论文部分内容阅读
中国是世界第一大苹果生产国,种植面积超3000万亩,病虫害防治主要依靠农药喷施,但过量施药不仅会造成环境污染,也会产生农药浪费和果品农残超标等不良影响。精准施药是解决上述问题的有效手段,为了实时探测靶标体积和生物量信息,计算不同位置的风力和药量需求,进行风送风力和喷药量精准控制,本论文针对苹果园靶标体积探测方法复杂、叶面积探测模型适应性差和风力调控模型缺失的问题,基于激光雷达传感器（Light Detection and Ranging:LiDAR）对果树冠层轮廓和体积分布探测技术进行研究,研究了冠层网格化轮廓（Canopy meshing-profile characterization:CMPC）探测方法;研究了基于激光雷达点云数据信息的苹果园果树叶面积探测方法,采用偏最小二乘回归（Partial least squares regression:PLSR）算法和BP（Back Propagation）神经网络算法,研究构建了冠层叶面积探测模型;搭建了果树冠层三维测量试验平台,通过试验获得了冠层内不同区域的风力,采用回归算法研究构建了冠层内风力损失模型;最后通过冠层内雾滴沉积分布试验,研究了基于冠层靶标特征与风送风力的雾滴沉积分布特性,为精准变量喷雾风力调控提供方法和理论支持。本论文的主要研究内容及结论如下:（1）提出了苹果园靶标冠层体积CMPC探测方法。研究基于LiDAR探测技术的冠层体积CMPC探测方法,搭建LiDAR探测移动平台与人工测量平台,采用LiDAR与人工测量相结合的方法,分别对仿真冠层和果树冠层进行试验研究,并对影响CMPC探测方法的LiDAR移动速度和网格尺寸进行分析研究。结果表明,LiDAR静态时CMPC探测方法对仿真冠层体积的探测精度为93.3%,LiDAR移动速度1.2m/s时对果树冠层体积的探测精度为96.3%;LiDAR移动速度对果树冠层探测没有延迟,不同移动速度下获得冠层轮廓形状基本一致;小尺寸网格（0.01m×0.01m-0.05m×0.05m）适用于描述苹果树冠层结构特征,网格尺寸大于等于0.05m×0.05m适用于苹果树冠层轮廓探测。（2）提出了基于激光雷达点云数据的叶面积探测方法,构建叶面积探测模型。为准确测量冠层不同区域内树叶的面积,搭建三维测量平台,设计稠密厚、稀疏厚、稠密薄和稀疏薄树形靶标进行研究,通过人工测量获取冠层叶面积数据,通过LiDAR探测移动平台获取冠层不同区域内点云数据。采用PLSR算法和BP神经网络算法研究树形靶标的叶面积探测模型,分别建立基于LiDAR点云数据的二维叶面积探测模型以及基于LiDAR点云数据、冠层厚度的三维叶面积探测模型。研究二维叶面积探测模型结果为:PLSR算法获得模型的R2均小于0.5,BP神经网络算法获得模型的R2分别为:0.75、0.434、0.709和0.335。研究三维叶面积探测模型结果为:PLSR算法获得的模型R2分别为:0.963、0.413、0.89、0.27,BP神经网络算法获得模型R2分别为:0.973、0.53、0.9和0.429,通过BP神经网络获得的叶面积探测模型高于PLSR。（3）对树形靶标叶面积探测模型对果树冠层进行验证,创新构建苹果树冠层叶面积探测模型。为准确计算的苹果园叶面积,对树形靶标叶面积探测模型对果树叶面积计算进行验证,并构建果树冠层二维和三维叶面积探测模型。采用二维BP神经网络、三维PLSR和三维BP神经网络叶面积探测模型对果树冠层数据进行模型验证研究。研究得出,上述三个模型对果园叶面积的拟合精度较低为0.289-0.706。为了获得较好的果园叶面积探测模型,采用BP神经网络回归算法对果树二维和三维叶面积探测模型构建模型,获得探测模型R2分别为0.887和0.843,模型对验证集的拟合精度分别为0.709和0.829,获得果树叶面积探测模型精度较高,可为苹果园精准变量喷雾技术服务。（4）创新构建了风送施药果树冠层内风力损失模型。针对果树冠层内风力测量难和风力损失影响因素多,风力调控模型缺失的问题,研究果树冠层内风力损失模型,通过三维测量平台定位冠层在空间的位置,采用风送施药机送风,测量冠层内不同位置风力;分别采用经典回归算法、PLSR回归算法和BP神经网络回归算法,构建不同风机转速1381r/min、1502 r/min和1676 r/min条件下冠层内风力损失模型。研究结果表明,采用BP神经网络回归算法获得模型的精度最高,构建模型的R2分别为0.783、0.679和0.715,较经典回归算法分别提高0.18、0.173和0.266,较PLSR算法分别提高0.159、0.003和0.145。由于经典回归算法获得模型的公式较为复杂,可根据施药作业要求先择PLSR和BP神经网络算法进行果树冠层风力调控。（5）试验研究风送喷药冠层内雾滴沉积分布特性。在果树冠层体积探测、冠层叶面积探测和风力损失模型研究的基础上,研究果树冠层厚度、叶面积与风送风力对雾滴在冠层内沉积分布的影响,设定喷药机不同风机转速1381r/min、1502 r/min和1676 r/min对果树冠层进行喷药。试验得出,雾滴覆盖率和沉积量之间存在显著的二次相关性,本论文采用沉积量为指标进行研究;雾滴的体积中值直径（volume median diameter:VMD）显示异常的地方,风力损失率较小,对应区域叶面积值较小;通过显著性分析得出冠层厚度、叶面积与冠层入口风力对水敏纸正反面沉积量之和以及正反面雾滴沉积比的影响顺序从大到小依次为:入口风速、叶面积和冠层厚度。本论文针对苹果园精准施药的要求,研究了果树靶标特征探测和冠层内风力损失模型。研究结果可为苹果园精准施药的风力调控提供科学依据,对推动精准施药技术的快速发展起到推动作用。