基于植株冠层分层孔隙率的雾滴穿透量预测模型构建与试验研究

摘要

植株的药液利用率与植株冠层内部的沉积状况作为喷雾质量的衡量指标，一直被广泛关注，国内外专家学者从各个不同角度对其展开研究。植株的药液利用率主要受药液在植株冠层上的沉积影响。在喷杆喷雾过程中，药液通过植株冠层内部枝叶间的孔隙，从上而下层层穿透，沉积到各层叶片上，所以植株内部药液沉积的前提是药液穿透。植株冠层孔隙率及其分布，决定了雾滴穿透量的多少，而穿透量决定了药液在植株冠层内部及下方枝叶的沉积量，尤其对于高郁闭度冠层的植株，枝叶茂密，孔隙较少，药液不容易穿透，逐层衰减，导致下方植株枝叶很难获得药液，使得整体沉积状况极为不均匀。研究植株冠层内部孔隙的分布、大小以及孔隙与穿透量的关系对研究药液在枝叶上的沉积状况具有重要意义。本研究以花铃期棉花作为研究对象，探究高郁闭度植株冠层孔隙率与穿透量的关系，通过分层分区域的研究形式，基于高斯过程，构建出各种分层分区形式下的植株冠层孔隙率对穿透量的预测模型，并验证了模型的可靠性。 具体完成内容如下： （1）植株冠层分层分区孔隙率的测量与统计 选取四株植株围成矩形区域，将其均匀分为三层，且各层之间相互独立。利用激光测距原理对其孔隙率进行测量，通过区域划分的方式，得出各层各区域的孔隙率大小及其分布情况。 （2）植株冠层各层雾滴穿透量的测量 根据测量孔隙率时的植株冠层分层方式，在两层之间放置隔板承接雾滴，测得雾滴通过植株冠层的穿透量。 （3）植株冠层各层区域总穿透量的预测 将植株冠层各层不同分区的孔隙率作为输入量，区域总穿透量作为输出量，通过高斯过程进行回归拟合，构建并确立各层区域总穿透量的预测模型，各模型预测效果较为准确，上层的相对误差均值为1.31%，中层为1.46%，下层为6.10%。 （4）植株冠层各层分区穿透量的预测 将各层穿透量进行分区统计，得到两区域和四区域的穿透量分布，同样利用不同的孔隙率分区形式获得孔隙率对分区域穿透量的预测模型，得出两区域的各层预测模型预测的相对误差均值均在10%以内，四区域穿透量各层预测模型的相对误差均值最大在30%左右。 对于区域总穿透量的预测有明显的物理意义，预测效果最好。两区域穿透量的预测效果次之。这是由于雾滴在两区域之间有横向飞行和运输上的相互影响，对预测结果有一定影响。这种现象在四区域穿透量预测时更为明显，说明预测区域的大小会影响其预测模型的预测效果，当选择预测区域过小时，各区穿透量受其他区域的穿透量影响较大，说明区域选择的合理化是预测准确的前提。 论文通过测量分层孔隙率在植株群体上的分布规律，并且考虑农艺参数对孔隙率的影响，建立孔隙率分布与雾滴穿透量的关系，构建通过孔隙率预测穿透量的高斯过程回归预测模型，并验证了模型的可靠性，该模型可以较为准确地预测出植株冠层的穿透量，为后续植株内部沉积量的研究以及通过辅助气流等方式改变高郁闭度冠层孔隙率来增加药液在植株内部沉积量提供理论支撑。

目录

声明

1 引言

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 不同行株距下植株冠层分层孔隙率测量

2.1 植株模型的搭建与分层处理

2.1.1 植株模型的搭建

2.1.2 植株模型的分层处理

2.2 试验台整体架构与试验过程优化

2.2.1 试验台整体架构

2.2.2 试验过程优化

2.3 植株冠层分层孔隙率测量试验过程

2.3.1 试验过程设计

2.3.2 试验步骤

2.4 试验结果处理与分析

2.4.1 试验数据处理

2.4.2 试验数据分析

2.5 小结

3 不同行株距下植株冠层分层穿透量测量

3.1 分层穿透量测量试验过程

3.1.1 试验环境

3.1.2 试验过程

3.2 试验结果处理与分析

3.2.1 试验结果处理

3.2.2 试验结果分析

3.3 小结

4 植株冠层各层不同孔隙率下区域总穿透量预测模型构建

4.1 高斯过程回归与核函数

4.2 预测模型构建方案设计

4.2.1 基于高斯过程的预测模型建立过程

4.2.2 植株冠层各层区域划分及分区孔隙率统计

4.3 各层不同孔隙率下区域总穿透量预测模型构建

4.3.1 上层区域总穿透量预测模型构建

4.3.2 中层区域总穿透量预测模型构建

4.3.3 下层区域总穿透量预测模型构建

4.4 各层各种预测模型分析与最佳预测模型的选择

4.4.1 上层区域总穿透量预测模型的选择

4.4.2 中层区域总穿透量预测模型的选择

4.4.3 下层区域总穿透量预测模型的选择

4.5 小结

5 植株冠层各层不同孔隙率下分区穿透量预测模型构建

5.1 两区域穿透量预测模型构建

5.1.1 上层两区域穿透量预测模型

5.1.2 中层两区域穿透量预测模型

5.1.3 下层两区域穿透量预测模型

5.2 四区域穿透量预测模型构建

5.2.1 上层四区域穿透量预测模型

5.2.2 中层四区域穿透量预测模型

5.2.3 下层四区域穿透量预测模型

5.3 穿透量预测模型的讨论

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

在读硕士期间取得的主要学术成就