一种农药沉积量检测方法、装置及数据采集组合装置与流程

本发明涉及农药沉积量检测技术领域。

背景技术：

在田间农药喷洒作业过程中，采用无人机喷药可能在非航线药量较小，或者受天气(如，风向、风速、降雨等)原因影响较大，农药从药液箱喷出向靶标植物叶片传递的整个过程中，药液要经过雾化、飞行、撞击、反弹等一系列过程。在这个过程中不可避免的会出现农药雾滴漂移、雾滴蒸发、雾滴流失等的农药损耗；因此，大部分的农药雾滴难以到达预定的靶标叶片上，从而限制了药效的发挥。需要对农药沉积量进行检测，进而有针对性的进行补药调整，在现有的农药施用技术条件下，常把作物的冠层作为研究农药沉积率的靶标，因而根据沉积量大小进行农药补药是进行靶向施药的重要手段。

目前的农药沉积量检测常采用酶抑制原理和光电比色法等方法，以酶抑制为原理的检测方法需将农作物叶片采摘处理后测定农药沉积量，是离线检测方法，无法做到实时快速无损检测，对大田农作物农药沉积量检测带来不便。光谱检测方法通常有实验室检测和野外检测两种，实验室检测需搭建暗室，排除可见光干扰，采摘待测作物叶片进行检测，虽然无需损坏叶片，但无法做到在田间实时检测。而采用便携式光谱仪进行野外检测，外界可见光具有一定干扰，且光谱仪造价昂贵，不适于农业生产实践。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种农药沉积量检测方法、装置及数据采集组合装置，可在现场对农药沉积量实现直接检测，具有方便快捷，检测效率高等特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于靶向施药的农药沉积量检测方法，包括以下步骤：

a.特征波段确定，配置不同浓度的农药溶液，选取一组农作物叶片，将各叶片喷涂不同浓度的农药溶液，以在各叶片上形成不同浓度的农药沉积量，从而形成特征波段采样样本，在暗室环境中采用复合光源照射各叶片，通过光谱仪采集以叶片为载体的农药沉积量反射率数据与波长数据，利用主成分分析法，确定最能反应不同农药沉积量反射特征波的四个特征波段；

b.定制特征波光源和特征波带通滤光片，针对四个特征波段的每个特征波段的波长，分别定制与之相对应的特征波光源和特征波带通滤光片，所定制的四个特征波光源和四个特征波带通滤光片各自仅能发出或通过与其相对应的特征波段的波长的光；

c.采集特征波～农药浓度对应数据，根据农作物叶片农药沉积量的检测范围，配置不同浓度的农药溶液，选取一组农作物叶片，在该组叶片中的各叶片上分别喷涂不同浓度的农药溶液，以在各叶片上形成不同浓度的农药沉积量，使该组中各农作物叶片的农药沉积量整体上离散的覆盖农作物叶片农药沉积量的检测范围，从而形成特征波～农药沉积量浓度对应数据采集样本，对该样本中每一片叶片的四个特征波段的光反射强度数据进行采集，特征波段的光反射强度数据采集方法为：分别通过四个特征波光源对载有不同农药沉积量的各叶片进行照射，并采用相机透过每种特征波光源所对应的特征波带通滤光片进行拍摄，从而以图像信息形式采集到以叶片为载体的各浓度的农药沉积量所对应的四个特征波段的光反射强度数据；

d.获取特征波-农药沉积量关系模型，将步骤c中获取的各浓度的农药沉积量及其所对应的四种特征波段的光反射强度数据分别导入cnn卷积神经网络进行深度学习训练，系统自动生成农药沉积量与四种特征波段的光反射强度数据对应关系，从而得到以四个特征波段的光反射强度数据为输入，农药沉积量为输出的特征波-农药沉积量关系模型；

e.对农作物的农药沉积量进行现场检测，按照步骤c中的特征波段的光反射强度数据采集方法采集农作物叶片对于四个特征波段的光反射强度数据，并将所采集的四个特征波段的光反射强度数据输入特征波-农药沉积量关系模型，从而获得以采集过四个特征波段的光反射强度数据的农作物叶片为样本的农作物农药沉积量。

