基于随机森林模型对猕猴桃喷雾效果影响的喷雾机参数研究.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(11):114120ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.11.017基于随机森林模型对猕猴桃喷雾效果影响的喷雾机参数研究药林桃1,2,罗 翔1,2,曹晓林1,2*,曹中盛1,2,黄水金3,刘 洋1,2,胡妍月3,董力洪1,2(1.江西省农业科学院 农业工程研究所,江西 南昌 330200;2.江西省智能农机装备工程技术中心,江西 南昌 330200;3.江西省农业科学院 植物保护研究所,江西 南昌 330200)摘 要:在猕猴桃避雨棚内进行喷雾试验,测定不同行驶速度、喷嘴直径和喷雾压力的作业参数下,
2、不同高度叶片的雾滴密度、雾滴粒径、雾滴覆盖率,采用随机森林模型工具对喷雾效果进行分析。结果表明:机具运行参数以及对喷雾效果3个指标的平均重要性排序为喷嘴直径喷雾压力作业速度;在机具作业时,喷嘴直径越小喷雾压力越大,在机具作业速度越慢的情况下,雾滴密度越大雾滴覆盖率也越高。建立基于随机森林模型的喷雾效果预测模型,对不同高度的猕猴桃叶片喷雾效果试验数据进行预测,雾滴密度真实值与预测值R2达0.8759,雾滴覆盖率真实值与预测值R2达0.8208,预测效果较好。探讨遥控履带自走式风送喷雾机作业参数对喷雾效果的影响,以期为提高机具作业质量和果农的使用效率提供技术参考。关键词:风送喷雾机;雾滴密度;雾滴
3、粒径;雾滴覆盖率;随机森林 中图分类号:S66 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)11-0114-07Impact of Sprayer Parameters on Kiwi Fruit Spraying Effect Based on Random Forest Model YAOLin-tao1,2,LUOXiang1,2,CAOXiao-lin1,2*,CAOZhong-sheng1,2,HUANGShui-jin3,LIUYang1,2,HUYan-yue3,DONGLi-hong1,2 (1.InstituteofAgriculturalEngineering,
4、JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China;2.JiangxiEngineeringTechnologyResearchCenterofIntelligentAgriculturalMachineryEquipment,Nanchang330200,China;3.InstituteofPlantProtection,JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China)Abstract:Thespraytestwasconductedinthekiwifrui
5、tsheltertodeterminethefogdropletdensity,sizeandcoveragerateofleavesatdifferentheightsunderdifferentoperatingparameterssuchasworkingspeed,nozzlediameterandspraypressure.Therandomforestalgorithmmodelwasusedtoanalyzethesprayeffect.Theresultsshowedthattheaverageimportanceoftheoperatingparametersontheden
6、sity,particlesizeandcoveragerateofthedropletswasasfollows:nozzlediameterspraypressureoperationspeed.Thesmallerthenozzlediameter,thelargerthespraypressureandtheslowerthemachineoperationspeed,thehigherthedropletdensityandthehigherthedropletcoveragerate.Therandomforestpredictionmodelofsprayeffectwasest
