摘 要 枝條修剪是果樹(shù)產(chǎn)業(yè)最為耗時(shí)耗力的工作環(huán)節(jié)，也是增產(chǎn)增效的重要保障‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 隨著我國(guó)果業(yè)種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，果樹(shù)修剪中工作效率低、成本高等弊端日益凸顯，嚴(yán)重影響水果業(yè)的快速發(fā)展‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 文章通過(guò)梳理人工修剪、機(jī)械修剪的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前果樹(shù)剪枝機(jī)械化及自動(dòng)化面臨的諸多困境，闡述了修剪機(jī)械化及自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，敘述了果樹(shù)虛擬修剪技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞 果樹(shù)剪枝機(jī); 機(jī)械化; 自動(dòng)化; 研究進(jìn)展

　　水果產(chǎn)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的重要支柱，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益有機(jī)統(tǒng)一的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，果業(yè)常常被視為影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(xué)水平的不斷優(yōu)化，果樹(shù)業(yè)的種植規(guī)模日趨增加，在十三五規(guī)劃期間，果樹(shù)綠色覆蓋率超過(guò)了24%，水果業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)0.4 萬(wàn)億元，占國(guó)民生產(chǎn)總值的0.06%，這也說(shuō)明果樹(shù)種植業(yè)已成為我國(guó)林果種植區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源和產(chǎn)業(yè)支柱[1]。

　　作者簡(jiǎn)介：馬 靜 梁 堃

　　現(xiàn)階段，果樹(shù)修剪受生產(chǎn)方式、機(jī)械自動(dòng)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(shù)修枝還處于傳統(tǒng)的人工修剪模式，修剪機(jī)械自動(dòng)化程度低、管理效率低等弊端日益凸顯，嚴(yán)重制約了果樹(shù)業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(guó)果樹(shù)修剪產(chǎn)業(yè)的人工成本變化趨勢(shì)。 鑒于此，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)修剪機(jī)械化及自動(dòng)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(shí)現(xiàn)代化的修剪技術(shù)能夠精確地修枝，且自動(dòng)選擇修剪方式，最大限度避免了對(duì)果樹(shù)的傷害，因此，果樹(shù)修剪機(jī)械化及自動(dòng)化的快速實(shí)現(xiàn)是我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求。

　　果樹(shù)論文范例：春季果樹(shù)病蟲(chóng)害防治要點(diǎn)

　　1 果樹(shù)剪枝機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程

　　一是人工修剪。 人工修枝是果樹(shù)業(yè)常用的修剪方式，也是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型特征的體現(xiàn)，人工方式不受環(huán)境、地理?xiàng)l件制約，具有易于操作、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便等特點(diǎn)，仍然是部分果樹(shù)種植區(qū)修枝的主要方式。 但從另一個(gè)方面考慮，人工修剪雖相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)操中具有不可逆性，必須對(duì)種植戶進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)。 在修枝過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間人工操作，高強(qiáng)度的修剪作業(yè)對(duì)體能提出了巨大的考驗(yàn)，尤其是大面積作業(yè)時(shí)，這種弊端會(huì)被無(wú)限放大，導(dǎo)致工作效率降低。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工修剪機(jī)械也有了顯著提升，比如現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的電動(dòng)修剪機(jī)、氣動(dòng)修剪機(jī)、車載修剪機(jī)等，但均具有噪音大、不易操作、持續(xù)時(shí)間短等方面的共性，常見(jiàn)的人工修剪機(jī)械特征，如表2所示。

　　二是機(jī)械修剪。 在20世紀(jì)80年代初期，水果產(chǎn)業(yè)開(kāi)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(wú)法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。 基于這種現(xiàn)狀，半自動(dòng)化修剪機(jī)械逐漸被研發(fā)，常見(jiàn)的果樹(shù)修剪機(jī)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(cuò)或均勻分布在刀架上，由動(dòng)力機(jī)械(一般為拖拉機(jī))通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀具定向往復(fù)回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到修剪果樹(shù)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(cái)力投入大的弊端。 然而，機(jī)械修剪主要適應(yīng)于果園粗獷式的修枝，對(duì)精細(xì)化的管理還無(wú)法大面積推廣，僅在矮化密植的果園較為實(shí)用，表3為國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的半自動(dòng)化修剪機(jī)械。

