在一根触角上3次，并且重复试验3根触角(即每个气体取样器分节点的每个存储腔体样品气体针对1种昆虫触角实验对象设置了9组重复实验组)。
进一步地，在本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法中，对触角电位信号测量结果的分析流程，具体包括：
步骤1：昆虫触角电位测量装置针对待测试验对象松墨天牛的九组重复实验获得了触角电位信号数据，通过核对标准谱库与标准化合物的质谱图，根据气相色谱图的化合物峰形和保留时间对气体组分进行定性分析，并和EAG触角电位信号图进行详细的对比，分析能引起松墨天牛触角电位生理反应(峰值)的化合物质，确定松墨天牛防治的应激响应源气体成分。
步骤2：截取一段时间范围内EAG触角电位信号图上峰值的触角电位信号谱段计算其平均值作为松墨天牛触角电位信号值。同种试验条件下重复实验组的触角电位反应值之间的差异性用方差分析(Analysis of Variance，ANOVA)和独立样本T检验方法进行多重比较分析，计算9组重复实验组的平均值作为最终的测量结果。
步骤3：结合所有气体取样器分节点的GPS位置、时间数据和松墨天牛触角电位信号的测量结果，Matlab调用Sufer自动化对象，采用克里金插值法(Kriging)绘制松墨天牛触角电位信号分布图，横纵坐标为各气体取样器分节点的经纬度。针对10个时间点下采集的10个气体存储腔体，可以得到10张松墨天牛的触角电位信号分布图，每张触角电位信号分布图的分辨率为11*11。
步骤4：建立触角电位信号和待测气体浓度的关系模型，步骤如下：待测化学农药稀释成一系列浓度(从空白对照、低浓度到高浓度，如按一定浓度梯度设置：100mg/mL，80mg/mL，60mg/mL，40mg/mL，20mg/mL，10mg/mL，5mg/mL，0.5mg/mL，0.05mg/mL，0mg/mL)，将样品溶液均匀滴在长6cm、宽0.5cm的滤纸条上，放入巴斯德滴管中，滴管末端连接气体刺激气流处理控制单元，昆虫触角电位测量装置的测量出待测试验对象昆虫触角电位信号的结果值，对触角电位信号和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型。
步骤5：触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型输入触角电位信号值，计算出农药喷雾漂移气体浓度值，根据松墨天牛的触角电位信号分布图农药喷雾漂移污染分析软件系统输出航空施药前后挥发性化学农药喷雾漂移气体中松墨天牛的应激响应源气体成分浓度随时间变化的分布图。
重复步骤1-步骤5依次测量美国白蛾和中华蜜蜂的触角电位信号结果，绘制对应的触角电位信号分布图，输出航空施药前后挥发性化学农药喷雾漂移气体中美国白蛾和中华蜜蜂的应激响应源气体成分浓度的分布变化图，评估航空施药作业的有效性(对松墨天牛和美国白蛾的防治效果)及安全性(对中华蜜蜂的药害效果)。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染分析方法，可以解决传统漂移测量方法存在的精度低和挥发性化学农药漂移气体不易监测的缺点，分析施药防治对象、受害对象触角电位和挥发性化学农药漂移气体浓度的相关性，动态可视化喷洒过程前后挥发性化学农药漂移污染气体浓度的变化，实现航空施药作业的有效性和安全性评估。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型之前，还包括预先构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，具体为：
将待测农药稀释成一系列浓度，并将不同浓度的待测农药样品气体依次输入至挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，获取在不同浓度的待测农药样品气体下的触角电位信号的谱段平均值；将每一浓度下的待测农药样品气体的浓度与谱段平均值进行相关性分析，构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
具体地，本发明对触角电位信号和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型，并基于这一关系模型，制作一款农药喷雾漂移污染分析软件。
整个农药喷雾漂移污染分析软件的核心是触角电位信号和待测气体浓度关系模型的嵌入，该模型的建立需要将待测化学农药稀释成一系列浓度(从空白对照、低浓度到高浓度，按一定梯度设置)，重复多组试验，通过昆虫触角电位测量装置测量出不同浓度气体样品下待测试验对象昆虫触角电位信号的结果值，将触角电位信号结果和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型。
其中，触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型建立的步骤如下：
将待测化学农药稀释成一系列浓度(从空白对照、低浓度到高浓度，按一定梯度设置)，重复多组试验，昆虫触角电位测量装置测量出不同浓度气体样品下触角电位信号的结果值，将触角电位信号和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，包括：
将所述样品气体进样后经气相色谱毛细柱进行组分分离，并依次将分离气体注入至分流阀，以获取分流后的第一分流气体和第二分流气体；将第一分流气体输入至所述火焰离子化检测器，以获取所述气相色谱图；将所述第二分流气体输入至电位探头上固设的昆虫触角上，以在所述电位探头的两级生成电位信号；对所述电位信号进行放大滤波处理后，输入至触角电位信号采集分析终端，以获取所述触角电位信号图。
在所述昆虫触角为松墨天牛触角、美国白蛾触角和中华蜜蜂触角的情况下，所述目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：在所述昆虫触角为松墨天牛触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第一分布图；在所述昆虫触角为美国白蛾触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第二分布图；在所述昆虫触角为中华蜜蜂触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第三分布图。