7、ablishedtopredicttheexperimentaldataofkiwifruitleafsprayeffectatdifferentheights.TherealandpredictedvaluesofdropletdensityanddropletcoverageR2reached0.8759,andthepredictedvaluesofdropletcoverageR2reached0.8208,indicatingagoodpredictioneffect.Theinfluenceofoperatingparametersofremotecontroltrackself-
8、propelledair-fedsprayeronsprayingeffectwasdiscussed,inordertoprovidetechnicalreferenceforimprovingtheworkingqualityofthemachineandtheefficiencyoffruitgrowers.Key words:Air-fedsprayer;Fogdropletdensity;Fogdropletsize;Fogdropletcoveragerate;Randomforest0 引言果树植保是果园管理中非常重要的环节之一,直接决定了果树的产量和质量1,其工作量占果园管理工
9、作的30%左右2,现阶段果园植保的主要收稿日期:2023-08-19基金项目:江西省农业农村重点项目(JXNK20230804);江西省重大科技研发专项课题(20203ABC28W014-4);江西省农机装备应用产业技术体系果业生产机械化岗(JXARS-21)。作者简介:药林桃(1977),女,山西太谷人,副研究员,硕士,主要从事农业机械化研究。*通信作者:曹晓林。11 期药林桃等:基于随机森林模型对猕猴桃喷雾效果影响的喷雾机参数研究115作业方式是喷雾作业3,其中风送式喷雾机是果园施药最常用的装备。遥控履带自走式风送喷雾机是一种人机分离、工作强度低、安全性好、用药省、防效高的喷雾设备,适用于
10、果园、温室大棚内的植保作业4。风送喷雾机不同的喷头类型5、喷雾压力6、作业速度对雾滴沉积均有显著影响,通过调整参数,可以最大程度地提高农药利用率和雾滴沉积分布效果7,减少农药流失。Cross等8探究了风送喷雾机风量、喷头雾化质量、喷头流量等3个因素对苹果树施药效果的影响。贾晓曼等9研究了苹果园内风送式塔型喷雾机在不同喷头数量下的农药利用率和喷雾效果,其中16个喷头的农药利用率较高,32个喷头的雾滴穿透性较好。翟浩等10在5年生现代矮砧栽培苹果园中进行了风送式喷雾机的喷雾性能评价试验,结果表明风送式喷雾机适用于矮砧密植集约栽培苹果园。植保喷雾是一个复杂的过程,需要有强大的非线性逼近能力的模型,综
11、合作物冠层形态、郁闭度和枝叶力学参数以及机具工作参数、工作环境等因素,才能够实现最少药液用量和最佳喷雾效果的双重目标11。张鹏九等12结合果树冠层特征与叶面沉积量直接测算了农药药液在果树靶标上有效沉积率的方法,建立了一种适用于不同栽种模式的果园通用农药沉积率计算方法。刘冬梅等13通过正交试验方法对茶园地面低容量喷雾的雾滴沉积性能进行了探究,试验结果表明当茶树喷雾容量低时,雾滴平均沉积密度均大于26个/cm2,冠层顶部的变异系数均小于标准中规定的0.5,满足国家标准中对于农药喷雾机喷洒的质量要求。郭爱静14将植保机械喷头的磨损与工作压力、喷药高度和植保机运行速度4种影响因素作为输入,采用深度置信
12、网络模型建立了喷药分布均匀性的软测量模型。Breiman15在2001年提出了随机森林模型(RandomForest,RF),其目前已经发展成为数据挖掘、生物信息学等领域最常用的工具之一16。RF具有很高的预测准确率,对异常值和噪声具有很强的容忍度17,能够处理高维数据(变量个数远大于观测个数),可用于分析非线性、具有共线性和交互作用的数据,并且在分析数据的同时能够给出变量重要性评分(variableimportancemeasures,VIM)。采用随机森林模型对喷雾效果分析预测,能够有效避免了过拟合问题且在一定程度上能纠正局部过拟合,相较以往研究的使用方法,具有更好的泛化性能、鲁棒性和模型
13、稳定性18。基于上述分析,笔者在猕猴桃避雨棚内进行喷雾试验,在不同作业速度、喷嘴直径和喷雾压力情况下,测定不同高度叶片的雾滴密度、雾滴平均粒径、雾滴覆盖率,开展遥控履带自走式风送喷雾机作业参数对喷雾效果的重要性分析,探索影响喷雾效果的主导特征因素,建立估算模型并验证,通过模型比较,摸索并优化遥控履带自走式风送喷雾机的施药参数,达到精准施药的目的。1 材料与方法1.1 试验器材本研究使用洛阳玛斯特公司生产的遥控履带自走式风送喷雾机,配套动力为28kW,遥控距离50m,风机叶轮直径700mm,7个喷头,半环形分布,喷雾半径67m,药箱容积300L,工作压力为1.53.5MPa,机具尺寸2.5m1.