一种特征波数据采集组合装置，组合装置包括四个结构相同的摄像装置，分别为摄像装置i、摄像装置ii、摄像装置iii和摄像装置iv，它们均包括ccd摄像头、上述的特征波光源和上述的特征波带通滤光片，特征波光源设置在ccd摄像头上，用于照射ccd摄像头的取景范围，特征波带通滤光片设置在ccd摄像头的镜头前端，以使ccd摄像头采集特征波带通滤光片所透过的特征波段波长的光，各摄像装置的特征波光源与特征波带通滤光片相对应，以使四个特征波段的光反射强度数据分别被各摄像装置所采集。

一种用于靶向施药的农药沉积量检测装置，包括上述的四个摄像装置和控制电路，控制电路包括单片机mcu和启动开关，启动开关所发出的开关量信号通过i/o端口输送至单片机mcu，单片机mcu通过四个i/o端口发出时序控制信号，依次控制四个摄像装置的ccd摄像头的开启与关闭，四个ccd摄像头采集的图像信号分别通过各自的i/o端口传输至单片机mcu，单片机mcu的运算输出信号经i/o端口传输至显示装置。

本发明进一步改进在于：

显示装置为ym12232b型液晶显示器。

单片机mcu还通过i/o端口与zigbee无线通讯模块连接，以实现单片机mcu的运算输出信号无线传输。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

优点1：目前作物农药喷施沉积量检测，大多需要采摘叶片乃至粉碎，在实验室中进行测定，效率较低。本发明能够在田间对作物农药沉积量进行检测，能够实现无损、实时检测，速度较快，时效性较高，能够实时传输数据，可供农田喷药机器人或喷药操作人员进行快速变量喷药，对缺药区域及时准确补充农药，不缺量不超量，对不缺药区域不重复喷施。且无需采摘叶片，不破坏作物，实现无损检测效果。

优点2：传统的化学检测方法、色谱检测方法等，步骤较多，样本提取、净化等步骤耗费一定时间，而本专利采用的光谱检测方法无需样本提取、净化等步骤，直接测量，准确高效。

优点3：以往的光谱检测方法，多采用光谱仪直接检测，光谱仪购买及维护成本较为昂贵，能够满足测定要求的设备多在几十万元以上，成本较高，不利于农业生产实践。而按照本发明提出的方法所搭建的设备，仅需特征波光源、特征波带通滤光片、ccd摄像头、控制电路等装置进行搭建组合，成本在几千元左右，在满足测定需求的基础上，大大降低了成本，使光谱测定农药沉积量在农田生产作业中具备了向农户推广实践的可能性。

优点4：以往光谱测定农药沉积量方法，由光谱设备采集作物叶片光谱数据信息，导出数据信息后再进行处理以确定沉积量。本发明所提出的方法与设备，将数据采集与分析集成在同一控制芯片中，建立数学模型后编入控制芯片，在设备采集到数据后输入数学模型，自动得到沉积量输出数据。

优点5：光谱图像信息与农药沉积量对应关系模型建立较传统方法更为高效、准确。本发明采用cnn(卷积神经网络)深度学习方法，自动将光谱图像信息与农药沉积量信息进行训练建模，较之传统的神经网络、支持向量机等机器学习方法，其降维效率较高，准确度较高，大大提高了数学模型准确性，降低了对应关系建模难度与时间，从而使测定结果更为准确。

用于靶向施药的农药沉积量检测装置可实现由拍照到沉积量计算输出自动完成。具有方便快捷，检测效率高等特点。

附图说明

图1是本申请中农药沉积量检测方法的流程图；

图2是本申请中特征波数据采集组合装置各摄像装置的结构示意图；

图3是本申请中用于靶向施药的农药沉积量检测装置的结构示意图；

图4是本申请中用于靶向施药的农药沉积量检测装置控制电路的结构示意图。

在附图中：1.ccd摄像头；1-1.ccd摄像头的镜头；2.特征波光源；3.特征波带通滤光片；

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

参见图1，一种用于靶向施药的农药沉积量检测方法，包括以下步骤：

a.特征波段确定，配置不同浓度的农药溶液，选取一组农作物叶片，将各叶片喷涂不同浓度的农药溶液，以在各叶片上形成不同浓度的农药沉积量，从而形成特征波段采样样本，在暗室环境中采用复合光源照射各叶片，通过光谱仪采集以叶片为载体的农药沉积量反射率数据与波长数据，利用主成分分析法，确定最能反应不同农药沉积量反射特征波的四个特征波段；

b.定制特征波光源和特征波带通滤光片，针对四个特征波段的每个特征波段的波长，分别定制与之相对应的特征波光源和特征波带通滤光片，所定制的四个特征波光源和四个特征波带通滤光片各自仅能发出或通过与其相对应的特征波段的波长的光；