在获取所述目标农药浓度随时间变化的分布图之后，还包括：
根据对所述第一分布图和所述第二分布图的分析结果，确定航空作业喷施路径和范围；根据对所述第三分布图的分析结果，确定航空作业缓冲区边界。
图2是本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统的结构示意图，如图2所示，主要包括但不限于：漂移气体取样器传感网络1、昆虫触角电位测量装置2和漂移污染分析装置3，其中：
漂移气体取样器传感网络1主要是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的。气体取样器控制终端主要用于控制每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放。
昆虫触角电位测量装置2主要用于采用气相色谱与触角电位联用的方式，对每个样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图。
所述漂移污染分析装置3主要用于根据每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统的主要工作原理包括：通过气体取样器传感网络1取样航空施药作业前后(也可以包括施药作业过程中各个时刻)漂移污染风险区的气体；然后，基于气相色谱与触角电位联用法(GC-EAD法)，测量各样品气体的触角电位信号(EAG信号)；最后，结合触角电位信号和挥发性化学农药漂移气体浓度的相关性，达到精确评估航空施药过程挥发性化学农药喷雾漂移污染的目的。
本发明采用GC-EAD方法实现农药浓度随时间变化的检测，具有高灵敏度、分析空气中挥发性化学农药漂移气体对待测对象影响的高选择性的优点。
具体来说，本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，主要包括用于实现田间气体取样的漂移气体取样器传感网络1、设置于实验室的昆虫触角电位测量装置2和用于实现图谱数据分析的漂移污染分析装置3。
图3是本发明提供的漂移气体取样器传感网络的结构示意图，如图3所示，由气体取样器控制终端与多个气体取样器分节点组建成漂移气体取样器传感网络，该网络是一个多跳、自组织的无线网络通信传感网络。
其中，漂移气体取样器传感网络的网络通信方式可以采用无线个人局域网(Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)或者蜂窝网络(Cellular Network)来实现，包括采用ZigBee协议或者TCP/IP协议等，对此本发明均不作具体的限定。
需要说明的是，漂移气体取样器传感网络中的气体取样器分节点的数量可以根据实际需要进行增减，例如：
根据现场测试需求，将各漂移气体取样器分节点按一定间距固定放置在距离喷洒区域100-200m的距离范围外的居民区或养殖风险区(漂移气体采样区)，各个气体取样器分节点之间的间距可以设置为10-20米，所有的气体取样器分节点形成网状式分布。
气体取样器控制终端(如工业计算机)，在安装无线通信模块后，运行气体取样器控制终端软件和各个气体取样器分节点进行无线通信，以通过发送指令的方式，分别控制各个气体取样器分节点进行气体采样开始和停止。
另外，气体取样器分节点包括多个独立的密闭存储腔体，即每个气体取样器分节点可以在其所在位置于不同时间点采集多个样品气体。即在气体取样器控制终端控制气体取样器分节点开始采样之后，各个气体取样器分节点可以根据预设的采样周期(如每10分钟采集一次)自动进行气体采样，并将每次采样的气体进行独立存放。这样就可以获取每个采样点在一个时间序列上的多个样品气体，上述样品气体可以包括航空施药作业进程中施药前样品气体、施药后样品气体以及在施药进程中不同时刻的施药中样品气体。
本发明通过在气体取样器分节点中设置多个独立的密闭存储腔体，而无需再同一采样点设置多个气体取样器分节点，这样可以通过将施药前样品气体与施药中样本以及施药后样品气体进行比较分析，则可以精确的获知每个气体取样器分节点所在位置在航空施药过程中的挥发性农药喷雾漂移污染程度，在结合各个气体取样器分节点的位置部分情况，即可以获取农药浓度随时间变化的分布图。需要说明的是，上述农药浓度随时间变化的分布图不仅包括农药浓度在时间轴上的变化，也包括农药浓度在位置空间上的分布信息。
进一步地，昆虫触角电位测量装置2主要是用于执行GC-EAD法，实现对化学物质有效检测的装置。
其中，GC-EAD法是指将被测的样品气体进样后，经气相色谱毛细柱分离后，再通过一个分流阀按一定比例进行分流，一部分分流的气体经毛细柱输送到火焰离子化检测器，以获取样品气体相关的气相色谱图；另一部分分流的气体则经另一毛细柱传输至触角电位测量单元，实现对这一部分气体的触角电位测定，以输出触角电位信号图。
利用昆虫触角电位测量装置2分别对每个样品气体进行检测，以获取每个样品气体所对应的气相色谱图和触角电位信号图，并将所有检测结果发送至漂移污染分析装置3。
最后，由漂移污染分析装置3分别根据每个样品气体所对应的气相色谱图和触角电位信号图，可以确定每个样品气体中所包含的昆虫触角电生理活性的特定化合物质以及特定化合物质的浓度。最后结合每个所述样品气体的采样时间及位置信息，则可以构建目标农药浓度随时间变化的分布图。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，可以准确获取航空施药前后漂移风险区挥发性化学农药浓度的动态变化过程，具有信息丰富、精度高等优点，实现了挥发性农药喷雾漂移污染的准确评估，弥补了传统测量方式对挥发性化学农药气体漂移特性信息难以监测的缺点。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述每个气体取样器分节点1主要包括但不限于：分节点控制模块、气泵、流量计、温度计、电磁阀、无线通信模块、全球定位模块和气体存储容器。
