果樹枝條修剪機械化及自動化研究進展

□陳建章

農業機械化是我國現代農業發展的關鍵性戰略，是進一步提高生產力和經濟質量的重要舉措。經過實踐探索發現，在實現機械化的基礎上加強自動化建設，有助于最大限度提升農業發展效率。而水果產業在近年來成為農業經濟中發展速度較快的關鍵產業之一，實現果農增收，提高地方經濟水平。而在果樹種植環節，枝條修剪是其重要的培育步驟，其對果樹產量和果實質量具有較大的影響。然而部分地區受生產方式以及機械自動化水平和管理方式的影響，仍采用人工修建方法，制約果樹經濟的發展。因此在農科技術不斷革新、現代農業進程持續推進的背景下，應當進一步研究果樹枝條修剪機械化和自動化，大幅提高果樹產業經濟收入。

一、我國果樹枝條修剪發展歷程

截至目前，我國果樹枝條修剪工作主要實施人工和機械化兩種方式。

(一)人工修枝。人工修枝是果樹業最為常見的修剪作業方法，其應用歷史較為悠久，在果樹產業規模形成后，為保障果樹產量和坐果質量，人工修枝則成為主要的操作方式。同時該方法也是生產落后的表現之一，在很大程度上體現了傳統農業勞動密集型的特點。而且該方法不受環境和地理條件的限制，具有操作便捷、機械結構簡單、工具攜帶方便的優勢，在大部分果樹種植區，人工修枝方式占有很大比重。不過，隨著果樹產業的迅速發展，人工修枝的弊端也逐漸顯現，比如其實際操作具有不可逆性，必須保障種植戶具有較高的技術水平，避免對果樹造成傷害等不良影響。同時人工修枝的作業強度較大，對操作人員體能要求較高，如在大面積果樹種植園中，則作業效率較慢。另外，利用電動修剪機時，具有噪聲大、操作持續時間短等缺陷，而且人工成本高昂[1]。

(二)機械修枝。機械修枝是基于現代農業科學技術發展而來的一種新作業形式。有助于使用大面積種植園和產業規模，有效應對傳統人工修枝存在的不足，充分滿足果樹培育需求。因此半自動化修剪機械得到廣泛應用，普遍是采用復式刀、回旋式機械等，利用刀具模型交錯或者均勻分布在刀架上，再經過拖拉機等動力機械驅動，實現往復回轉和直線運動對果樹開展修剪。該方式的優勢則是勞動力、物力、財力投入較少。但存在適應性不足的缺陷，僅可在粗獷式經營、矮化密植果園中具有一定實用性。因此在當前及未來需探索全自動化果樹修枝機械，滿足現代果樹產業的發展需求。

二、果樹枝條修剪機械化及自動化發展現狀

(一)常用果樹剪枝機械。現階段，果樹自動化、機械化修枝已經普及到部分地區，比較常用的修剪機械有以下幾種。

1.手搖剪枝器。其是從國外引進的一種半自動化果樹修剪設備，在應用時具有操作簡單、便于攜帶的優勢，一般適用于矮化密植果樹產業，可有效提高修枝效率，降低培育成本。

2.果樹電動剪枝機。針對我國果樹產業的實際發展特征，自主研發一款電動型枝條修剪機。主要是由刀具模型、鋰電池供電系統、刀架等部件所構成。在操作中果農只需按動扳機，即可將多余的枝條進行修剪，能夠進一步加快修枝作業效率。但其長時間使用性能較差，作業不連續，往往被應用于葡萄等矮叢植物枝條剪枝作業。

3.四合一高枝果樹電動剪枝機。該機械是由我國科技公司自主研發生產的新型半自動化修剪設備，可利用拼接式操控手柄，控制多個操作口。同時在實施剪枝操作中，具有應用流程簡單的顯著特征。而且緩解了高枝果樹剪枝困難的問題，對矮叢果樹枝條修剪則具有不適應性。

(二)果樹修剪機械化及自動化現狀。我國果樹修剪機械化及自動化的研究發展尚處于初級階段，但隨著果樹行業的不斷發展、在現代科學技術的支持下，其機械化程度持續深入。但從目前實際出發，果樹修枝自動化仍存在可操作性不足的現狀，而且成本投入較大，多數中小型規模果園難以實現全面的機械化作業。并且在應用相關設備和技術時，對果樹的破壞性較大。在此基礎上，應當進一步積極運用計算機技術和信息技術，構建果樹修枝虛擬模型，利用可視化技術直觀觀察果樹的生理生長指標，掌握其光合特性、枝條生長數量和方向、樹形變化以及熒光特征等。以此制定科學可行的果樹修剪操作方案，保證果樹產業經濟效益最大化，防止出現資源浪費等問題[2]。

三、果樹枝條修剪機械化及自動化技術應用

(一)激光掃描技術。對果樹枝條修剪機械化及自動化技術的應用，主要是引進激光技術，通過掃描準確獲取果樹生長的三維角度數據，比如枝條數量信息、枝條粗徑、葉面積指數、光合性能和冠幅等。將各項指標數據進行整理，有序輸入到計算機系統中，可實現虛擬分析，從而為果樹修枝提供科學技術支持。同時，還要將激光技術與數學模型、幾何參數、估算方法等進行有效融合，改善以往落后的監測手段，提高對果樹監測的精確度，節省人力和時間成本。除此之外，在果樹修剪操作中合理運用激光掃描技術，能夠在果樹生長發育的不同時段進行點云數據收集，經過計算機的快速梳理，有利于得到最終監測數據，為實現機械化和自動化剪枝提供相應的參數。近年來，在農業機械化程度日益提高的研發形勢下，激光掃描技術得到了較大的重視，為保證其具有良好的應用實效，應當進一步提高對果樹冠幅以及葉面積指數的掃描精度，推動水果機械功能完善化、高效化。

