章德友 張建華 李春霞 施惠江 張瑞華 秦勇強

(1 湖州市吳興區(qū)妙西鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室 浙江湖州 313000；2 安吉縣天荒坪鎮(zhèn)人民政府 浙江安吉 313300；3 長興縣永綠林業(yè)發(fā)展中心 浙江長興 313100；4 湖州市吳興區(qū)道場鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室 浙江湖州 313001；5 杭州市臨安區(qū)青山湖街道區(qū)域發(fā)展與治理中心 杭州 311305；6 湖州市生態(tài)林業(yè)保護研究中心 浙江湖州 313000)

冬筍是毛竹林經(jīng)營收益的主要來源之一，冬筍采收是一項需要一定經(jīng)驗積累的技術工作。在實際生產(chǎn)中，上山采收冬筍者90%以上為超過60歲的人。隨著中國城市化進程加快，年輕一代毛竹林經(jīng)營業(yè)主，迫切需要簡便、實用、智能化的冬筍探測技術裝備[1]。冬筍是生長在土壤中的單個個體，一般位于地表以下15～25 cm處，原則上需在未露出地表時采挖，這就使得如何發(fā)現(xiàn)冬筍成為難題。科研人員不斷探索實踐，試圖研發(fā)出探測地表下冬筍的探測設備，雖然取得了一些積極成果，但仍無法投入生產(chǎn)應用。本文從理論與實踐想結合的角度，提出了研制冬筍探測設備的構想。

1 冬筍探測設備開發(fā)的技術條件

冬筍探測設備開發(fā)是一個涉及多學科理論、跨學科技術的應用工程，需要借鑒和應用現(xiàn)有的技術。

1.1 經(jīng)驗編程法

將長期以來竹農(nóng)挖掘冬筍積累的經(jīng)驗和技術，進行系統(tǒng)、廣泛、詳盡的搜集整理，并應用現(xiàn)代監(jiān)測設備和計算機編程技術，通過實地、實時的數(shù)據(jù)采集、驗證，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，為建立冬筍搜尋系統(tǒng)提供技術支撐?；谥窳稚L的立地條件即環(huán)境因子(土層深度、土壤結構等)、竹子的生長勢即生物因子(分枝點、竹葉量、葉色濃度等)、冬筍生長狀況即地下因子(竹鞭走向、筍芽萌發(fā)形成表層土壤裂縫、濕氣等)等，建立智能識別數(shù)據(jù)庫，運用現(xiàn)代信息(數(shù)字化)采集技術，雙向交互疊加處理，建立冬筍查找識別系統(tǒng)。其邏輯框架見圖1。

圖1 構建冬筍識別系統(tǒng)的邏輯框架Fig. 1 Logical framework of constructing winter bamboo shoot detection system

1.2 雷達尋找法

即利用雷達或探地雷達[2]、三維繪圖估測冬筍位置、形狀、大小的尋找方法。就雷達本身而言，是利用電磁波探測目標的電子設備。雷達發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。用雷達尋找冬筍，關鍵是捕捉生長冬筍的周圍電磁波，而冬筍發(fā)育生長是一個相對較長的過程，所能發(fā)出的電磁波也是極其微弱的；另一方面，電磁波本身的穿透力很弱，從發(fā)射到回波，都要穿越竹筍表層的泥土，因此利用該方法探測冬筍的難度較大。

1.3 紅外成像法

紅外探測技術分為主動和被動2種。主動紅外探測技術是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術。被動紅外探測技術的紅外熱成像不受雨雪、風霜等惡劣環(huán)境影響，成像清楚，準確度高，能識別偽裝和抗干擾。紅外熱成像系統(tǒng)不像微光夜視儀那樣借助自然光，而是靠目標與背景的輻射產(chǎn)生景物圖像，因此紅外熱成像系統(tǒng)能24 h全天候工作，即使在白天也能通過熱成像進行監(jiān)控。從科學和技術發(fā)展的角度看，紅外技術具有一定優(yōu)勢?？梢姽獾拇嬖谑怯袟l件的，而任何物體都是紅外源，都在不停地輻射紅外線，所以紅外技術的應用將無處不在。

冬筍在生長過程中會產(chǎn)生熱量(溫度)，利用紅外探測與成像技術，通過探測冬筍膨大集聚起來的碳水化合物，可以發(fā)現(xiàn)并找到冬筍。冬筍是一個相對活躍的地下生物因子，生長發(fā)育到一定程度以后，隨著其生物量的積累，與周圍土壤環(huán)境的相互作用越來越大，其散發(fā)的熱量、濕度也會隨之增大，這為成像探測創(chuàng)造了良好條件。