其中，分节点控制模块通过无线通信模块，与漂移气体取样器传感网络1中的其它气体取样器分节点以及气体取样器控制终端进行无线通信，实现相互之间的数据交互，以控制气泵和电磁阀的启停，实现每个样品气体的采集；全球定位模块主要用于确定气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样时间及位置信息；流量计主要用于确定气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样流量信息；温度计主要用于确定气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样温度信息；气体存储容器包括多个独立的密闭存储腔体，每个密闭存储腔体配置有独立的电磁阀；每个采样气体被存储于不同的密闭存储腔体；分节点控制模块还用于记录每个采样气体相关的所述采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息。
图4是本发明提供的气体取样器分节点的结构示意图，如图4所示，每个气体取样器分节点的结构大致相同，均包括分节点控制模块、气泵、流量计、温度计、电磁阀、无线通信模块、全球定位模块、气体存储容器等。
需要说明的是，气体存储容器可以设计为四周及顶部完全密闭的箱式结构，在箱体内用隔板将整个箱体分隔为N个密闭存储腔体，每个密闭存储腔体配置有独立的电磁阀，而每个电磁阀的启停独立的受分节点控制模块控制，以便于按预设周期开展挥性化学农药漂移气体的采集以及单独存放。
可选地，在气泵的进气口还可以增设过滤装置，以过滤样品气体中可能混入的杂质(尤其是固体杂质)，从而保障设备的安全。另外，可以为每个气体取样器分节点配置一个支架。
图5是本发明提供的气体取样器分节点电路模块的结构示意图，如图5所述，整个气体取样器分节点的组成模块包括：
分节点控制模块(U0)是整个漂移气体取样器分节点的核心模块，用来协调控制其他模块协调工作；气泵模块(U1)通过电力压缩空气产生气压，吸入气体进到气体存储容器内部；温度测量模块(U2)测量取样器分节点的气体取样时气体温度；流量测量模块(U3)测量取样器分节点的气体取样时气体流量；电磁阀模块(U4)可选择分步直动式活塞电磁阀，通过分节点控制模块控制电磁阀的通电断电，配合气泵模块实现气体采样的开始和结束；GPS全球定位模块(U5)用于获得各气体取样器分节点的经纬度坐标位置信息、精准的时间戳信息及精准的秒脉冲；无线通信模块(U6)与网络中其它节点设备和取样器控制终端无线通信，通讯距离和精度满足需求；电源供电模块(U7)为设备中的各个部分供电。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述气体取样器控制终端，主要包括：分节点采集指令发送模块、分节点数据接收模块、数据解析模块、数据可视化模块和数据存储模块。
分节点采集指令发送模块主要用于向各气体取样器分节点发送气体采集指令，以使得各气体取样器分节点响应于气体采集指令开始进行样品气体的采集。
分节点数据接收模块虎牙用于接收各气体取样器分节点上传的每个采样气体相关的所述采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息。
数据解析模块主要用于对各气体取样器分节点上传的每个采样气体相关的采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息进行解析，以通过数据可视化模块进行展示。
数据存储模块虎牙用于对各气体取样器分节点上传的每个采样气体相关的采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息进行存储。
可选地，本发明中的气体取样器控制终端可以是一种工业计算机。其中，气体取样器控制终端上可以装载相应的气体取样器控制终端软件。工业计算机安装无线通信模块后，运行气体取样器控制终端软件和气体取样器分节点进行无线通信，发送指令控制气体取样器分节点气体采样开始和停止。
图6是本发明提供的气体取样器控制终端软件功能模块的结构示意图，如图6所示，包括分节点采集指令发送、分节点数据接收、数据解析、数据可视化和数据存储功能。
基于上述内容，则农药漂移气体取样器传感网络的气体取样步骤可以是：
(1)在施药作业开始前，先将田间农药漂移气体取样器传感网络的各个气体取样器分节点分布式、网格化的布置在漂移风险区等待航空施药作业。
在气体取样器分节点布置完成后，需确保气体取样器控制终端需要与各个气体取样器分节点形成自组无线网络。每个气体取样器分节点的全球定位模块的位置、时间戳信息同步采集上传到气体取样器控制终端。
(2)另外，在进行喷洒作业开始前，气体取样器控制终端发送气体采集指令给各个气体取样器分节点，以由气体取样器分节点的分节点控制模块，控制各自的气泵和电磁阀先取样作业前无化学物质污染时的空气到气体存储容器的某个密闭存储腔体。同时，各气体取样器分节点的流量计、温度计对采样过程样品气体的流量和温度数据进行记录。直至各密闭存储腔体采集满后，由气体取样器控制终端发送停止采集指令。
(3)在喷洒作业开始和结束的过程中，各气体取样器分节点再次接收到气体取样器控制终端的开始气体采样指令，气体取样器分节点的分节点控制模块控制气泵和电磁阀配合，每隔一定采样间隔持续取样施药中和施药后的环境空气，并按密闭存储腔体序号，依次存放到气体存储容器。
作为一种可选的实施例，每个所述气体取样器分节点具有唯一的节点编号；相应地，每个所述气体取样器分节点中的各个密闭存储腔体具有唯一的腔室编号。
例如，预先每个所述气体取样器分节点所设置一个唯一的节点编号为英文字母A-Z，若气体取样器分节点的个数更多的情况下则可以按大写字母和小写字母相结合的方式对每个气体取样器分节点进行编号，如：某个气体取样器分节点的编号可以设置为Ak。
进一步地，由于每个气体取样器分节点中设置有多个密闭存储腔体，故可以按照一定的规则对其进行编号，例如：按照存储样品气体的顺序，依次编号为1-N(N为气体取样器分节点中密闭存储腔体的总个数)。如：上述气体取样器分节点中的某个密闭存储腔体的编号可以设置为Ak-3。
采用上述方式，每个气体取样器分节点的密闭存储腔体均具有一个独一无二的编号；相应地，可以利用这一编号对其中存储的样品气体，以及与这一密闭存储腔体相关的采样时间及位置信息进行统一编号，更容易实现数据的管理，为后续根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图提供了方便。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，昆虫触角电位测量装置2主要包括：气流处理控制单元和触角电位测量单元。