c.采集特征波～农药浓度对应数据，根据农作物叶片农药沉积量的检测范围，配置不同浓度的农药溶液，选取一组农作物叶片，在该组叶片中的各叶片上分别喷涂不同浓度的农药溶液，以在各叶片上形成不同浓度的农药沉积量，使该组中各农作物叶片的农药沉积量整体上离散的覆盖农作物叶片农药沉积量的检测范围，从而形成特征波～农药沉积量浓度对应数据采集样本，对该样本中每一片叶片的四个特征波段的光反射强度数据进行采集，特征波段的光反射强度数据采集方法为：分别通过四个特征波光源对载有不同农药沉积量的各叶片进行照射，并采用相机透过每种特征波光源所对应的特征波带通滤光片进行拍摄，从而以图像信息形式采集到以叶片为载体的各浓度的农药沉积量所对应的四个特征波段的光反射强度数据；

d.获取特征波-农药沉积量关系模型，将步骤c中获取的各浓度的农药沉积量及其所对应的四种特征波段的光反射强度数据分别导入cnn卷积神经网络进行深度学习训练，系统自动生成农药沉积量与四种特征波段的光反射强度数据对应关系，从而得到以四个特征波段的光反射强度数据为输入，农药沉积量为输出的特征波-农药沉积量关系模型；

e.对农作物的农药沉积量进行现场检测，按照步骤c中的特征波段的光反射强度数据采集方法采集农作物叶片对于四个特征波段的光反射强度数据，并将所采集的四个特征波段的光反射强度数据输入特征波-农药沉积量关系模型，从而获得以采集过四个特征波段的光反射强度数据的农作物叶片为样本的农作物农药沉积量。

参见图2，一种特征波数据采集组合装置，组合装置包括四个结构相同的摄像装置，分别为摄像装置i、摄像装置ii、摄像装置iii和摄像装置iv，它们均包括ccd摄像头1、上述的特征波光源2(和上述的特征波带通滤光片3，特征波光源2设置在ccd摄像头1上，用于照射ccd摄像头1的取景范围，特征波带通滤光片3设置在ccd摄像头1的镜头1-1前端，以使ccd摄像头1采集特征波带通滤光片3所透过的特征波段波长的光，各摄像装置的特征波光源2与特征波带通滤光片3相对应，以使四个特征波段的光反射强度数据分别被各摄像装置所采集。

通过本装置分别对载有不同农药沉积量的各叶片进行拍摄，从而以图像信息形式采集到以叶片为载体的各浓度的农药沉积量所对应的四个特征波段的光反射强度数据，以备用于生成以农药沉积量为输出的特征波-农药沉积量关系模型。

参见图3～图4，一种用于靶向施药的农药沉积量检测装置，包括上述的四个摄像装置和控制电路，控制电路包括单片机mcu和启动开关，启动开关所发出的开关量信号通过i/o端口输送至单片机mcu，单片机mcu通过四个i/o端口发出时序控制信号，依次控制四个摄像装置的ccd摄像头的开启与关闭，四个ccd摄像头以图像信息形式采集的四个特征波段的光反射强度数据分别通过各自的i/o端口传输至单片机mcu，单片机mcu的运算输出信号经i/o端口传输至显示装置。

显示装置为ym12232b型液晶显示器。

单片机mcu还通过i/o端口与zigbee无线通讯模块连接，以实现单片机mcu的运算输出信号无线传输。

本装置控制电路中单片机mcu的运算公式基于特征波-农药沉积量关系模型，特征波-农药沉积量关系模型由本申请中用于靶向施药的农药沉积量检测方法获取，在此不再赘述。

以玉米表层常用的农药杀螟硫磷沉积量作为检测对象，按照本发明公开的设备及设备的使用方法操作，在暗室环境中采用复合光源(海洋光学vivo卤钨灯)和光谱仪(camlin公司生产的型号：vnir-swir光谱仪)确定最能反应不同农药沉积量反射特征波的四个特征波段的波长分别分别为650nm、830nm、1150nm、1581nm，通过(森泉光电生产厂家)定制四个特征波光源和相对应的四个特征波带通滤光片，通过特征波数据采集组合装置(其中ccd摄像头1型号：pco1600)采集四个特征波段的光反射强度数据，通过农药沉积量检测装置对棉花农作物进行农药沉积量的检测，检测结果与气相色谱检测方法检测的结果进行对比，得到预测准确率，对比结果见下表：