果树枝条修剪机械化及自动化研究进展

　　摘 要 枝条修剪是果树产业最为耗时耗力的工作环节，也是增产增效的重要保障‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 随着我国果业种植规模的不断扩大，果树修剪中工作效率低、成本高等弊端日益凸显，严重影响水果业的快速发展‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 文章通过梳理人工修剪、机械修剪的现状，结合当前果树剪枝机械化及自动化面临的诸多困境，阐述了修剪机械化及自动化的发展趋势，叙述了果树虚拟修剪技术。

　　关键词 果树剪枝机; 机械化; 自动化; 研究进展

　　水果产业是我国农业经济结构的重要支柱，也是实现经济效益和生态效益有机统一的重点产业，在现代农业发展进程中，果业常常被视为影响国家经济发展的重要因素之一。 随着农业产业结构和科学水平的不断优化，果树业的种植规模日趋增加，在十三五规划期间，果树绿色覆盖率超过了24%，水果业带来的经济效益达0.4 万亿元，占国民生产总值的0.06%，这也说明果树种植业已成为我国林果种植区的主要经济来源和产业支柱[1]。

　　作者简介：马 静 梁 堃

　　现阶段，果树修剪受生产方式、机械自动化水平及农户管理方式等因素制约，部分种植区的果树修枝还处于传统的人工修剪模式，修剪机械自动化程度低、管理效率低等弊端日益凸显，严重制约了果树业的经济发展。 尤其是传统的修剪模式人工成本持续递增，以下是2012—2019年我国果树修剪产业的人工成本变化趋势。 鉴于此，实现果树修剪机械化及自动化可极大提高果园管理效率，有效减少果农的工作量，同时现代化的修剪技术能够精确地修枝，且自动选择修剪方式，最大限度避免了对果树的伤害，因此，果树修剪机械化及自动化的快速实现是我国农业经济发展的迫切需求。

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　　1 果树剪枝机械化发展进程

　　一是人工修剪。 人工修枝是果树业常用的修剪方式，也是我国传统农业劳动密集型特征的体现，人工方式不受环境、地理条件制约，具有易于操作、机械结构简单、携带方便等特点，仍然是部分果树种植区修枝的主要方式。 但从另一个方面考虑，人工修剪虽相对简单，但实操中具有不可逆性，必须对种植户进行系统的培训。 在修枝过程中，需要长时间人工操作，高强度的修剪作业对体能提出了巨大的考验，尤其是大面积作业时，这种弊端会被无限放大，导致工作效率降低。 随着科学技术的发展，人工修剪机械也有了显著提升，比如现在市场上常见的电动修剪机、气动修剪机、车载修剪机等，但均具有噪音大、不易操作、持续时间短等方面的共性，常见的人工修剪机械特征，如表2所示。

　　二是机械修剪。 在20世纪80年代初期，水果产业开始快速兴起，随着种植面积和产业规模不断拓展，传统的人工修剪模式已无法满足农业生产的需求。 基于这种现状，半自动化修剪机械逐渐被研发，常见的果树修剪机械分为往复式刀和回旋式两大类，主要原理即刀具模型交错或均匀分布在刀架上，由动力机械(一般为拖拉机)通过液压系统驱动刀具定向往复回转或直线运动，从而达到修剪果树的目的，有效地代替了传统的人工修剪方式，一定程度上缓解了劳力、物力、财力投入大的弊端。 然而，机械修剪主要适应于果园粗犷式的修枝，对精细化的管理还无法大面积推广，仅在矮化密植的果园较为实用，表3为国内比较常见的半自动化修剪机械。

