冬笋探测设备开发构想

章德友 张建华 李春霞 施惠江 张瑞华 秦勇强

(1 湖州市吴兴区妙西镇农业农村办公室 浙江湖州 313000；2 安吉县天荒坪镇人民政府 浙江安吉 313300；3 长兴县永绿林业发展中心 浙江长兴 313100；4 湖州市吴兴区道场乡农业农村办公室 浙江湖州 313001；5 杭州市临安区青山湖街道区域发展与治理中心 杭州 311305；6 湖州市生态林业保护研究中心 浙江湖州 313000)

冬笋是毛竹林经营收益的主要来源之一，冬笋采收是一项需要一定经验积累的技术工作。在实际生产中，上山采收冬笋者90%以上为超过60岁的人。随着中国城市化进程加快，年轻一代毛竹林经营业主，迫切需要简便、实用、智能化的冬笋探测技术装备[1]。冬笋是生长在土壤中的单个个体，一般位于地表以下15～25 cm处，原则上需在未露出地表时采挖，这就使得如何发现冬笋成为难题。科研人员不断探索实践，试图研发出探测地表下冬笋的探测设备，虽然取得了一些积极成果，但仍无法投入生产应用。本文从理论与实践想结合的角度，提出了研制冬笋探测设备的构想。

1 冬笋探测设备开发的技术条件

冬笋探测设备开发是一个涉及多学科理论、跨学科技术的应用工程，需要借鉴和应用现有的技术。

1.1 经验编程法

将长期以来竹农挖掘冬笋积累的经验和技术，进行系统、广泛、详尽的搜集整理，并应用现代监测设备和计算机编程技术，通过实地、实时的数据采集、验证，创建数据库，为建立冬笋搜寻系统提供技术支撑。基于竹林生长的立地条件即环境因子(土层深度、土壤结构等)、竹子的生长势即生物因子(分枝点、竹叶量、叶色浓度等)、冬笋生长状况即地下因子(竹鞭走向、笋芽萌发形成表层土壤裂缝、湿气等)等，建立智能识别数据库，运用现代信息(数字化)采集技术，双向交互叠加处理，建立冬笋查找识别系统。其逻辑框架见图1。

图1 构建冬笋识别系统的逻辑框架Fig. 1 Logical framework of constructing winter bamboo shoot detection system

1.2 雷达寻找法

即利用雷达或探地雷达[2]、三维绘图估测冬笋位置、形状、大小的寻找方法。就雷达本身而言，是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。用雷达寻找冬笋，关键是捕捉生长冬笋的周围电磁波，而冬笋发育生长是一个相对较长的过程，所能发出的电磁波也是极其微弱的；另一方面，电磁波本身的穿透力很弱，从发射到回波，都要穿越竹笋表层的泥土，因此利用该方法探测冬笋的难度较大。

1.3 红外成像法

红外探测技术分为主动和被动2种。主动红外探测技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术。被动红外探测技术的红外热成像不受雨雪、风霜等恶劣环境影响，成像清楚，准确度高，能识别伪装和抗干扰。红外热成像系统不像微光夜视仪那样借助自然光，而是靠目标与背景的辐射产生景物图像，因此红外热成像系统能24 h全天候工作，即使在白天也能通过热成像进行监控。从科学和技术发展的角度看，红外技术具有一定优势。可见光的存在是有条件的，而任何物体都是红外源，都在不停地辐射红外线，所以红外技术的应用将无处不在。

冬笋在生长过程中会产生热量(温度)，利用红外探测与成像技术，通过探测冬笋膨大集聚起来的碳水化合物，可以发现并找到冬笋。冬笋是一个相对活跃的地下生物因子，生长发育到一定程度以后，随着其生物量的积累，与周围土壤环境的相互作用越来越大，其散发的热量、湿度也会随之增大，这为成像探测创造了良好条件。