(二)虛擬重建技術。針對果樹修剪自動化的實現，應當合理應用虛擬重建技術。即是依據果樹實際發育情況，建立直觀化的3D模型，通過計算機虛擬網絡進行剪枝需求、剪枝方案分析。而該技術實施的前提則是做好取樣測量工作，為保障數據收集的客觀性和真實性，大多采用激光掃描或者圖像采集技術等。建立果樹三維模型后，對其各種形態進行全面、細致分析，改善傳統修枝模式中的粗獷式測量和數據收集方法，提高果樹監測精度。同時相關人員可對果樹虛擬模型進行有效的調整，打破枝條以及生理生長指標的限制影響。基于可視化技術構建果樹不同時期的三維模型形象，并對果樹剪枝后的生長情況實施監測，避免修剪機械對果樹產生的破壞性和不可逆轉性。比如在實際應用中，操作人員需綜合考慮自然光照因素，確保計算機對反饋的數據和影像分析，與果樹現實情況相一致，防止對模型建立產生干擾。因此主要是對果樹主體樹干運用虛擬重建技術，盡量減小圖像清晰度不足以及掃面范圍狹窄的問題。

(三)虛擬交互技術。利用互聯網信息化手段實現果樹虛擬化修剪是現代果樹經營中的創新方法，為保證在三維空間維度上有效進行模擬轉化，將仿真修剪轉變為實際剪枝操作，應當結合虛擬現實技術，形成良好的虛實交互，開展果樹修剪工作。在此基礎上，應當先構建完善的3D載體平臺，形成三維體系的果樹模擬修剪系統。該平臺應當包含剪枝操作教學、工作標準制定以及自由變化等模塊，結合圖像采集技術以及大數據技術等，解決在虛擬修剪環節出現的網格化問題、場景設定問題等。同時，要將虛擬技術與三維建模技術相結合，在數據分析層面上重點把控果樹修枝的節點。但因為虛擬交互技術尚未發展成熟，難以保證理念與實踐的統一性。因此為盡可能地提高果樹剪枝的機械化和自動化水平，應當及時調整虛擬交互剪枝參數，模擬果樹生長狀況，并注重對周邊環境因素的考慮，實現場景設定功能，有效模擬降水、光照等對果樹枝條的交互影響，促使虛擬交互剪枝與微觀生理指標的統一化，提高果樹剪枝效率和坐果產量。

(四)圖像采集技術。在果樹枝條修剪機械化和自動化技術中，圖像采集的應用范圍較大，而且具有重要作用。尤其是在獲取果樹生理生長數據的過程中，可借助高清相機，從不同維度、角度全面拍攝果樹形態，進而形成不同部位的直觀形象信息。并借助計算機的圖像處理技術，實現分層整合信息，有利于為構建三維模型奠定基礎。在實際應用環節，可先利用模擬技術對果樹的各個部位進行分層建立模型，輸入圖像采集成果，再依托計算機呈現的明暗圖層變化情況，獲得果樹開展枝條修剪工藝的各項參數。但是從實踐層面而言，圖像采集技術的應用只產生單純的示意性修剪參考意見，通過模擬交互作用實現對數據處理，在一定程度上缺乏果樹模擬真實感。

四、果樹枝條修剪機械化及自動化發展趨勢

結合當前果樹枝條修剪方式的發展現狀以及技術應用情況，實現全面機械化和自動化存在較大的難度，其受地區環境、果樹生長特點、管理方式、區域經濟水平以及技術研發能力等影響。因此，傳統人工剪枝以及半自動化機械剪枝，仍會在今后一段時間內占有主要地位。不過相關人員需進一步強化對果樹剪枝機械化和自動化的探索。為實現這一目標，基于經濟效益和生態效益相平衡的基本原則，人工剪枝將會在滿足使用強度的條件下，盡可能使用新能源材料，并減輕工具重量，降低勞動強度。比如對人工修剪工具進行優化設計，大量采用背跨式修剪機、氣動修剪機、電動修剪機以及車載修剪機等，延長剪枝作業時間。

對于剪枝機械的發展，則是積極引進計算機技術、信息技術和虛擬交互技術，構建智能化的果樹剪枝系統，有效識別果樹生長情況，自動辨別枝條數量和生長方向，從而開展相應的修剪操作。因此在今后一段時間內，大數據、圖像采集、激光掃描、3D模型等先進手段將會成為果樹機械研發制造的重點技術，優化果樹生長模擬，并開展仿真修剪，實時監測剪后果樹生長情況，統計剪枝時長、磨損率、錯誤率等，調整自動化剪枝方案。

五、結語

綜上所述，在現代農業經濟發展進程中，果樹產業作為重要的經濟增長點，對果樹的經營培育質量提高越來越重視。為順應農業機械革新應用發展形勢，針對果樹修枝應當大力推進機械化及自動化，減輕傳統人工勞動強度大、成本投入大、工作效率低等問題。因此相關人員需充分結合果樹生長實際情況，合理運行虛擬修剪技術，為大規模果樹生產提供智能化系統支持，避免因人工操作失誤導致經濟受損。所以在未來果樹產業發展中，對虛擬建模技術、激光掃描技術、虛擬交互技術以及圖像采集技術等應用逐漸深入，改善人工剪枝以及半自動化剪枝機械存在的缺陷，盡可能提高果樹產量，增加經濟效益。