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(yè)技術(shù)學院 寧夏銀川 750001）

水果產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的重要支柱，也是實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益有機統(tǒng)一的重點產(chǎn)業(yè)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中，果業(yè)常常被視為影響國家經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和科學水平的不斷優(yōu)化，果樹業(yè)的種植規(guī)模日趨增加，在十三五規(guī)劃期間，果樹綠色覆蓋率超過了24%，水果業(yè)帶來的經(jīng)濟效益達0.4 萬億元，占國民生產(chǎn)總值的0.06%，這也說明果樹種植業(yè)已成為我國林果種植區(qū)的主要經(jīng)濟來源和產(chǎn)業(yè)支柱[1]。

現(xiàn)階段，果樹修剪受生產(chǎn)方式、機械自動化水平及農(nóng)戶管理方式等因素制約，部分種植區(qū)的果樹修枝還處于傳統(tǒng)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(yè)的經(jīng)濟發(fā)展。尤其是傳統(tǒng)的修剪模式人工成本持續(xù)遞增，以下是2012—2019年我國果樹修剪產(chǎn)業(yè)的人工成本變化趨勢，如表1所示。鑒于此，實現(xiàn)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(nóng)的工作量，同時現(xiàn)代化的修剪技術(shù)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(xiàn)是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求。

表1 2012年—2019年我國果樹修剪產(chǎn)業(yè)的人工成本變化

1 果樹剪枝機械化發(fā)展進程

一是人工修剪。人工修枝是果樹業(yè)常用的修剪方式，也是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動密集型特征的體現(xiàn)，人工方式不受環(huán)境、地理條件制約，具有易于操作、機械結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便等特點，仍然是部分果樹種植區(qū)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(tǒng)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(yè)對體能提出了巨大的考驗，尤其是大面積作業(yè)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(shù)的發(fā)展，人工修剪機械也有了顯著提升，比如現(xiàn)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(xù)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(chǎn)業(yè)開始快速興起，隨著種植面積和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷拓展，傳統(tǒng)的人工修剪模式已無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。基于這種現(xiàn)狀，半自動化修剪機械逐漸被研發(fā)，常見的果樹修剪機械分為往復(fù)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(tǒng)驅(qū)動刀具定向往復(fù)回轉(zhuǎn)或直線運動，從而達到修剪果樹的目的，有效地代替了傳統(tǒng)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(yīng)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(nèi)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(fā)展研究

當前，我國的果樹修剪機械化及自動化發(fā)展還處于初級階段，隨著果樹行業(yè)修剪機械化程度不斷深入，當前的修枝技術(shù)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(yè)效益無法最大化。鑒于這種現(xiàn)狀，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果樹修剪中得到了廣泛應(yīng)用，主要表現(xiàn)在建立果樹的修剪虛擬模型，即運用計算機系統(tǒng)在其內(nèi)部構(gòu)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(shù)量及方向、樹形變化等[2]。通過修剪虛擬模型，結(jié)合計算機對搜集的數(shù)據(jù)科學分析，探索最合理科學的修剪方式，實現(xiàn)經(jīng)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(shù)主要包括3D 虛擬重建技術(shù)、激光掃描技術(shù)及圖像采集技術(shù)等手段，現(xiàn)階段，學者通過相關(guān)的研究方法獲得了不同類型果樹的修剪參數(shù)，在部分種植區(qū)得到了廣泛應(yīng)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(shù)

3D 虛擬重建技術(shù)是實現(xiàn)果樹機械全自動化的前提，3D虛擬重建技術(shù)主要是將現(xiàn)實中的果樹以3D 模型形式展現(xiàn)在計算機虛擬網(wǎng)絡(luò)中。眾所周知，在實際觀測果樹的相關(guān)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(shù)據(jù)真實性有待商榷，無法真實了解果樹的狀態(tài)。建立3D 虛擬重建技術(shù)可有效地解決此類難點。當前三維重建技術(shù)主要運用圖像、激光掃描技術(shù)等[3]。

現(xiàn)階段，果樹虛擬修剪技術(shù)主要強調(diào)3D 虛擬重建技術(shù)、激光掃描技術(shù)及圖像采集技術(shù)等，尤其是3D 虛擬重建技術(shù)是重點研究對象。通過對數(shù)據(jù)、模型的科學分析，以達到合理的果樹修剪和提高產(chǎn)量的目的。3D 虛擬重建技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，可以迅速建立果樹三維模型，徹底透析果樹的各種形態(tài)，有效地避免了人工粗獷式的測量和收集數(shù)據(jù)，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(shù)的調(diào)整，有效解除對果樹枝條和生理生長指標的影響，結(jié)合可視化技術(shù)將不同時期拓撲結(jié)構(gòu)用三維模型形象地表現(xiàn)出來，同時，可有效地將果樹剪枝后的生長生理情況動態(tài)監(jiān)測，進一步克服傳統(tǒng)的修剪機械破壞性高、不可逆轉(zhuǎn)性等短板。3D 虛擬重建技術(shù)易受自然光照的影響，導致計算機對反饋回來的數(shù)據(jù)和影像分析與現(xiàn)實中果樹形態(tài)無法有效匹配，進而無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、拓展和模型建立。為減少自然光照對參數(shù)的影響，大部分3D 虛擬重建技術(shù)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(shù)

