果樹枝條修剪機械化及自動化研究進展

馬 靜 梁 堃

（寧夏工商職業技術學院 寧夏銀川 750001）

水果產業是我國農業經濟結構的重要支柱，也是實現經濟效益和生態效益有機統一的重點產業，在現代農業發展進程中，果業常常被視為影響國家經濟發展的重要因素之一。隨著農業產業結構和科學水平的不斷優化，果樹業的種植規模日趨增加，在十三五規劃期間，果樹綠色覆蓋率超過了24%，水果業帶來的經濟效益達0.4 萬億元，占國民生產總值的0.06%，這也說明果樹種植業已成為我國林果種植區的主要經濟來源和產業支柱[1]。

現階段，果樹修剪受生產方式、機械自動化水平及農戶管理方式等因素制約，部分種植區的果樹修枝還處于傳統的人工修剪模式，修剪機械自動化程度低、管理效率低等弊端日益凸顯，嚴重制約了果樹業的經濟發展。尤其是傳統的修剪模式人工成本持續遞增，以下是2012—2019年我國果樹修剪產業的人工成本變化趨勢，如表1所示。鑒于此，實現果樹修剪機械化及自動化可極大提高果園管理效率，有效減少果農的工作量，同時現代化的修剪技術能夠精確地修枝，且自動選擇修剪方式，最大限度避免了對果樹的傷害，因此，果樹修剪機械化及自動化的快速實現是我國農業經濟發展的迫切需求。

表1 2012年—2019年我國果樹修剪產業的人工成本變化

1 果樹剪枝機械化發展進程

一是人工修剪。人工修枝是果樹業常用的修剪方式，也是我國傳統農業勞動密集型特征的體現，人工方式不受環境、地理條件制約，具有易于操作、機械結構簡單、攜帶方便等特點，仍然是部分果樹種植區修枝的主要方式。但從另一個方面考慮，人工修剪雖相對簡單，但實操中具有不可逆性，必須對種植戶進行系統的培訓。在修枝過程中，需要長時間人工操作，高強度的修剪作業對體能提出了巨大的考驗，尤其是大面積作業時，這種弊端會被無限放大，導致工作效率降低。隨著科學技術的發展，人工修剪機械也有了顯著提升，比如現在市場上常見的電動修剪機、氣動修剪機、車載修剪機等，但均具有噪音大、不易操作、持續時間短等方面的共性，常見的人工修剪機械特征，如表2所示。

二是機械修剪。在20世紀80年代初期，水果產業開始快速興起，隨著種植面積和產業規模不斷拓展，傳統的人工修剪模式已無法滿足農業生產的需求。基于這種現狀，半自動化修剪機械逐漸被研發，常見的果樹修剪機械分為往復式刀和回旋式兩大類，主要原理即刀具模型交錯或均勻分布在刀架上，由動力機械（一般為拖拉機）通過液壓系統驅動刀具定向往復回轉或直線運動，從而達到修剪果樹的目的，有效地代替了傳統的人工修剪方式，一定程度上緩解了勞力、物力、財力投入大的弊端。然而，機械修剪主要適應于果園粗獷式的修枝，對精細化的管理還無法大面積推廣，僅在矮化密植的果園較為實用，表3為國內比較常見的半自動化修剪機械。

2 果樹剪枝機械化及自動化發展研究

當前，我國的果樹修剪機械化及自動化發展還處于初級階段，隨著果樹行業修剪機械化程度不斷深入，當前的修枝技術仍面臨著操作性不強、成本投入高及破壞果樹性大等困境，果業效益無法最大化。鑒于這種現狀，計算機網絡技術在果樹修剪中得到了廣泛應用，主要表現在建立果樹的修剪虛擬模型，即運用計算機系統在其內部構建虛擬的果樹生長模型，通過可視化虛擬果樹模型，并觀測果樹各部位的生理生長指標，比如光合特性、熒光特征、枝條數量及方向、樹形變化等[2]。通過修剪虛擬模型，結合計算機對搜集的數據科學分析，探索最合理科學的修剪方式，實現經濟效益最大化，盡量避免人力、物力資源的浪費。修剪虛擬模型技術主要包括3D 虛擬重建技術、激光掃描技術及圖像采集技術等手段，現階段，學者通過相關的研究方法獲得了不同類型果樹的修剪參數，在部分種植區得到了廣泛應用。

表2 常見人工修剪機械特征

表3 常見的半自動化果樹修剪機械

2.1 3D 虛擬重建技術

3D 虛擬重建技術是實現果樹機械全自動化的前提，3D虛擬重建技術主要是將現實中的果樹以3D 模型形式展現在計算機虛擬網絡中。眾所周知，在實際觀測果樹的相關指標時，單純地依靠簡單的儀器進行取樣測量，客觀性很差，收集的數據真實性有待商榷，無法真實了解果樹的狀態。建立3D 虛擬重建技術可有效地解決此類難點。當前三維重建技術主要運用圖像、激光掃描技術等[3]。

現階段，果樹虛擬修剪技術主要強調3D 虛擬重建技術、激光掃描技術及圖像采集技術等，尤其是3D 虛擬重建技術是重點研究對象。通過對數據、模型的科學分析，以達到合理的果樹修剪和提高產量的目的。3D 虛擬重建技術的創新應用，可以迅速建立果樹三維模型，徹底透析果樹的各種形態，有效地避免了人工粗獷式的測量和收集數據，積極改進了客觀性低、精度不準確等弊端[4]。

