一種基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統研發及應用

羅伍周 朱小波 嚴實 趙富強 舒炎昕

摘要 為改進和優化航空噴霧作業質量檢測技術，進一步提高檢測準確性與效率，本文通過對比分析國內外霧滴采集與檢測技術，提出了基于智能手機拍照方式獲取霧滴沉積圖像，并利用數字圖像處理技術，測算霧滴體積直徑的新方法。設計開發了基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統（J-02），該系統主要包括便攜式檢測儀、專業檢測軟件、數據管理平臺三部分。最后，通過與霧滴沉積分析系統（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）等傳統檢測手段對比測試驗證表明，基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統適用于航空噴霧質量現場檢測，且檢測結果準確可靠。

關鍵詞 航空噴霧;?智能手機;?檢測

中圖分類號： S 49

文獻標識碼：?B

DOI：?10.16688/j.zwbh.2021662

Abstract In order to improve and optimize the quality inspection methods of aviation spray operations， and improve the accuracy and efficiency of inspections， this paper compares and analyzes the collection and detection technology of fog droplets at home and abroad， and proposes a new method for obtaining fog droplet deposition images based on smartphone photography， and uses digital image processing technology to measure the volume diameter of fog droplets. A smart phone-based aviation spray quality inspection system was designed and developed， which mainly consists of three parts， including portable detector， professional inspection software， and data management platform. Finally， the comparison and verification with traditional detection methods such as the droplet deposition analysis system （IDAS PRO） and microscope （Leica M80） were carried out， it show that the smartphone-based aviation spray quality inspection system （J-02） is suitable for on-site aviation spray quality inspection， and the detection results are accurate and reliable.

Key words aviation spray;?smartphone;?inspection

航空噴灑是以有人或無人駕駛航空器作為搭載工具，使用專業設備將液體物料按特定技術要求從空中向地面目標噴霧的飛行活動。由于具有快速、高效、靈活和通用性強等優點而廣泛應用于農林業生產中，在航空植保、航空施肥和衛生防疫等領域顯示了不可替代的作用。

據統計，2020年我國有近100家通用航空企業開展了農業航空作業，約占實際運行企業總數的17%［1］;與此同時，我國植保無人機產業發展迅速，2020年全國植保無人機保有量已達到11萬架，全年作業面積突破6 000余萬hm2次［2］，為我國農作物穩產增產和農業現代化做出了重要貢獻。然而，航空噴霧容易造成藥液霧滴的飄移，這不僅會降低防治效果，增加成本，還會危及非靶標區的敏感動植物、人類健康及生態環境，從而對作業安全造成影響。

噴霧檢測是評價噴霧作業質量與噴霧飄移狀況的重要技術手段，理想的測量方法應具備測量速度快、圖像分辨率高、測量方便及經濟性好等特點。目前國內常用的霧滴收集器一類是線形采樣器，如聚乙烯塑料線、聚四氟乙烯塑料線、棉線、羊毛線等，這類采樣器具有采樣效率高、可用于采集空中霧滴等特點，但不能用于分析霧滴粒徑及霧滴譜分布;此外，一些片狀收集器也使用較廣，如氧化鎂玻片、水敏紙、卡羅米特紙卡、皮氏培養皿等，這類采樣器使用離散介質為載體，能用于分析霧滴粒徑及分布模式，但采樣效率較低，檢測結果的重復性差，且人為誤差較大。國外已開發了大量測量地面噴霧霧滴粒徑的方法，如Tayali等介紹了一系列可用來測量多相流體中的粒子、霧滴或氣泡直徑的光學方法［3］;Sidahmed等利用PMS-FSSP探頭測量農藥噴霧噴頭的霧滴粒徑分布［4］; Dodge應用6類17種霧滴粒徑測量儀器（包括PMS、MALVERN激光粒譜儀、AEROMETRIESP/ DPA、BETE霧滴分析儀、KLD等）對兩類噴頭進行了對比測試［5］。