气流处理控制单元主要包括：进样器、气相色谱毛细柱、分流阀、L型玻璃管和火焰离子化检测器。
进样器内置震荡补偿空气泵和活性炭进气过滤筒，用于将样品气体泵入所述气相色谱毛细柱；气相色谱毛细柱主要用于对样品气体进行组分分离，并依次将分离气体注入至分流阀；分流阀主要用于将输入的分离气体按预设比例进行分流，第一分流气体输入至火焰离子化检测器，第二分流气体通过所述L型玻璃管输入至触角电位测量单元；火焰离子化检测器主要用于对第一分流气体进行检测，输出气相色谱图；触角电位测量单元主要用于对第二分流气体进行检测，输出触角电位信号图。
进一步地，所述昆虫触角电位测量装置2还可以包括：载气补充模块和润湿器。其中，载气补充模块主要用于为第二分流气体补充载气；所述润湿器主要用于生成润湿空气，并将润湿空气与第二分流气体进行混合后输入至触角电位测量单元。
图7是本发明提供的昆虫触角电位测量装置的结构示意图，如图7所示，气流处理控制单元的结构组成包括：进样器、气相色谱毛细柱、分流阀、载气补充模块和火焰离子化检测器、L型玻璃管、湿润器等。
其中，进样器内置有震荡补偿空气泵和活性炭进气过滤筒；气相色谱毛细柱和样品分流阀结合使用，用于以预设比例将样品气流分成两股(第一分流气体和第二分流气体)，以提供高度纯化的样品气流。载气补充模块可以为分流后的第二分流气体提供补充载气，从而提高第二分流气体的运动速度。
火焰离子化检测器以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源，当样品气流进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，在高压电场的定向作用下，形成离子流，该离子流经高阻放大成为与进入火焰的有机化合物的量成正比的电信号，离子电流信号输出到记录仪，得到色谱流出曲线，即获取到气相色谱图，再根据电信号的大小对样品气流进行定量分析；
L型玻璃管可导出高纯度的刺激源气体到昆虫触角电位测量单元；湿润器设置在空气管路上用于加湿空气，湿润的空气以一定的流速将分离后的第二分流气体带到昆虫触角上。
其中，气相色谱毛细柱，是一种对混合气体中各组成分进行分析检测的仪器，其除用于定量和定性分析外，还能测定样品气体在固定相上的分配系数、活度系数、分子量和比表面积等物理化学常数。
由载气带入待检测的样品气体，通过对样品气体中组分有不同保留性能的色谱柱，使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分的检测信号。按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，并根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。
通常采用的检测器有：热导检测器，火焰离子化检测器，氦离子化检测器，超声波检测器，光离子化检测器，电子捕获检测器，火焰离子化检测器，电化学检测器，质谱检测器等。在本发明中选用的是火焰离子化检测器，但其不视为对本发明保护范围的具体限定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述触角电位测量单元主要包括：电位探头、信号放大器、电子滤波器、触角电位信号采集分析终端。
电位探头上固设有昆虫触角，该昆虫触角是对目标农药敏感的昆虫的触角；在昆虫触角接触到第二分流气体后，在电位探头的两级生成电位信号；信号放大器主要用于对电位信号进行放大处理；电子滤波器主要用于滤除放大后的电位信号中的噪声，以获取昆虫触角电位信号；触角电位信号采集分析终端主要用于对昆虫触角电位信号进行分析，以输出触角电位信号图。
如图6所示，触角电位测量单元的结构组成主要包括：待测试验对象的昆虫触角、电位探头、信号放大器、电子滤波器、触角电位信号采集分析终端等。待测的昆虫触角可以选择农林航空施药作业中常见虫害防治对象和养殖区常见受害对象。电位探头是为不同尺寸的昆虫触角设计的固定器。
由于EAG信号变化微小，需要灵敏的仪器进行记录，故信号放大器用于在影响触角的生理学过程的前提下将EAG信号放大到足够大的水平来驱动记录仪器；电子滤波器用于过滤掉放大后的EAG信号中由于供电系统电磁辐射产生的外部噪声；触角电位信号采集分析终端可安装运行信号记录分析软件，用于记录触角电位信号图并实时显示。
昆虫触角上的每个嗅觉感受器细胞，都可以认为是1个电压源和电阻的集合，整个触角无数的嗅觉感受器细胞组成了电压与电阻复合体的串联阵列。EAG信号的振幅随刺激化学物质浓度增大而增强，直至饱和状态，可以被相关仪器测量。EAG信号产生于受到刺激昆虫触角的基部到顶部之间，反映触角对化合物质的生理反应值。
EAG信号差异取决于昆虫种类和性别，刺激素种类和浓度，触角所处的环境温湿度，制备物的存活时间，上一次刺激素的数量和浓度以及放大器输入信号的质量等。本发明为了简化数据运算的复杂度，仅仅将EAG信号差异性因素限定为：昆虫种类和性别、刺激素种类和浓度等，而对其它影响因素进行一致化。
可选地，昆虫触角可以选择松墨天牛、美国白蛾和中华蜜蜂等，其中松墨天牛和美国白蛾是农林航空施药作业中常见的虫害防治对象，中华蜜蜂是养殖区域的常见受害对象。
进一步地，利用本发明提供的触角电位测量单元进行实际测量的步骤可以是：
(1)采集昆虫触角，并对其经过切除处理，并去除顶端少许后，用导电胶将离体触角两端分别固定在电位探头上，并连接信号放大器、电子滤波器和触角电位信号采集分析终端，等待刺激源气体吹向昆虫触角。
(2)气体取样器分节点的气体存储腔体中的待分析的样品气体由气流处理控制单元进样器进样，样品气体进样后分经气相色谱毛细柱分离后，再经分流阀按预设比例分流，在分流阀处加入补充载气。
一部分分流的样品经气相色谱毛细柱到火焰离子化检测器，另一部分分流的样品经同样的毛细柱直至末端到L型玻璃管，然后由湿润器加湿后的空气以一定的流速吹向电极探头间的昆虫触角上，触角电位信号采集分析终端的信号记录分析软件记录和存储气相色谱图和触角电位信号图。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述漂移污染分析装置中预先装载了触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