通過對3D 虛擬模型參數的調整，有效解除對果樹枝條和生理生長指標的影響，結合可視化技術將不同時期拓撲結構用三維模型形象地表現出來，同時，可有效地將果樹剪枝后的生長生理情況動態監測，進一步克服傳統的修剪機械破壞性高、不可逆轉性等短板。3D 虛擬重建技術易受自然光照的影響，導致計算機對反饋回來的數據和影像分析與現實中果樹形態無法有效匹配，進而無法實現數據處理、拓展和模型建立。為減少自然光照對參數的影響，大部分3D 虛擬重建技術主要運用于果樹主體樹干中，即使采取這種方式，也無法有效避免圖像清晰度不足、掃面范圍小的弊端。

2.2 激光掃描技術

即通過激光掃描來獲取果樹三維角度的數據，包括枝條徑粗、枝條數量、葉面積指數、冠幅以及光合性能等指標，將獲取的數據傳輸至計算機終端進行虛擬分析，最終為科學化的果樹修剪提供技術支持。激光掃描技術與數學模型、幾何參數及估算方法有效結合，極大地改變了傳統的監測手段，其具有精確度高、省時省力等優點，在果樹機械修枝方面起到了重要作用。激光掃描技術能夠在不同時段獲得果樹不同部位的點云數據，如何將錯綜復雜的點云數據進行快速梳理和科學分析，并獲得最終有效數據，是當前果樹激光掃描技術必須突破的瓶頸。激光掃描技術在數據采集方面具有很大優勢，比如精度高、數據采集量大等，但在觀測過程中收集數據耗時較長，尤其體現在對果樹冠幅、葉面積指數等指標數據的掃描精度不高。

2.3 圖像采集技術

圖像采集技術是利用高清相機在不同維度和角度對果樹進行詳細拍攝，獲取不同部位的圖像信息，再通過計算機圖像處理技術分層整合信息并構建三維模型的一種方法。在果樹修剪過程中，先在收集生理生長信息基礎上，獲取三維圖像，運用3D 模擬技術對果樹不同部位進行分層建模。在圖像采集技術實踐應用中，其主要通過計算機明暗圖層變化來獲得果樹修剪的工藝參數。因此，圖像采集技術主要解決計算機成像視覺明暗問題，利用其技術優勢恢復陰影形狀。隨著計算機網絡實現自動化的控制，在實踐過程中可以發現，這種技術只能實現單純的示意性修剪，交互作用方式通過數據處理實現，但缺乏果樹真實感。

2.4 3D 虛擬交互剪枝技術

在三維空間維度上實現模擬轉化、仿真修剪的關鍵在于3D 虛擬交互剪枝技術的成熟性。現階段，通過互聯網信息化手段研究果樹虛擬修剪已成為當前的一種創新方式，主要是將Unity3D虛擬現實技術與果樹模擬修剪有效結合[5]。首先，建立Unity3D 載體平臺，構建果樹三維體系的模擬修剪系統，該系統所使用的Unity3D 載體平臺包括修剪教學、標準制定和自由變化模塊，充分利用圖像采集技術和互聯網大數據收集系統最大限度解決在虛擬修剪過程中面臨的網格化、場景設定等問題。其次，將Unity3D 虛擬現代技術與三維建模技術有效融合，通過數據的分析，準確把握果樹修枝的節點。現階段，3D 虛擬交互剪枝技術還處于初級研究階段，只是試驗性地在果園里展開了研究，未能將先進的理念和現實手段有效融合在一起，無法全面地實現果樹剪枝機全機械化及自動化。同時，參數的調整對3D 虛擬交互剪枝技術應用極其重要，技術形態只是模擬出果樹的生長狀況，無法模擬周邊的環境對枝條的交互影響，難以實現3D 虛擬交互剪枝技術與微觀生理指標的有機統一，從而不能從根本上達到增產增效的目的。

3 果樹剪枝機械化及自動化發展趨勢

果樹機械修剪是果園管理和增產增效不可缺少的技術環節，現階段，我國大面積的果樹還在沿用傳統的機械修剪方式，基于這種現狀，實現果樹剪枝全機械化及自動化迫在眉睫。

3.1 人工剪枝

當前，人工修剪工具的材質主要為鋼鐵，使用不便捷。應積極地研發新能源材料，在滿足使用強度的條件下，不斷應用重量更加輕便的材料，降低勞動強度。其次，從人工修剪工具的結構設計方面考慮，優化創新修剪工具的結構，針對不同類型的果樹品種和不同部位的枝條，科學合理地設計修剪工具結構。對背跨式修剪機、氣動修剪機而言，合理配套相應動力，同理，車載修剪機、電動修剪機應在現有技術基礎上，研發體積更小、作業時間更長的機械。

3.2 剪枝機械

研發機械化及自動化修剪設備是當前果樹產業和農業發展的必然需求。隨著計算機虛擬技術不斷拓展延伸，結合修剪機械裝備能夠實現智能地識別、修枝作業，這也是修剪自動化研究未來的發展趨勢。在虛擬技術的支撐下，基于大數據分析、圖像采集及激光掃描等先進手段，構建果樹各部位的三維模型，對果樹枝干自動識別、選擇及剪除。充分利用計算機模擬果樹生長技術，對果樹生理生長指標的數據動態分析，隨時掌握果樹生長發育、產量及品質狀況，確定最終的修剪參數，自動化地控制機械完成修剪。同時，建立修剪后檢測系統，包括自動化修剪錯誤率、修剪時長、磨損率等，以便更全面掌握機械化及自動化修剪設備性能。

4 結語

實現果樹修剪機全機械化和自動化對發展農業經濟、提高管理效率、降低成本具有重要現實意義。在傳統的機械修剪的基礎上，結合虛擬修剪技術，研發出適用于大規模果樹產業生產的智能化設備，盡量避免人工操作的參與，提高經濟效益。