　　2 果樹(shù)剪枝機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展研究

　　當(dāng)前，我國(guó)的果樹(shù)修剪機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展還處于初級(jí)階段，隨著果樹(shù)行業(yè)修剪機(jī)械化程度不斷深入，當(dāng)前的修枝技術(shù)仍面臨著操作性不強(qiáng)、成本投入高及破壞果樹(shù)性大等困境，果業(yè)效益無(wú)法最大化。 鑒于這種現(xiàn)狀，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果樹(shù)修剪中得到了廣泛應(yīng)用，主要表現(xiàn)在建立果樹(shù)的修剪虛擬模型，即運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在其內(nèi)部構(gòu)建虛擬的果樹(shù)生長(zhǎng)模型，通過(guò)可視化虛擬果樹(shù)模型，并觀測(cè)果樹(shù)各部位的生理生長(zhǎng)指標(biāo)，比如光合特性、熒光特征、枝條數(shù)量及方向、樹(shù)形變化等[2]。 通過(guò)修剪虛擬模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)搜集的數(shù)據(jù)科學(xué)分析，探索最合理科學(xué)的修剪方式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，盡量避免人力、物力資源的浪費(fèi)。 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(xué)者通過(guò)相關(guān)的研究方法獲得了不同類型果樹(shù)的修剪參數(shù)，在部分種植區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

　　2.1 3D虛擬重建技術(shù)

　　3D虛擬重建技術(shù)是實(shí)現(xiàn)果樹(shù)機(jī)械全自動(dòng)化的前提，3D虛擬重建技術(shù)主要是將現(xiàn)實(shí)中的果樹(shù)以3D模型形式展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)中。 眾所周知，在實(shí)際觀測(cè)果樹(shù)的相關(guān)指標(biāo)時(shí)，單純地依靠簡(jiǎn)單的儀器進(jìn)行取樣測(cè)量，客觀性很差，收集的數(shù)據(jù)真實(shí)性有待商榷，無(wú)法真實(shí)了解果樹(shù)的狀態(tài)。 建立3D虛擬重建技術(shù)可有效地解決此類難點(diǎn)。 當(dāng)前三維重建技術(shù)主要運(yùn)用圖像、激光掃描技術(shù)等[3]。

　　現(xiàn)階段，果樹(shù)虛擬修剪技術(shù)主要強(qiáng)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(diǎn)研究對(duì)象。 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)、模型的科學(xué)分析，以達(dá)到合理的果樹(shù)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(shù)三維模型，徹底透析果樹(shù)的各種形態(tài)，有效地避免了人工粗獷式的測(cè)量和收集數(shù)據(jù)，積極改進(jìn)了客觀性低、精度不準(zhǔn)確等弊端[4]。

　　通過(guò)對(duì)3D虛擬模型參數(shù)的調(diào)整，有效解除對(duì)果樹(shù)枝條和生理生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，結(jié)合可視化技術(shù)將不同時(shí)期拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用三維模型形象地表現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)，可有效地將果樹(shù)剪枝后的生長(zhǎng)生理情況動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步克服傳統(tǒng)的修剪機(jī)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(dǎo)致計(jì)算機(jī)對(duì)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)和影像分析與現(xiàn)實(shí)中果樹(shù)形態(tài)無(wú)法有效匹配，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、拓展和模型建立。 為減少自然光照對(duì)參數(shù)的影響，大部分3D虛擬重建技術(shù)主要運(yùn)用于果樹(shù)主體樹(shù)干中，即使采取這種方式，也無(wú)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(guò)激光掃描來(lái)獲取果樹(shù)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(biāo)，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行虛擬分析，最終為科學(xué)化的果樹(shù)修剪提供技術(shù)支持。 激光掃描技術(shù)與數(shù)學(xué)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(cè)手段，其具有精確度高、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，在果樹(shù)機(jī)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(shí)段獲得果樹(shù)不同部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如何將錯(cuò)綜復(fù)雜的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速梳理和科學(xué)分析，并獲得最終有效數(shù)據(jù)，是當(dāng)前果樹(shù)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(shì)，比如精度高、數(shù)據(jù)采集量大等，但在觀測(cè)過(guò)程中收集數(shù)據(jù)耗時(shí)較長(zhǎng)，尤其體現(xiàn)在對(duì)果樹(shù)冠幅、葉面積指數(shù)等指標(biāo)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(jī)在不同維度和角度對(duì)果樹(shù)進(jìn)行詳細(xì)拍攝，獲取不同部位的圖像信息，再通過(guò)計(jì)算機(jī)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(shù)修剪過(guò)程中，先在收集生理生長(zhǎng)信息基礎(chǔ)上，獲取三維圖像，運(yùn)用3D模擬技術(shù)對(duì)果樹(shù)不同部位進(jìn)行分層建模。 在圖像采集技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用中，其主要通過(guò)計(jì)算機(jī)明暗圖層變化來(lái)獲得果樹(shù)修剪的工藝參數(shù)。 因此，圖像采集技術(shù)主要解決計(jì)算機(jī)成像視覺(jué)明暗問(wèn)題，利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)恢復(fù)陰影形狀。 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，在實(shí)踐過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單純的示意性修剪，交互作用方式通過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)，但缺乏果樹(shù)真實(shí)感。