14、2m1.0m。水敏纸尺寸为26mm76mm。使用大疆公司生产的雾滴分析仪配合智能手机分析雾滴图像。1.2 试验地概况试验地点设在奉新县赤岸镇一处采用简易避雨栽培架种植模式的猕猴桃园,占地面积20hm2,避雨棚长度200m,结构尺寸见图1。棚架搭建以立柱、钢筋、镀锌钢管、塑料薄膜为材料,立柱采用8.0cm8.0cm3.5m水泥柱,水泥柱埋入地下0.6m,地上2.9m,拱高0.9m,间隔3m,棚顶以10mm钢筋弯拱,间隔0.6m,棚顶纵向采用3根25mm镀锌钢管构建,上覆薄膜,并以压膜线固定;每隔3m1根6mm热镀锌绞线横梁,横梁之间均采用钢丝联结。1.3 试验方法试验设置遥控履带自走式风送喷雾机
15、2组压力、2种作业速度、3组不同喷嘴直径的喷头,总共12个处理,使用清水喷雾(表1)。每个处理按机具前进方向每隔5m取5排,依据棚架结构和猕猴桃树生长情况,分别在2和2.3m高度按图2所标注的位置各取5片树叶,在每片叶的正、反面分别固定1张水敏纸,12个处理共计1200张。喷雾结束后,水敏纸晾干,现场读取数据。1.4 数据采集本文采用大疆公司生产的雾滴分析仪配合智能手机进行拍照,其中雾滴分析仪内置补光灯和高清镜头模组,有助于获得清晰、标准的雾滴图江 西 农 业 学 报35 卷116像,然后将获取的雾滴图片上传到电脑并进行分析,获得雾滴密度(droplet/cm2)、雾滴粒径(m)、雾滴覆盖率(
16、%)等信息。2.8m0.2m0.9m0.6m2m3m0.6m图1 避雨栽培猕猴桃园结构图图2 喷雾作业现场示意图和取样图表1 试验处理设计处理作业速度/(km/h)压力/MPa喷嘴直径/mmS2V2R30220.30S2V2R35220.35S2V2R50220.50S2V3R30230.30S2V3R35230.35S2V3R50230.50S3V2R30320.30S3V2R35320.35S3V2R50320.50S3V3R30330.30S3V3R35330.35S3V3R50330.501.5 数据处理本文采用随机森林模型进行数据分析,探讨机具运行参数与喷雾效果之间的关系,并建立喷雾
17、效果的预测模型。本试验通过EXCEL2016及SPSS18.0软件对数据进行分析和验证,试验结果表示为平均值,使用“RandomForest”R软件包随机森林分类模型以及对重要特征因素的选择进行预测与分析建模。通过整理所有1200条喷雾效果及其影响特征因素的数据,随机选取共960条数据作为随机森林模型的训练样本。在避雨棚内进行喷雾,不用考虑风向、风速等外部环境因素的影响,因此,以喷雾机作业速度(km/h)、喷嘴直径(mm)以及喷雾压力(MPa)3个特征因素作为变量,利用随机森林模型对喷雾效果进行分析,利用剩余的240条数据作为测试数据进行模型验证分析。2 结果与分析2.1 喷雾效果影响特征因素
18、分析2.1.1 随机森林对特征重要性的评估方法 本文采用随机森林的变量重要度评分对特征重要性进行评估,计算每个特征对随机森林里每棵树做的贡献值后取其平均值,对特征之间的贡献值进行比较、排序,通过Gini值来进行评价19,将变量的重要性评分用VIM来表示,Gini值用GI表示,假设有m个特征X1,X2,.,Xc,计算出每个特征Xj的Gini指数评分VIMj,即第j个特征在随机森林所有决策树中节点分裂不纯度的平均改变量,Gini指数的计算公式为:GIm=1-|K|k=1p2mk (1)式(1)中,k表示有k个类别,pmk表示节点m中类别k所占的比例。特征Xj在节点m的重要性,即节点m分支前后11
19、期药林桃等:基于随机森林模型对猕猴桃喷雾效果影响的喷雾机参数研究117Gini指数变化量的计算公式为:VIMjmgini=GIm-GIl-GIr (2)式(2)中,GIl和GIr分别表示分枝后,2个新节点的Gini指数。如果特征Xj在决策树i中出现的节点在集合M中,那么Xj在第i棵树的重要性为:VIMijgini=mMVIMjmgini (3)假设随机森林共有n棵树,那么:VIM jgini=ni=1VIMijgini (4)最后将所有求得的重要性评分进行归一化处理便得到了各分项的重要性评分:VIMj=VIMjci=1VIMi (5)2.1.2 影响喷雾效果3个特征因素的重要性分析 本文对各特
20、征变量Gini指数进行标准化处理,通过直方图反映各个特征的相对重要性(图3)。由图3可以看出,3个特征因素对雾滴密度和雾滴覆盖率的影响程度要大于雾滴粒径;对雾滴密度和雾滴覆盖率的影响,高度2m的叶片要大于2.3m的叶片,而对雾滴粒径的影响,2.3m的叶片大于2m的叶片。综合分析数据可知,机具作业参数对雾滴密度的重要性程度排序:喷嘴直径喷雾压力作业速度;对雾滴粒径的重要性程度排序:喷雾压力喷嘴直径作业速度,喷雾压力、喷嘴直径和作业速度对雾滴粒径的影响不大;对雾滴覆盖率的重要性程度排序:喷嘴直径喷雾压力作业速度。3个特征因素中喷嘴直径的重要性程度最高,说明喷头对喷雾效果的影响最大。特征重要性VIM
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