在檢測技術應用方面，北京農業智能裝備技術研究中心開發了IDAS PRO 霧滴沉積分析系統，其霧滴采集裝置為手持式掃描裝置（V700N），該裝置不受環境光線影響，但數據采集和處理不方便，檢測效率低，圖像分辨率較低，在檢測小霧滴方面具有較大難度。大疆創新科技公司開發了霧滴分析儀，該檢測儀配合手機獲取霧滴沉積圖像，然后利用分析軟件進行數據處理，得到霧滴覆蓋密度和霧滴分布均勻度，但該裝置檢測指標不全（僅有霧滴變異系數、覆蓋率、霧滴數量、霧滴粒徑4個檢測指標），無法及時出具檢測報告。澳大利亞農業部開發了霧滴覆蓋率分析軟件，該軟件配合手機獲取的霧滴沉積圖像，可直接讀取霧滴的覆蓋率，但該軟件缺乏配套的硬件檢測裝置，檢測結果誤差較大，檢測指標單一，功能不全面，僅支持IOS系統，不利于應用推廣。此外，傳統的顯微鏡觀測法對霧滴進行檢測分析，雖然檢測結果的準確性較高，但存在檢測結果人為誤差較大、檢測效率低、批量處理難等問題。

針對目前我國航空噴霧現場檢測技術存在的問題，設計開發基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統，能夠為解決樣本采集效率低、小粒徑高密度霧滴觀測分析誤差大、數據存儲與野外測試設備攜帶不方便等技術問題，以及改變目前檢測手段落后狀況、提高檢測工作技術水平提供新途徑；有利于行業監管部門開展作業質量及安全監管，提高航空噴霧作業質量，確保航空噴霧作業的整體經濟效益，保護生態環境及人員健康，從而促進農業航空事業的持續快速發展。本文依據行業標準，提出了基于智能手機拍照方式獲取霧滴沉積圖像，并利用數字圖像處理技術測算霧滴體積、直徑的新方法。設計開發了基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統，并探究該系統用于航空噴霧質量現場檢測的可靠性和實用性。

1?材料與方法

1.1?總體設計

基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統（J-02）摒棄傳統的以顯微鏡或掃描儀為主的霧滴圖像獲取方式，改用常用的智能手機作為圖像采集工具，充分利用智能手機普及率高、無需額外購置，并且分辨率高、使用方便、具備網絡通信功能等優點;運用微距攝影原理集成環形LED，避免了在采集霧滴圖像時周圍環境對成像質量的影響，并結合霧滴圖像處理軟件，實現對手機拍攝的霧滴圖像進行實時分析處理、數據傳輸及數字化存儲等功能。

1.2?檢測指標確定

根據民航行業標準《農業航空作業質量技術指標 第1部分：噴灑作業》（MH/T 1002.1-1995）［6］和《航空噴施設備的噴施率和分布模式測定》（MH/T 1040-2011）［7］，并結合生產過程中的實際需求，明確航空噴霧質量檢測技術指標，主要包括霧滴體積中值直徑與數量中值直徑、霧滴譜寬度、霧滴數量、霧滴覆蓋密度、樣片檢測面積、噴灑沉積量、沉積率、沉積面積及覆蓋率等。

1.3?檢測流程

根據檢測過程中的實際需求設計航空噴霧質量檢測流程。主要包括：在航空噴霧質量檢測前，采用水敏紙收集霧滴樣本;樣本采集完成后，采用便攜式航空噴霧質量檢測儀和智能移動終端獲取霧滴圖像，同時利用航空噴霧質量檢測軟件建立任務信息、對樣本圖像參數進行分析處理，最后自動出具檢測報告，以實現航空噴霧質量快速評估的目的。