相应地，上述漂移污染分析装置，获取目标农药浓度随时间变化的分布图的步骤，包括：
分析比对每个所述样品气体相关的所述气相色谱图和所述触角电位信号图，以确定每个所述样品气体的气体成分；
计算每个所述样品气体相关的所述触角电位信号图中触角电位信号出现峰的谱段平均值；
对所有样品气体相关的所述谱段平均值进行方差和显著性分析，并结合每个样品气体相关的采样时间及位置信息，获取触角电位信号分布图；
将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，以获取由所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型输出的所述目标农药浓度随时间变化的分布图。
(1)比对分析气相色谱图和触角电位信号图，确定能引起昆虫触角的电位生理反应的化合物质为样品气体的气体成分。
(2)计算EAG信号出现峰的谱段平均值作为测量结果，进行方差和显著性分析，判断样品之间EAG信号之间的差异。
(3)结合每个气体取样器分节点的采样时间及位置信息绘制出待测样品气体的触角电位信号分布图随时间的变化。
(4)对触角电位信号和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
(5)将待测实验对象的触角电位信号分布图作为输入，基于步骤(4)中关系模型的运算，输出挥发性化学农药漂移污染气体浓度分布图，评估航空施药作业的有效性和安全性。
进一步地，本发明提供了一种触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型建立的方法，包括：
将待测农药稀释成一系列浓度，并将不同浓度的待测农药样品气体依次输入至挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，获取在不同浓度的待测农药样品气体下的触角电位信号的谱段平均值；将每一浓度下的待测农药样品气体的浓度与谱段平均值进行相关性分析，构建触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
需要说明的是，整个农药喷雾漂移污染分析的核心是触角电位信号和待测气体浓度关系模型的嵌入，该模型的建立需要将待测化学农药稀释成一系列浓度(从空白对照、低浓度到高浓度，按一定梯度设置)，重复多组试验，通过昆虫触角电位测量装置测量出不同浓度样品气体下待测试验对象昆虫触角电位信号的结果值，将触角电位信号结果和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，通过在所述漂移污染分析装置中预先装载触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，能直接根据输入的触角电位信号分布图，直接确定目标农药浓度随时间变化的分布图，能够有效的提高检测的效率和精度。
为了更为详细的说明本发明提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，以充分证明本发明的目的、技术方案和优点，提供以下具体实施例：
一种挥发性化学农药喷雾漂移污染分析方法和系统实现的具体实施步骤，具体描述如下：
1、漂移气体取样器传感网络的构建：
本发明的气体取样器分节点选用的气体存储容器长×宽×高为30cm×20cm×10cm，每个气体取样器分节点的气体存储容器被分隔为10个独立的密闭存储腔体。在气体取样前气体存储容器的每个存储腔体充满氮气，避免原来气体对试验结果的影响。支架由铝合金铸成，距离地面高120cm。过滤装置可用包裹有活性炭的干净棉纱网置于孔上方。各漂移气体取样器分节点中的电源供电模块的电源可以采用电池或电池组。气体取样器控制终端安装无线通信模块，运行气体取样器控制终端软件，控制气体取样器分节点采样的开始和停止、接收、解析、可视化和存储气体取样器分节点上传的数据。
2、漂移气体取样器传感网络的田间采样布置：
(1)根据现场测试需求，将所有气体取样器分节点，按一定间距固定放置在距离喷洒区域100-200m的距离范围外的居民区或养殖风险区(漂移气体采样区)，相邻气体取样器分节点之间的间距一般取10-20米，形成网状式分布。
本发明具体采用将气体取样器分节点设置于距离喷洒区域200米的左右的区域，各个气体取样器分节点之间的间距为10米，设置100m*100m区域为漂移气体采样区，共布置121个气体取样器分节点。
(2)在具有所有气体取样器分节点周围500米无线通讯距离内，选择合适位置架设气体取样器控制终端，用其收集各气体取样器分节点的数据并确认各个气体取样器分节点与气体取样器控制终端是否正常通信。
3、田间气体取样步骤和过程：
(1)各气体取样器分节点上电启动后，首先搜索周围的取样器控制终端，若可以搜索到气体取样器分节点并建立通信链路则发送确认数据。之后根据控制终端下发指令执行相应动作。若无法搜索到取样器控制终端，则搜索可以与取样器控制终端建立无线通信链路的其他气体取样器分节点，通过其它气体取样器分节点中继与取样器控制终端建立通信链路。
当气体取样器控制终端与各气体取样器分节点建立通信链路后，取样器控制终端以此向各气体取样器分节点发送位置获取、开始气体采样、停止气体采样等相关指令。
其中，位置获取指令，使气体取样器分节点为全球定位模块上电，并在定位成功后向气体取样器控制终端发送自身的经纬度信息。
开始气体采样指令，用于使各气体取样器分节点的分节点控制模块打开气泵和对应密闭存储腔体的电磁阀并采集气体温度和采样流量信息，温度、流量和位置数据实时发送给气体取样器控制终端。
停止气体采样指令，用于使气体取样器分节点的控制模块关闭气泵和对应气体存储腔体的电磁阀，并停止采集采样时间及位置信息和数据上传。
其中，位置获取指令的特点在于气体取样器分节点节点通过对自身全球定位模块的多次经纬度数据读取(一般不少于50次)，并基于同心圆法提取法确定自身的经纬度信息。气体取样器控制终端收到各气体取样器分节点经纬度信息后，通过线性拟合法提取各个气体取样器分节点所在测试位置。