1.4 声波探测法

声波探测技术是一种岩石(体)测试技术。它根据弹性波在岩体中传播的原理，用仪器的发射系统向岩石(体)中发射声(超声)波，由接受系统接收。由于岩体的岩性、结构面特征、风化程度、应力状态、含水情况等地质因素都能直接引起声(超声)波波速、振幅和频率发生变化，因此可通过接收器所接受的声(超声)波波速、频率和振幅了解岩石(体)地质情况并求得岩石(体)某些力学参数(如泊松比、动弹性模量、抗压强度、弹性抗力系数等)和其他一些工程地质性质指标(如风化系数、裂隙系数、各向异性系数等)。

冬笋生长在土壤中，虽然与岩石体风化等特征区别极大，但与周边环境中的竹鞭、石块还是有明显不同，这种差别为声波探测提供了良好的基础。以声波探测为技术支撑，既可以借鉴生命探测仪技术模式，也可以在现有超声波技术的基础上进行二次开发。因为冬笋生长是地下比较活跃的生物因子，其挤压破土的能量释放及细胞分裂都会产生动静，只要捕捉到这些声息并进行处理，就能为找到冬笋提供保障。

1.5 仿生搜寻法

这是一种利用野生动物的嗅觉来搜寻冬笋的方法。野猪是寻找冬笋的高手，近年来随着野生动物保护力度的加大，各地都有遭受野猪毁坏冬笋的事件发生，有的成片竹林会被野猪一扫而光。仿生搜寻有2个途径：一是驯化动物(嗅觉灵敏的动物)，可以借鉴欧洲人利用猎狗寻找松露的成功做法；二是利用动物嗅觉特性进行仿生技术开发，这就要集中对野猪的嗅觉进行系统研究和监测，研究其内在机理，并应用现代技术手段开发相应的探测设备。

2 冬笋生长规律及主要特点

冬笋即毛竹的笋芽，在白露节气之后逐步由毛竹地下茎(竹鞭)的侧芽发育而成。开发冬笋探测设备，必须了解、掌握冬笋生长的基本规律和主要特点，由此研究相应的对策，制定一套性价比高、反应灵敏、便于操作、竹农认可的技术方案并付诸实施。

2.1 笋、竹、鞭之间的关系

笋、竹、鞭是一个相互依存、相互作用的集合体。笋芽萌发既离不开鞭，更离不开竹，在水分、光照、温度、肥料的共同作用下，竹鞭侧芽渐渐增大并发育成冬笋[3]。冬笋适宜在温度相对较低的条件下生长，周围环境温度、湿度都影响着冬笋的生长。

2.2 竹鞭与竹枝的关系

冬笋生长并不是完全无序的，其中最关键的要素就是竹鞭。竹鞭的走向又与笋成竹后的分枝方向密不可分。从冬笋到成竹无论怎样生长，它的竹鞭由进到出，基本都是沿直线向前的。从笋到竹，开枝散叶，而第1档竹枝的朝向，往往就是竹鞭前行的方向；当第1档竹枝有2个枝条时，竹鞭往往与生长势强的这根竹枝相关。因此，要探测冬笋必须先确定竹鞭的走向。

2.3 冬笋与竹鞭的关系

竹鞭是冬笋的立命之根，确定了竹鞭的方向，即可确定冬笋的大致范围。冬笋与竹鞭密不可分，竹鞭停止生长，冬笋就会萌动。探笋的过程，需人机合一。定鞭是找笋的前提，先确定出笋的大致范围，也就是在出鞭方向50～150 cm范围出笋的概率较高，可据此研发探测冬笋的设备。

2.4 冬笋与竹龄的关系

在毛竹2年一度的闭环周期中，当年成竹的新竹，需要大量养分供给，其养分积累无法满足笋芽萌发的基本条件，也自然没有冬笋，即“新竹生，鞭芽停”[4]。在一个闭环周期结束后，这条竹鞭上至少有2支竹子(1度和2度各一支)同时进行养分输送和积累，当出笋的各种条件成熟时，笋芽就会萌动并发育为笋。