1.4?設備與材料

施藥機具：大疆T16型植保無人機，噴頭型號：XR11001VS;噴灑介質：清水。

檢測設備：航空噴霧質量檢測系統（J-02）、霧滴沉積分析系統（IDAS PRO）、顯微鏡（Leica M80）、農業環境監測儀。

采樣材料：水敏紙（Syngenta， 76×26）。

輔助材料：工具包、皮尺、標識旗、封裝袋、干燥劑、記號筆、手套等。

1.5?霧滴直徑計算

利用圖像處理軟件對霧滴沉積圖像進行分析，首先通過刻度尺進行圖像標定，計算出比例尺（本研究中確定比例尺為5.77 μm/pix）;接著對目標區域進行差分高斯濾波，同時進行過濾部分噪聲、閾值處理，得到掩模圖像，通過連通域分析得到單個霧滴沉積面積和直徑，如圖1所示，最后利用樣片霧滴擴散系數［8］換算單個霧滴體積直徑。

1.6?現場測試

試驗施藥機具為大疆T16，以清水為噴灑介質，采用大田模式，飛行速度3.5 m/s，噴幅寬度4.5 m，噴液量1.5 L/667 m2，2次測試飛行高度分別為1.5 m和2.5 m。

如圖2所示，設置1個長60 m，寬20 m的植保無人機噴灑試驗區。

在每個試驗區的中間設置3條平行的采樣線，采樣桿頂部距地面1 m，采樣線的長度為10 m，相鄰采樣線間隔10 m。采用間隔采樣方式，每隔0.5 m左右設置一個采樣點，每個采樣點距地面高度0.8 m處的正面和反面分別放置一張采樣片（圖3）。

采樣片回收及分析處理：在植保無人機噴灑作業結束后，對水敏紙進行拍照和回收掃描，利用航空噴霧質量檢測系統（J-02）、霧滴沉積分析系統（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）對樣片數據進行分析處理，記錄霧滴覆蓋密度、標準偏差和變異系數，并計算平均值，用變異系數來表示霧滴分布均勻度;記錄體積中值直徑、數量中值直徑和霧滴譜寬度，并計算平均值;記錄噴霧沉積量、標準偏差和變異系數，并計算平均值。

2?結果與分析

2.1?霧滴采集圖像比較

目前獲取霧滴圖像的方式主要有掃描和拍照，為確定最優霧滴圖像采集方式，開展了專用掃描儀與手機拍照成像質量對比試驗。分別用顯微鏡（LeicaM80）、榮耀6手機（Honor 6）、華為P9手機（Huawei P9）、手持式掃描裝置（V700N）4種設備對同一張水敏紙、同一目標區域的霧滴進行掃描和拍照，并將獲取的圖片導入圖像處理軟件，如圖4所示。經放大觀察后發現，V700N的成像質量明顯差于手機的成像質量，華為P9手機的成像質量幾乎與顯微鏡相當，如圖5所示。從圖4、圖5比較和綜合分析來看，智能手機采集霧滴沉積圖像的方式適用于航空噴霧作業質量現場檢測。

2.2?霧滴觀測分析

按照以上分析方法，對不同設備得到的霧滴沉積圖像進行分析，并結合顯微鏡肉眼讀取得到同一霧滴的觀測直徑，結果如表1所示。手持式掃描裝置（V700N）圖像采集質量較差，結果對于分析過程中的參數設置非常敏感，需要一種魯棒性、自適應性非常強的圖像處理方法才能進行有效分析，在此未做比較。

通過測試發現，肉眼讀數與顯微鏡圖像分析結果吻合，但由于肉眼讀數具有偶然性，并且對于非圓形區域難以得到有效等效直徑，因此顯微鏡圖像分析結果是相對權威的結果。經過對大小不同的10個霧滴的分析統計后得到如下結果：榮耀6平均偏差11.4 μm，華為P9平均偏差12.6 μm。

2.3?便攜式檢測儀

便攜式檢測儀（圖6）運用放大鏡原理，集成超高清微距鏡頭，以及鋰電池充電芯片、電源開關、環形LED燈、電位器及USB接口等電子器件，具有功能完善、體積小、重量輕、方便攜帶等優點，避免了在采集霧滴沉積圖像時周圍環境對成像質量的影響，以及常用霧滴采集裝置輔件多、質量大、不適宜作業現場檢測等問題。該檢測儀的充放電電壓為5 V，體積直徑66 mm、高48 mm;支持10倍光學變焦，分辨率可達5 μm/pix， 發光強度大于1 200 cd，待機時長為8 h。