同心圆法，是基于GPS的单点定位存在偏差，但经纬度数据均围绕在经纬度真值周围，且随着定位次数的增加，真值周围的数据点呈增加趋势现象而提出的。其具体实现方法，包括：分别对经度值和纬度值取平均值，计算每个点到均值的偏差，当某个点的经度或纬度偏差值大于某个量D1，则消除掉该定位点，重新对剩余点经纬度数值取平均，当偏差值大于某个量D2，则消除掉该定位点，对剩余点经纬度值求平均，即为该点的经纬度。D1、D2一般选取平均值与当次统计中最大偏差值的1/2。
线性拟合法，是指在气体取样器控制终端收到各气体取样器分节点发送的经纬度数据后，基于多数点定位准确的原则对各气体取样器分节点的经纬度取线性拟合线，作为节点的放置位置。
当气体取样器控制终端与全部气体取样器分节点成功建立通信链路，且成功获得的气体取样器分节点的经纬度以及节点设备状态数据后，气体取样器控制终端向各气体取样器分节点发送时间同步指令。各分节点成功设置时间同步后向气体取样器控制终端反馈时间同步成功消息。
(2)如图4所示，当气体取样器控制终端收到所有气体取样器分节点的时间同步成功消息后，气体取样器控制终端首次发送开始气体采样指令，接收到指令的气体取样器分节点控制气泵吸入未受化学农药污染前的气体，同时打开电磁阀①和电磁阀④，气体沿着节点进气口进入，流量计、温度计记录所吸入气体的温度和流量，气体进入气体存储腔体①，各气体取样器分节点将节点设备状态、气体温度、流量和气体体积数据包上传到气体取样器控制终端。
其中，在气体采集过程中，吸收药雾气体量的多少直接取决于气泵单位时间采气流量和采样时间。气体取样器分节点的分节点控制模块通过气泵和采样时间，计算吸入腔体的气体体积量V0-1(气泵采气流量×采样时间)；同时结合温度和采样流量信息可以同时计算吸入的气体体积V0-2计算公式为：
Figure BDA0003101377650000301
其中t1表示气体采样开始时间；t2表示气体采样结束时间；f表示流量计瞬时流量。当V0-1和V0-2均达到600mL气体体积即认为存储腔体已经采满气体，气体取样器控制终端则发送停止气体采样指令给分节点控制模块，以控制气泵、电磁阀关闭，流量计、温度计、全球定位模块等停止数据采集，等待下一次开始气体采样指令。
(3)在喷洒作业开始直至结束阶段，本发明以5分钟取样时间间隔迭代重复发送步骤(2)中开始气体采样和停止气体采样指令，完成剩下9个气体存储腔体(②-⑩)的气体收集，总计整个采样过程持续时间为45min，通过无线通信模块实时传输数据包【分节点序号；GPS数据；流量；温度；V0-1；V0-2】给气体取样器控制终端，保存所有数据，用于后续样品气体浓度含量的测量分析。
4、关于昆虫触角电位测量装置实现和测量步骤：
(1)刺激气流处理控制单元
本发明选择美国安捷伦Agilent 7890B气相色谱仪，每个气体取样器分节点的存储腔体的待分析样品气体由进样器进样，进样方式为250℃不分流，进样量1μL。
HP-FFAP气相色谱毛细柱的初始柱温为50℃持续2min，先以10℃/min的速率加热到180℃，再以20℃/min的速率加热到230℃并持续10min。
待分析样品气体进样后分经气相色谱毛细柱分离后，再经分流阀按一定比例分流，在分流阀处加入2.5mL/min的补充载气高纯氦气，以减少柱后死体积。第一分流气体经气相色谱毛细柱到氢火焰离子化检测器，从结果的气相色谱图中确定气体各成分及其出峰时间；第二分流气体经同样的毛细柱直至末端到L型玻璃管，然后由湿润器加湿后的空气带到电极探头间的昆虫触角上。
(2)触角电位测量单元
本发明待测昆虫触角选择松墨天牛、美国白蛾和中华蜜蜂3种，其中，松墨天牛和美国白蛾是农林航空施药作业中常见的虫害防治对象，中华蜜蜂是养殖区域的常见受害对象。用解剖剪从待测昆虫触角的根部剪下，将触角顶端剪除约0.5mm，用Spectra 360导电胶将触角与电位探头(PRG-2，Syntech)叉状触角固定器的两个银电极电位探头a、b连接固定，待测昆虫触角距离刺激气流处理控制单元刺激源气体出口2mm，刺激气流处理控制单元调节控制气体流速在20mL/min，产生稳定的刺激源气体，将刺激源气体吹散到昆虫触角上产生刺激，每次刺激时间为0.1s，两次刺激之间间隔30s，以保证触角感觉器官功能的完全恢复。接受刺激后昆虫触角的电位发生变化，电位信号经过Syntech IDAC-4四通道USB接口信号采集控制器对信号放大和噪声过滤，触角电位信号采集分析终端Thinkpad T15g运行GC-EAD信号记录分析软件，触角电位信号采集分析终端的GC-EAD信号记录分析软件接收到输出的电位信号实时记录显示气相色谱图和EAG触角电位信号图，并保存。
121个气体取样器分节点的10个存储气体腔体分别测试松墨天牛、美国白蛾和中华蜜蜂的触角电位信号值，同剂量条件下重复刺激在一根触角上3次，并且重复试验3根触角(即每个气体取样器分节点的每个存储腔体样品气体针对1种昆虫触角实验对象设置了9组重复实验组)。
本发明提供一种关于农药喷雾漂移污染分析软件系统分析的流程方法，主要包括：
分析能引起待测对象触角电位生理反应的化合物质，确定其应激响应源气体成分，具体包括：
昆虫触角电位测量装置针对待测试验对象松墨天牛的九组重复实验获得了触角电位信号数据，通过核对标准谱库与标准化合物的质谱图，根据气相色谱图的化合物峰形和保留时间对气体组分进行定性分析，并和EAG触角电位信号图进行详细的对比，分析能引起松墨天牛触角电位生理反应(峰值)的化合物质，确定松墨天牛防治的应激响应源气体成分。
触角电位信号图上峰值谱段求平均值，进行方差和显著性分析，具体包括：
截取一段时间范围内触角电位信号图上峰值的触角电位信号谱段计算其平均值，作为松墨天牛触角电位信号值。
同种试验条件下重复实验组的触角电位反应值之间的差异性用方差分析(Analysis of Variance，ANOVA)和独立样本T检验方法进行多重比较分析，计算9组重复实验组的平均值作为最终的测量结果。
基于气体取样器分节点的位置及时间信息绘制触角电位信号分布图，具体包括：
结合所有气体取样器分节点的GPS位置、时间数据和松墨天牛触角电位信号的测量结果，Matlab调用Sufer自动化对象，采用克里金插值法(Kriging)绘制松墨天牛触角电位信号分布图，横纵坐标为各气体取样器分节点的经纬度。针对10个时间点下采集的10个气体存储腔体，可以得到10张松墨天牛的触角电位信号分布图，每张触角电位信号分布图的分辨率为11*11。
建立触角电位信号和待测气体浓度关系模型，步骤如下：