　　2.4 3D虛擬交互剪枝技術(shù)

　　在三維空間維度上實(shí)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息化手段研究果樹(shù)虛擬修剪已成為當(dāng)前的一種創(chuàng)新方式，主要是將Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與果樹(shù)模擬修剪有效結(jié)合[5]。 首先，建立Unity3D載體平臺(tái)，構(gòu)建果樹(shù)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(tái)包括修剪教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中面臨的網(wǎng)格化、場(chǎng)景設(shè)定等問(wèn)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(guò)數(shù)據(jù)的分析，準(zhǔn)確把握果樹(shù)修枝的節(jié)點(diǎn)。 現(xiàn)階段，3D虛擬交互剪枝技術(shù)還處于初級(jí)研究階段，只是試驗(yàn)性地在果園里展開(kāi)了研究，未能將先進(jìn)的理念和現(xiàn)實(shí)手段有效融合在一起，無(wú)法全面地實(shí)現(xiàn)果樹(shù)剪枝機(jī)全機(jī)械化及自動(dòng)化。 同時(shí)，參數(shù)的調(diào)整對(duì)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(shù)的生長(zhǎng)狀況，無(wú)法模擬周邊的環(huán)境對(duì)枝條的交互影響，難以實(shí)現(xiàn)3D虛擬交互剪枝技術(shù)與微觀生理指標(biāo)的有機(jī)統(tǒng)一，從而不能從根本上達(dá)到增產(chǎn)增效的目的。

　　3 果樹(shù)剪枝機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

　　果樹(shù)機(jī)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(guó)大面積的果樹(shù)還在沿用傳統(tǒng)的機(jī)械修剪方式，基于這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)剪枝全機(jī)械化及自動(dòng)化迫在眉睫。

　　3.1 人工剪枝

　　當(dāng)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(qiáng)度的條件下，不斷應(yīng)用重量更加輕便的材料，降低勞動(dòng)強(qiáng)度‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 其次，從人工修剪工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，優(yōu)化創(chuàng)新修剪工具的結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同類型的果樹(shù)品種和不同部位的枝條，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)修剪工具結(jié)構(gòu)。 對(duì)背跨式修剪機(jī)、氣動(dòng)修剪機(jī)而言，合理配套相應(yīng)動(dòng)力，同理，車載修剪機(jī)、電動(dòng)修剪機(jī)應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)體積更小、作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)的機(jī)械。

　　3.2 剪枝機(jī)械

　　研發(fā)機(jī)械化及自動(dòng)化修剪設(shè)備是當(dāng)前果樹(shù)產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然需求。 隨著計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)不斷拓展延伸，結(jié)合修剪機(jī)械裝備能夠?qū)崿F(xiàn)智能地識(shí)別、修枝作業(yè)，這也是修剪自動(dòng)化研究未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 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(jìn)手段，構(gòu)建果樹(shù)各部位的三維模型，對(duì)果樹(shù)枝干自動(dòng)識(shí)別、選擇及剪除。 充分利用計(jì)算機(jī)模擬果樹(shù)生長(zhǎng)技術(shù)，對(duì)果樹(shù)生理生長(zhǎng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析，隨時(shí)掌握果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)狀況，確定最終的修剪參數(shù)，自動(dòng)化地控制機(jī)械完成修剪。 同時(shí)，建立修剪后檢測(cè)系統(tǒng)，包括自動(dòng)化修剪錯(cuò)誤率、修剪時(shí)長(zhǎng)、磨損率等，以便更全面掌握機(jī)械化及自動(dòng)化修剪設(shè)備性能。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)現(xiàn)果樹(shù)修剪機(jī)全機(jī)械化和自動(dòng)化對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、提高管理效率、降低成本具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 在傳統(tǒng)的機(jī)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(shù)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(jì)效益。

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