1.4 聲波探測法

聲波探測技術是一種巖石(體)測試技術。它根據(jù)彈性波在巖體中傳播的原理，用儀器的發(fā)射系統(tǒng)向巖石(體)中發(fā)射聲(超聲)波，由接受系統(tǒng)接收。由于巖體的巖性、結構面特征、風化程度、應力狀態(tài)、含水情況等地質(zhì)因素都能直接引起聲(超聲)波波速、振幅和頻率發(fā)生變化，因此可通過接收器所接受的聲(超聲)波波速、頻率和振幅了解巖石(體)地質(zhì)情況并求得巖石(體)某些力學參數(shù)(如泊松比、動彈性模量、抗壓強度、彈性抗力系數(shù)等)和其他一些工程地質(zhì)性質(zhì)指標(如風化系數(shù)、裂隙系數(shù)、各向異性系數(shù)等)。

冬筍生長在土壤中，雖然與巖石體風化等特征區(qū)別極大，但與周邊環(huán)境中的竹鞭、石塊還是有明顯不同，這種差別為聲波探測提供了良好的基礎。以聲波探測為技術支撐，既可以借鑒生命探測儀技術模式，也可以在現(xiàn)有超聲波技術的基礎上進行二次開發(fā)。因為冬筍生長是地下比較活躍的生物因子，其擠壓破土的能量釋放及細胞分裂都會產(chǎn)生動靜，只要捕捉到這些聲息并進行處理，就能為找到冬筍提供保障。

1.5 仿生搜尋法

這是一種利用野生動物的嗅覺來搜尋冬筍的方法。野豬是尋找冬筍的高手，近年來隨著野生動物保護力度的加大，各地都有遭受野豬毀壞冬筍的事件發(fā)生，有的成片竹林會被野豬一掃而光。仿生搜尋有2個途徑：一是馴化動物(嗅覺靈敏的動物)，可以借鑒歐洲人利用獵狗尋找松露的成功做法；二是利用動物嗅覺特性進行仿生技術開發(fā)，這就要集中對野豬的嗅覺進行系統(tǒng)研究和監(jiān)測，研究其內(nèi)在機理，并應用現(xiàn)代技術手段開發(fā)相應的探測設備。

2 冬筍生長規(guī)律及主要特點

冬筍即毛竹的筍芽，在白露節(jié)氣之后逐步由毛竹地下莖(竹鞭)的側芽發(fā)育而成。開發(fā)冬筍探測設備，必須了解、掌握冬筍生長的基本規(guī)律和主要特點，由此研究相應的對策，制定一套性價比高、反應靈敏、便于操作、竹農(nóng)認可的技術方案并付諸實施。

2.1 筍、竹、鞭之間的關系

筍、竹、鞭是一個相互依存、相互作用的集合體。筍芽萌發(fā)既離不開鞭，更離不開竹，在水分、光照、溫度、肥料的共同作用下，竹鞭側芽漸漸增大并發(fā)育成冬筍[3]。冬筍適宜在溫度相對較低的條件下生長，周圍環(huán)境溫度、濕度都影響著冬筍的生長。

2.2 竹鞭與竹枝的關系

冬筍生長并不是完全無序的，其中最關鍵的要素就是竹鞭。竹鞭的走向又與筍成竹后的分枝方向密不可分。從冬筍到成竹無論怎樣生長，它的竹鞭由進到出，基本都是沿直線向前的。從筍到竹，開枝散葉，而第1檔竹枝的朝向，往往就是竹鞭前行的方向；當?shù)?檔竹枝有2個枝條時，竹鞭往往與生長勢強的這根竹枝相關。因此，要探測冬筍必須先確定竹鞭的走向。

2.3 冬筍與竹鞭的關系

竹鞭是冬筍的立命之根，確定了竹鞭的方向，即可確定冬筍的大致范圍。冬筍與竹鞭密不可分，竹鞭停止生長，冬筍就會萌動。探筍的過程，需人機合一。定鞭是找筍的前提，先確定出筍的大致范圍，也就是在出鞭方向50～150 cm范圍出筍的概率較高，可據(jù)此研發(fā)探測冬筍的設備。

2.4 冬筍與竹齡的關系

在毛竹2年一度的閉環(huán)周期中，當年成竹的新竹，需要大量養(yǎng)分供給，其養(yǎng)分積累無法滿足筍芽萌發(fā)的基本條件，也自然沒有冬筍，即“新竹生，鞭芽?！盵4]。在一個閉環(huán)周期結束后，這條竹鞭上至少有2支竹子(1度和2度各一支)同時進行養(yǎng)分輸送和積累，當出筍的各種條件成熟時，筍芽就會萌動并發(fā)育為筍。