2.4?專業檢測軟件

專業檢測軟件（圖7）結合航空噴霧質量檢測流程，利用數字圖像處理技術對獲取的霧滴沉積圖像進行處理和分析，得到霧滴直徑、霧滴數量、樣片面積、霧滴密度、沉積量及覆蓋率等霧滴沉積特征參數指標，以及航空噴霧質量檢測報告。該軟件支持快速檢測和專業檢測兩種模式，快速檢測用于檢測任務前的設備調試，以及單個采樣的數據統計。專業檢測可設置檢測任務信息，每個檢測任務下可設置多條采樣線，并且每條采樣線可設置的采樣點數可達近百個。

2.5?數據管理平臺

數據管理平臺（圖8）基于專業檢測軟件回傳數據可對用戶信息、檢測數據進行實時存儲、分類管理，主要包括首頁、基礎信息、快速檢測、專業檢測、檢測報告及系統管理等功能模塊。其中首頁主要介紹檢測流程和檢測方法，基礎信息用于檢測任務管理，快速檢測用于管理某檢測任務下的單張采樣片檢測數據，專業檢測用于管理某檢測任務下采樣線及采樣線樣片的檢測數據，檢測報告用于查看歷史數據并打印檢測報告，系統管理主要用于系統用戶的添加與刪除，以及系統日查看和系統通知的發布。

2.6?測試結果與分析

2020年4月11日上午，項目組在四川什邡結合無人機噴霧防治煙葉蚜蟲試驗，開展了航空噴霧質量檢測系統（J-02）、霧滴沉積分析系統（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）對噴霧采集樣片的比對檢測。噴霧試驗設置3個重復，測試結果見表2。表中設置的檢測指標項參考了民航行業標準《農業航空作業質量技術指標 第1部分：噴灑作業》（MH/T 1002.1-2016）;檢測結果為3個重復煙草植株冠層頂部檢測數據的平均值。

從表2可以看出，航空噴霧質量檢測系統（J-02）、霧滴沉積分析系統（IDAS PRO）和顯微鏡（Leica M80）3款不同檢測設備，對同一植保無人機噴灑作業質量檢測結果顯示：霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量及沉積量分布均勻度指標，J-02與Leica M80的檢測結果更接近。以顯微鏡（Leica M80）測定結果為參考值，J-02測定的各項檢測指標誤差均低于IDAS PRO，J-02與IDAS PRO兩種設備檢測的各項指標中霧滴覆蓋密度誤差最大，J-02測算的霧滴覆蓋密度絕對誤差和相對誤差分別為6.20和34.07%，而IDAS PRO測算的霧滴覆蓋密度絕對與相對誤差分別為10.40和57.14%，從上述分析表明J-02的檢測結果更可靠準確。

3?結論與建議

基于智能手機的航空噴霧質量檢測系統（J-02）測量得到的霧滴粒徑優于傳統檢測方法測量得到的結果，與顯微鏡測量結果非常接近，且體積小、質量輕，易于操作、攜帶，適用于航空噴霧質量現場檢測。

該系統的開發和應用，有利于提高航空噴霧作業質量檢測技術水平，促進航空噴霧作業設備及作業質量鑒定工作的順利開展，為行業主管部門開展現場監管提供了技術支持。

建議該系統（J-02）增加在固定翼飛機、直升機噴霧作業場景中應用測試與驗證，為改進系統性能和科研生產上的應用提供借鑒。

參考文獻

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［7］?中國民用航空局. 航空噴施設備的噴施率和分布模式測定：MH/T 1040－2011 ［S］. 北京： 中國民航出版社， 2016.

［8］?MAY K R. The measurement of airborne droplets by the magnesium oxide method ［J］， Journal of Scientific Instruments， 1950， 27（5），128-130.

（責任編輯：田?喆）