　　2 果树剪枝机械化及自动化发展研究

　　当前，我国的果树修剪机械化及自动化发展还处于初级阶段，随着果树行业修剪机械化程度不断深入，当前的修枝技术仍面临着操作性不强、成本投入高及破坏果树性大等困境，果业效益无法最大化。 鉴于这种现状，计算机网络技术在果树修剪中得到了广泛应用，主要表现在建立果树的修剪虚拟模型，即运用计算机系统在其内部构建虚拟的果树生长模型，通过可视化虚拟果树模型，并观测果树各部位的生理生长指标，比如光合特性、荧光特征、枝条数量及方向、树形变化等[2]。 通过修剪虚拟模型，结合计算机对搜集的数据科学分析，探索最合理科学的修剪方式，实现经济效益最大化，尽量避免人力、物力资源的浪费。 修剪虚拟模型技术主要包括3D虚拟重建技术、激光扫描技术及图像采集技术等手段，现阶段，学者通过相关的研究方法获得了不同类型果树的修剪参数，在部分种植区得到了广泛应用。

　　2.1 3D虚拟重建技术

　　3D虚拟重建技术是实现果树机械全自动化的前提，3D虚拟重建技术主要是将现实中的果树以3D模型形式展现在计算机虚拟网络中。 众所周知，在实际观测果树的相关指标时，单纯地依靠简单的仪器进行取样测量，客观性很差，收集的数据真实性有待商榷，无法真实了解果树的状态。 建立3D虚拟重建技术可有效地解决此类难点。 当前三维重建技术主要运用图像、激光扫描技术等[3]。

　　现阶段，果树虚拟修剪技术主要强调3D虚拟重建技术、激光扫描技术及图像采集技术等，尤其是3D虚拟重建技术是重点研究对象。 通过对数据、模型的科学分析，以达到合理的果树修剪和提高产量的目的。 3D虚拟重建技术的创新应用，可以迅速建立果树三维模型，彻底透析果树的各种形态，有效地避免了人工粗犷式的测量和收集数据，积极改进了客观性低、精度不准确等弊端[4]。

　　通过对3D虚拟模型参数的调整，有效解除对果树枝条和生理生长指标的影响，结合可视化技术将不同时期拓扑结构用三维模型形象地表现出来，同时，可有效地将果树剪枝后的生长生理情况动态监测，进一步克服传统的修剪机械破坏性高、不可逆转性等短板。 3D虚拟重建技术易受自然光照的影响，导致计算机对反馈回来的数据和影像分析与现实中果树形态无法有效匹配，进而无法实现数据处理、拓展和模型建立。 为减少自然光照对参数的影响，大部分3D虚拟重建技术主要运用于果树主体树干中，即使采取这种方式，也无法有效避免图像清晰度不足、扫面范围小的弊端。

　　2.2 激光扫描技术

　　即通过激光扫描来获取果树三维角度的数据，包括枝条径粗、枝条数量、叶面积指数、冠幅以及光合性能等指标，将获取的数据传输至计算机终端进行虚拟分析，最终为科学化的果树修剪提供技术支持。 激光扫描技术与数学模型、几何参数及估算方法有效结合，极大地改变了传统的监测手段，其具有精确度高、省时省力等优点，在果树机械修枝方面起到了重要作用。 激光扫描技术能够在不同时段获得果树不同部位的点云数据，如何将错综复杂的点云数据进行快速梳理和科学分析，并获得最终有效数据，是当前果树激光扫描技术必须突破的瓶颈。 激光扫描技术在数据采集方面具有很大优势，比如精度高、数据采集量大等，但在观测过程中收集数据耗时较长，尤其体现在对果树冠幅、叶面积指数等指标数据的扫描精度不高。

　　2.3 图像采集技术

　　图像采集技术是利用高清相机在不同维度和角度对果树进行详细拍摄，获取不同部位的图像信息，再通过计算机图像处理技术分层整合信息并构建三维模型的一种方法。 在果树修剪过程中，先在收集生理生长信息基础上，获取三维图像，运用3D模拟技术对果树不同部位进行分层建模。 在图像采集技术实践应用中，其主要通过计算机明暗图层变化来获得果树修剪的工艺参数。 因此，图像采集技术主要解决计算机成像视觉明暗问题，利用其技术优势恢复阴影形状。 随着计算机网络实现自动化的控制，在实践过程中可以发现，这种技术只能实现单纯的示意性修剪，交互作用方式通过数据处理实现，但缺乏果树真实感。