即通過激光掃描來獲取果樹三維角度的數(shù)據(jù)，包括枝條徑粗、枝條數(shù)量、葉面積指數(shù)、冠幅以及光合性能等指標，將獲取的數(shù)據(jù)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(shù)支持。激光掃描技術(shù)與數(shù)學模型、幾何參數(shù)及估算方法有效結(jié)合，極大地改變了傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，其具有精確度高、省時省力等優(yōu)點，在果樹機械修枝方面起到了重要作用。激光掃描技術(shù)能夠在不同時段獲得果樹不同部位的點云數(shù)據(jù)，如何將錯綜復(fù)雜的點云數(shù)據(jù)進行快速梳理和科學分析，并獲得最終有效數(shù)據(jù)，是當前果樹激光掃描技術(shù)必須突破的瓶頸。激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面具有很大優(yōu)勢，比如精度高、數(shù)據(jù)采集量大等，但在觀測過程中收集數(shù)據(jù)耗時較長，尤其體現(xiàn)在對果樹冠幅、葉面積指數(shù)等指標數(shù)據(jù)的掃描精度不高。

2.3 圖像采集技術(shù)

圖像采集技術(shù)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(shù)分層整合信息并構(gòu)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(chǔ)上，獲取三維圖像，運用3D 模擬技術(shù)對果樹不同部位進行分層建模。在圖像采集技術(shù)實踐應(yīng)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(shù)。因此，圖像采集技術(shù)主要解決計算機成像視覺明暗問題，利用其技術(shù)優(yōu)勢恢復(fù)陰影形狀。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動化的控制，在實踐過程中可以發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)只能實現(xiàn)單純的示意性修剪，交互作用方式通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)，但缺乏果樹真實感。

2.4 3D 虛擬交互剪枝技術(shù)

在三維空間維度上實現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)化、仿真修剪的關(guān)鍵在于3D 虛擬交互剪枝技術(shù)的成熟性。現(xiàn)階段，通過互聯(lián)網(wǎng)信息化手段研究果樹虛擬修剪已成為當前的一種創(chuàng)新方式，主要是將Unity3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)與果樹模擬修剪有效結(jié)合[5]。首先，建立Unity3D 載體平臺，構(gòu)建果樹三維體系的模擬修剪系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shù)和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)最大限度解決在虛擬修剪過程中面臨的網(wǎng)格化、場景設(shè)定等問題。其次，將Unity3D 虛擬現(xiàn)代技術(shù)與三維建模技術(shù)有效融合，通過數(shù)據(jù)的分析，準確把握果樹修枝的節(jié)點。現(xiàn)階段，3D 虛擬交互剪枝技術(shù)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(xiàn)實手段有效融合在一起，無法全面地實現(xiàn)果樹剪枝機全機械化及自動化。同時，參數(shù)的調(diào)整對3D 虛擬交互剪枝技術(shù)應(yīng)用極其重要，技術(shù)形態(tài)只是模擬出果樹的生長狀況，無法模擬周邊的環(huán)境對枝條的交互影響，難以實現(xiàn)3D 虛擬交互剪枝技術(shù)與微觀生理指標的有機統(tǒng)一，從而不能從根本上達到增產(chǎn)增效的目的。

3 果樹剪枝機械化及自動化發(fā)展趨勢

果樹機械修剪是果園管理和增產(chǎn)增效不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段，我國大面積的果樹還在沿用傳統(tǒng)的機械修剪方式，基于這種現(xiàn)狀，實現(xiàn)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(zhì)主要為鋼鐵，使用不便捷。應(yīng)積極地研發(fā)新能源材料，在滿足使用強度的條件下，不斷應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮，優(yōu)化創(chuàng)新修剪工具的結(jié)構(gòu)，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(shè)計修剪工具結(jié)構(gòu)。對背跨式修剪機、氣動修剪機而言，合理配套相應(yīng)動力，同理，車載修剪機、電動修剪機應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)體積更小、作業(yè)時間更長的機械。

3.2 剪枝機械

研發(fā)機械化及自動化修剪設(shè)備是當前果樹產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然需求。隨著計算機虛擬技術(shù)不斷拓展延伸，結(jié)合修剪機械裝備能夠?qū)崿F(xiàn)智能地識別、修枝作業(yè)，這也是修剪自動化研究未來的發(fā)展趨勢。在虛擬技術(shù)的支撐下，基于大數(shù)據(jù)分析、圖像采集及激光掃描等先進手段，構(gòu)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(shù)，對果樹生理生長指標的數(shù)據(jù)動態(tài)分析，隨時掌握果樹生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)狀況，確定最終的修剪參數(shù)，自動化地控制機械完成修剪。同時，建立修剪后檢測系統(tǒng)，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(shè)備性能。

4 結(jié)語

實現(xiàn)果樹修剪機全機械化和自動化對發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、提高管理效率、降低成本具有重要現(xiàn)實意義。在傳統(tǒng)的機械修剪的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬修剪技術(shù)，研發(fā)出適用于大規(guī)模果樹產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的智能化設(shè)備，盡量避免人工操作的參與，提高經(jīng)濟效益。