2.5 冬笋生长的主要特性

冬笋是由多种物质组成的混合物，在生长过程会释放水分、热量和气味[5]。受周围环境因素和土壤因素的影响，人类很难察觉冬笋生长过程中发生的变化，但这种变化则能够被现代科技所探测。冬笋一般生长在15～25 cm的表层土壤中，在冬笋生长发育过程中随着笋体的膨大会越来越多地释放出水分、热量和气味，这对于探测冬笋是非常有用的信息。从现有技术来讲，探测浅表层土壤中这些信息的手段多种多样，研发冬笋探测设备可从水分、温度、气味这3个基本因子着手寻找对策。

3 冬笋探测设备开发的构想

开发冬笋探测设备没有现成的技术和产品可以借鉴，在此提出以下几点构想。

3.1 把握特点，掌握规律

在冬笋生长发育中，随着笋体的不断增大，其自身具有的3个特点逐步显现出来：一是水分的积累越来越多；二是笋体与周围环境的温度差别越来越大；三是笋体散发的气味越来越浓。因此，开发冬笋探测设备应掌握这些信息和规律。

3.2 科学监测，捕捉因子

科学监测笋体发育生长的动态进程。冬笋发育生长是一个动态且相对漫长的过程，而冬笋采收则是间歇性的。对探测设备开发者来讲，只有精准掌握冬笋生长进程中的动态信息，才能应用最适合的技术手段，研制出性价比高、实用性强、反应灵敏、轻便高效的探测设备[6]。目前，对于地下冬笋发育生长的全过程，并没有完整的数据可供参考和利用。因此，借助传感器监测笋体发育生长的全过程，收集整理动态实时数据，是开发探测设备的重要基础。这种数据采集是一个相对漫长的过程，应采集容易被现代技术捕捉到的最活跃、最核心的因子。这个因子应既具有排它性，又具有唯一性，还要有一定的穿透力。找到这个因子，开发冬笋探测设备就有了明确的方向和靶标。

3.3 技术嫁接，简单为先

冬笋探测设备是一种户外型、移动式装备。对设备开发者而言，在保证价格相对低廉的前提下，应优先考虑设备对特殊环境的适应性和可操作性，借助、嫁接与此相应的地下探测设备，将是一条捷径。对于由混合物构成的冬笋而言，在水分、温度、气味这3个基本因子中，究竟哪个因子的穿透力最强、最容易被捕捉，亦或这3种因子都非表现力极强的核心因子，其氨基酸含量是否能够成为定向靶标，是开发探测设备的关键。

与冬笋探测技术最类似、关联性最大的是地雷探测技术，而探雷器中最可借鉴的是炸药探测(即炸药的气味而非金属振荡回波)。以针式、手持或头盔式、背负式等探测设备为探测冬笋的优先选项，因为冬笋探测设备是一种辅助性生产工具，而且受地形、土壤、石头、杂草、天气等多重环境因素的制约，应在设备的形状、质量、体积上都要统筹考虑。在结构上应轻、巧、小、灵，在工作原理上应考虑水分、温度、气味、声音4个因子报警或任选3个因子报警，直至升级至2个因子报警。4个因子报警即每个因子数据变化峰值达到一定数值后，触发器翻转，当4个因子的触发器都翻转时，报警电路接通，3因子或2因子亦然。

4 结束语

冬笋探测设备的研发是一项复杂的课题，在引用、借鉴现有信息、技术的基础上，需要有所创新。从生产实际需求出发，开发适用的竹林经营设备，致力服务竹产业发展，对于乡村振兴、竹农致富意义重大。

本文仅从思路上阐述了冬笋探测设备的开发，有待于条件成熟时进行充分论证。建议跨学科、多学科的相关专家、学者联合攻关，为竹农致富和竹产业发展贡献力量。