　　2.4 3D虚拟交互剪枝技术

　　在三维空间维度上实现模拟转化、仿真修剪的关键在于3D虚拟交互剪枝技术的成熟性。 现阶段，通过互联网信息化手段研究果树虚拟修剪已成为当前的一种创新方式，主要是将Unity3D虚拟现实技术与果树模拟修剪有效结合[5]。 首先，建立Unity3D载体平台，构建果树三维体系的模拟修剪系统，该系统所使用的Unity3D载体平台包括修剪教学、标准制定和自由变化模块，充分利用图像采集技术和互联网大数据收集系统最大限度解决在虚拟修剪过程中面临的网格化、场景设定等问题。 其次，将Unity3D虚拟现代技术与三维建模技术有效融合，通过数据的分析，准确把握果树修枝的节点。 现阶段，3D虚拟交互剪枝技术还处于初级研究阶段，只是试验性地在果园里展开了研究，未能将先进的理念和现实手段有效融合在一起，无法全面地实现果树剪枝机全机械化及自动化。 同时，参数的调整对3D虚拟交互剪枝技术应用极其重要，技术形态只是模拟出果树的生长状况，无法模拟周边的环境对枝条的交互影响，难以实现3D虚拟交互剪枝技术与微观生理指标的有机统一，从而不能从根本上达到增产增效的目的。

　　3 果树剪枝机械化及自动化发展趋势

　　果树机械修剪是果园管理和增产增效不可缺少的技术环节，现阶段，我国大面积的果树还在沿用传统的机械修剪方式，基于这种现状，实现果树剪枝全机械化及自动化迫在眉睫。

　　3.1 人工剪枝

　　当前，人工修剪工具的材质主要为钢铁，使用不便捷。 应积极地研发新能源材料，在满足使用强度的条件下，不断应用重量更加轻便的材料，降低劳动强度‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 其次，从人工修剪工具的结构设计方面考虑，优化创新修剪工具的结构，针对不同类型的果树品种和不同部位的枝条，科学合理地设计修剪工具结构。 对背跨式修剪机、气动修剪机而言，合理配套相应动力，同理，车载修剪机、电动修剪机应在现有技术基础上，研发体积更小、作业时间更长的机械。

　　3.2 剪枝机械

　　研发机械化及自动化修剪设备是当前果树产业和农业发展的必然需求。 随着计算机虚拟技术不断拓展延伸，结合修剪机械装备能够实现智能地识别、修枝作业，这也是修剪自动化研究未来的发展趋势。 在虚拟技术的支撑下，基于大数据分析、图像采集及激光扫描等先进手段，构建果树各部位的三维模型，对果树枝干自动识别、选择及剪除。 充分利用计算机模拟果树生长技术，对果树生理生长指标的数据动态分析，随时掌握果树生长发育、产量及品质状况，确定最终的修剪参数，自动化地控制机械完成修剪。 同时，建立修剪后检测系统，包括自动化修剪错误率、修剪时长、磨损率等，以便更全面掌握机械化及自动化修剪设备性能。

　　4 结语

　　实现果树修剪机全机械化和自动化对发展农业经济、提高管理效率、降低成本具有重要现实意义。 在传统的机械修剪的基础上，结合虚拟修剪技术，研发出适用于大规模果树产业生产的智能化设备，尽量避免人工操作的参与，提高经济效益。

　　参考文献

　　[1]武博文,刘云玲,何雄奎,等.国内外果树剪枝装备的应用现状及发展趋势[J].河北果树,2019(4):1-3,6.

　　[2]李强.履带自走式果园采摘与修剪综合作业平台的设计与试验[D].山东农业大学,2019.

　　[3]宋月鹏,耿晓阳,辛力,等.山东省果园机械化作业的现状与发展趋势[J].落叶果树,2018,50(2):27-33.

　　[4]李守根,康峰,李文彬,等.果树剪枝机械化及自动化研究进展[J].东北农业大学学报,2017,48(8):88-96.

　　[5]陈致欣.浅谈果树剪枝机械化及自动化研究进展[J].南方农机,2019,50(5):50.