待测化学农药稀释成一系列浓度(从空白对照、低浓度到高浓度，如按一定浓度梯度设置：100mg/mL，80mg/mL，60mg/mL，40mg/mL，20mg/mL，10mg/mL，5mg/mL，0.5mg/mL，0.05mg/mL，0mg/mL)，将样品溶液均匀滴在长6cm、宽0.5cm的滤纸条上，放入巴斯德滴管中，滴管末端连接气体刺激气流处理控制单元，昆虫触角电位测量装置的测量出待测试验对象昆虫触角电位信号的结果值，对触角电位信号和应激响应源气体浓度进行相关性分析，建立触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型。
基于触角电位信号分布图和关系模型，输出航空施药前后挥发性化学农药喷雾漂移气体浓度分布图，评估航空施药作业的有效性及安全性，具体包括：
触角电位信号和应激响应源气体浓度的关系模型输入触角电位信号值，计算出农药喷雾漂移气体浓度值，根据松墨天牛的触角电位信号分布图农药喷雾漂移污染分析软件系统输出航空施药前后挥发性化学农药喷雾漂移气体中松墨天牛的应激响应源气体成分浓度随时间变化的分布图。
重复上述步骤依次测量美国白蛾和中华蜜蜂的触角电位信号结果，绘制对应的触角电位信号分布图，输出航空施药前后挥发性化学农药喷雾漂移气体中美国白蛾和中华蜜蜂的应激响应源气体成分浓度的分布变化图，评估航空施药作业的有效性(对松墨天牛和美国白蛾的防治效果)及安全性(对中华蜜蜂的药害效果)。
结果表明，本发明实施提供的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统即方法，可以解决传统漂移测量方法存在的精度低和挥发性化学农药漂移气体不易监测的缺点，分析施药防治对象、受害对象触角电位和挥发性化学农药漂移气体浓度的相关性，动态可视化喷洒过程前后挥发性化学农药漂移污染气体浓度的变化，实现航空施药作业的有效性和安全性评估。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，包括：
在待测区域内搭建漂移气体取样器传感网络；漂移气体取样器传感网络是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的；
利用所述气体取样器控制终端控制所述每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放；所述航空施药作业进程包括航空喷洒作业前、航空喷洒作业中和航空喷洒作业后；
基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；
根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个所述样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
2.根据权利要求1所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，在每个气体取样器分节点采集一个样品气体之后，还包括：
记录每个所述采样气体相关的采样时间及位置信息、采样流量信息和采样温度信息。
3.根据权利要求1所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，所述获取目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：
分析比对每个所述样品气体相关的所述气相色谱图和所述触角电位信号图，以确定每个所述样品气体的气体成分；
计算每个所述样品气体相关的所述触角电位信号图中触角电位信号出现峰的谱段平均值；
对所有样品气体相关的所述谱段平均值进行方差和显著性分析，并结合每个样品气体相关的采样时间及位置信息，获取触角电位信号分布图；
将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，以获取由所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型输出的所述目标农药浓度随时间变化的分布图。
4.根据权利要求3所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，在将所述触角电位信号分布图输入至所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型之前，还包括预先构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型，具体为：
将待测农药稀释成一系列浓度，并将不同浓度的待测农药样品气体依次输入至挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，获取在不同浓度的待测农药样品气体下的触角电位信号的谱段平均值；
将每一浓度下的待测农药样品气体的浓度与谱段平均值进行相关性分析，构建所述触角电位信号和应激响应源气体浓度关系模型。
5.根据权利要求1所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，所述基于气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，包括：
将所述样品气体进样后经气相色谱毛细柱进行组分分离，并依次将分离气体注入至分流阀，以获取分流后的第一分流气体和第二分流气体；
将第一分流气体输入至所述火焰离子化检测器，以获取所述气相色谱图；
将所述第二分流气体输入至电位探头上固设的昆虫触角上，以在所述电位探头的两级生成电位信号；
对所述电位信号进行放大滤波处理后，输入至触角电位信号采集分析终端，以获取所述触角电位信号图。
6.根据权利要求5所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，所述昆虫触角为松墨天牛触角、美国白蛾触角和中华蜜蜂触角中的一种。
7.根据权利要求6所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测方法，其特征在于，所述目标农药浓度随时间变化的分布图，包括：
在所述昆虫触角为松墨天牛触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第一分布图；