2.5 冬筍生長的主要特性

冬筍是由多種物質(zhì)組成的混合物，在生長過程會釋放水分、熱量和氣味[5]。受周圍環(huán)境因素和土壤因素的影響，人類很難察覺冬筍生長過程中發(fā)生的變化，但這種變化則能夠被現(xiàn)代科技所探測。冬筍一般生長在15～25 cm的表層土壤中，在冬筍生長發(fā)育過程中隨著筍體的膨大會越來越多地釋放出水分、熱量和氣味，這對于探測冬筍是非常有用的信息。從現(xiàn)有技術來講，探測淺表層土壤中這些信息的手段多種多樣，研發(fā)冬筍探測設備可從水分、溫度、氣味這3個基本因子著手尋找對策。

3 冬筍探測設備開發(fā)的構想

開發(fā)冬筍探測設備沒有現(xiàn)成的技術和產(chǎn)品可以借鑒，在此提出以下幾點構想。

3.1 把握特點，掌握規(guī)律

在冬筍生長發(fā)育中，隨著筍體的不斷增大，其自身具有的3個特點逐步顯現(xiàn)出來：一是水分的積累越來越多；二是筍體與周圍環(huán)境的溫度差別越來越大；三是筍體散發(fā)的氣味越來越濃。因此，開發(fā)冬筍探測設備應掌握這些信息和規(guī)律。

3.2 科學監(jiān)測，捕捉因子

科學監(jiān)測筍體發(fā)育生長的動態(tài)進程。冬筍發(fā)育生長是一個動態(tài)且相對漫長的過程，而冬筍采收則是間歇性的。對探測設備開發(fā)者來講，只有精準掌握冬筍生長進程中的動態(tài)信息，才能應用最適合的技術手段，研制出性價比高、實用性強、反應靈敏、輕便高效的探測設備[6]。目前，對于地下冬筍發(fā)育生長的全過程，并沒有完整的數(shù)據(jù)可供參考和利用。因此，借助傳感器監(jiān)測筍體發(fā)育生長的全過程，收集整理動態(tài)實時數(shù)據(jù)，是開發(fā)探測設備的重要基礎。這種數(shù)據(jù)采集是一個相對漫長的過程，應采集容易被現(xiàn)代技術捕捉到的最活躍、最核心的因子。這個因子應既具有排它性，又具有唯一性，還要有一定的穿透力。找到這個因子，開發(fā)冬筍探測設備就有了明確的方向和靶標。

3.3 技術嫁接，簡單為先

冬筍探測設備是一種戶外型、移動式裝備。對設備開發(fā)者而言，在保證價格相對低廉的前提下，應優(yōu)先考慮設備對特殊環(huán)境的適應性和可操作性，借助、嫁接與此相應的地下探測設備，將是一條捷徑。對于由混合物構成的冬筍而言，在水分、溫度、氣味這3個基本因子中，究竟哪個因子的穿透力最強、最容易被捕捉，亦或這3種因子都非表現(xiàn)力極強的核心因子，其氨基酸含量是否能夠成為定向靶標，是開發(fā)探測設備的關鍵。

與冬筍探測技術最類似、關聯(lián)性最大的是地雷探測技術，而探雷器中最可借鑒的是炸藥探測(即炸藥的氣味而非金屬振蕩回波)。以針式、手持或頭盔式、背負式等探測設備為探測冬筍的優(yōu)先選項，因為冬筍探測設備是一種輔助性生產(chǎn)工具，而且受地形、土壤、石頭、雜草、天氣等多重環(huán)境因素的制約，應在設備的形狀、質(zhì)量、體積上都要統(tǒng)籌考慮。在結構上應輕、巧、小、靈，在工作原理上應考慮水分、溫度、氣味、聲音4個因子報警或任選3個因子報警，直至升級至2個因子報警。4個因子報警即每個因子數(shù)據(jù)變化峰值達到一定數(shù)值后，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，當4個因子的觸發(fā)器都翻轉(zhuǎn)時，報警電路接通，3因子或2因子亦然。

4 結束語

冬筍探測設備的研發(fā)是一項復雜的課題，在引用、借鑒現(xiàn)有信息、技術的基礎上，需要有所創(chuàng)新。從生產(chǎn)實際需求出發(fā)，開發(fā)適用的竹林經(jīng)營設備，致力服務竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于鄉(xiāng)村振興、竹農(nóng)致富意義重大。

本文僅從思路上闡述了冬筍探測設備的開發(fā)，有待于條件成熟時進行充分論證。建議跨學科、多學科的相關專家、學者聯(lián)合攻關，為竹農(nóng)致富和竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻力量。