在所述昆虫触角为美国白蛾触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第二分布图；
在所述昆虫触角为中华蜜蜂触角的情况下所获取的目标农药浓度随时间变化的第三分布图；
在获取所述目标农药浓度随时间变化的分布图之后，还包括：
根据对所述第一分布图和所述第二分布图的分析结果，确定航空作业喷施路径和范围；
根据对所述第三分布图的分析结果，确定航空作业缓冲区边界。
8.一种挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，包括：漂移气体取样器传感网络、昆虫触角电位测量装置和漂移污染分析装置；
所述漂移气体取样器传感网络是由气体取样器控制终端与分布在待测区域内的多个气体取样器分节点通信连接构成的；所述气体取样器控制终端，用于控制每个气体取样器分节点，在航空施药作业进程中按预设采样周期采集各自所在位置的气体，每次采集的气体作为一个样品气体独立存放；所述航空施药作业进程包括航空喷洒作业前、航空喷洒作业中和航空喷洒作业后；
所述昆虫触角电位测量装置，用于采用气相色谱与触角电位联用的方式，对每个所述样品气体进行检测，以获取每个样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图；
所述漂移污染分析装置，用于根据每个所述样品气体相关的气相色谱图和触角电位信号图，以及每个所述样品气体的采样时间及位置信息，获取目标农药浓度随时间变化的分布图。
9.根据权利要求8所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，所述每个气体取样器分节点，包括：分节点控制模块、气泵、流量计、温度计、电磁阀、无线通信模块、全球定位模块和气体存储容器；
所述分节点控制模块通过所述无线通信模块，与所述漂移气体取样器传感网络中的其它气体取样器分节点以及所述气体取样器控制终端进行无线通信，实现相互之间的数据交互，以控制所述气泵和所述电磁阀的启停，实现每个样品气体的采集；
所述全球定位模块，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样时间及位置信息；
所述流量计，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样流量信息；
所述温度计，用于确定所述气体取样器分节点采集每个样品气体时的采样温度信息；
所述气体存储容器包括多个独立的密闭存储腔体，每个所述密闭存储腔体配置独立的电磁阀；每个采样气体被存储于不同的密闭存储腔体；
所述分节点控制模块，还用于记录每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息。
10.根据权利要求9所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，所述气体取样器控制终端，包括：
分节点采集指令发送模块、分节点数据接收模块、数据解析模块、数据可视化模块和数据存储模块；
所述分节点采集指令发送模块，用于向各气体取样器分节点发送气体采集指令，以使得各气体取样器分节点响应于所述气体采集指令开始进行样品气体的采集；
所述分节点数据接收模块，用于接收各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息；
所述数据解析模块，用于对各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息进行解析，以通过所述数据可视化模块进行展示；
所述数据存储模块，用于对各气体取样器分节点上传的每个所述采样气体相关的所述采样时间及位置信息、所述采样流量信息和所述采样温度信息进行存储。
11.根据权利要求9所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，每个所述气体取样器分节点具有唯一的节点编号；
相应地，每个所述气体取样器分节点中的各个密闭存储腔体具有唯一的腔室编号。
12.根据权利要求8所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，所述昆虫触角电位测量装置，包括：气流处理控制单元和触角电位测量单元；
所述气流处理控制单元，包括：进样器、气相色谱毛细柱、分流阀、L型玻璃管和火焰离子化检测器；
所述进样器内置震荡补偿空气泵和活性炭进气过滤筒，用于将所述样品气体泵入所述气相色谱毛细柱；
所述气相色谱毛细柱，用于对所述样品气体进行组分分离，并依次将分离气体注入至所述分流阀；
所述分流阀，用于将输入的分离气体按预设比例进行分流，第一分流气体输入至所述火焰离子化检测器，第二分流气体通过所述L型玻璃管输入至所述触角电位测量单元；
所述火焰离子化检测器，用于对所述第一分流气体进行检测，输出所述气相色谱图；
所述触角电位测量单元，用于对所述第二分流气体进行检测，输出所述触角电位信号图。
13.根据权利要求12所述的挥发性化学农药喷雾漂移污染检测系统，其特征在于，所述触角电位测量单元，包括：电位探头、信号放大器、电子滤波器、触角电位信号采集分析终端；
所述电位探头上固设有昆虫触角，所述昆虫触角是对目标农药敏感的昆虫的触角；
在所述昆虫触角接触到所述第二分流气体后，在所述电位探头的两级生成电位信号；
所述信号放大器，用于对所述电位信号进行放大处理；
所述电子滤波器，用于滤除放大后的电位信号中的噪声，以获取昆虫触角电位信号；
所述触角电位信号采集分析终端，用于对所述昆虫触角电位信号进行分析，以输出所述触角电位信号图。
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黄翠虹等: ""昆虫触角电位（EAG）及其与气谱联用（GC-EAD）技术", 《应用昆虫学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114910388A (zh) * 2022-07-15 2022-08-16 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 一种航空施药农药飘移监测预警系统及方法

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