李守根，康峰，李文彬，周三章，韓雪梅

果樹剪枝機械化及自動化研究進展

李守根，康峰*，李文彬，周三章，韓雪梅

（北京林業(yè)大學工學院，北京100083）

整枝修剪是果園生產(chǎn)中最為耗時耗力的作業(yè)環(huán)節(jié)，整枝修剪對水果生產(chǎn)具有重要意義。隨著現(xiàn)代果園種植規(guī)模擴大，技術工短缺、成本增加等問題突出。果樹枝干復雜性、剪枝技術性和不可逆性等問題導致剪枝機械發(fā)展緩慢，成為限制水果生產(chǎn)重要因素之一。文章闡述目前國內(nèi)外果園剪枝機械分類，相關機械結(jié)構、工作原理和剪枝效果，重點介紹新興虛擬剪枝技術，論述其發(fā)展現(xiàn)狀和相關技術，對剪枝機械發(fā)展趨勢提出展望。

剪枝機械；虛擬剪枝；三維重建；三維虛擬交互剪枝；形態(tài)發(fā)展模擬

剪枝機械裝備對果園生產(chǎn)具有重要意義。剪枝可使果樹主枝與側(cè)枝分布均勻，明確主側(cè)關系，利于果樹冠層骨架牢固；果樹枝條分布均勻，調(diào)節(jié)花期、果樹營養(yǎng)物質(zhì)與植物激素之間分配與運輸、積累與消化[1-2]，改善果樹間、果樹與環(huán)境間關系，擴大著果面積，提升果品質(zhì)量，增加水果產(chǎn)量[3]；去除枯枝、病枝，改善冠層通風透光條件，增強光合作用，減少病蟲害[4-5]，改善果樹冠層層次結(jié)構，樹形整齊、錯落有致，施藥時增大藥液與枝葉附著面積，提高藥液利用率；利于培養(yǎng)和設計非自然果樹外形，控制枝條生長方向，滿足觀賞需求[6-7]。

根據(jù)樹種和品種生長與結(jié)果習性、樹齡、樹勢及栽培方式等條件，果樹剪枝一般分為冬剪和夏剪[8-9]。冬剪主要集中落葉后至第二年發(fā)芽前[10]，一般為1～2月份，去除或剪短不必要枝條以及枯枝、病蟲枝，選留主干枝，培育中心枝、主枝、副主枝等，為生長期實現(xiàn)果樹豐產(chǎn)、林木增效奠定生理和樹形基礎。夏剪為果樹生長期內(nèi)修剪，抑制新生枝條徒長，促使花芽形成，改善通風透光條件，提高果樹產(chǎn)量和果實品質(zhì)。根據(jù)剪枝程度不同，果樹修剪分為粗剪和精剪。精剪依靠人力單枝修剪，粗剪利用機械設備整株幾何修剪。現(xiàn)代果園冬剪采用粗、精剪結(jié)合方式[11]，而夏剪多以精剪為主。

1 果樹剪枝機械發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 人工剪枝

早期人工剪枝多采用手動修枝剪（見圖1a），氣動、電動修枝剪（見圖1b、1c）。人工剪枝機構簡單、易操作、不受環(huán)境和地形影響，適應性強，適于冬、夏精剪，目前仍是果園剪枝主要方式。但人工剪枝技術性強，具有不可逆性，需對操作員專業(yè)培訓，剪枝作業(yè)時需要長時間舉臂，大面積剪枝作業(yè)時工作效率低、強度大，易引發(fā)職業(yè)病。此外，氣、電動修枝剪相比無動力修枝剪結(jié)構更復雜、重量增大，增加勞動強度，存在振動、噪聲以及持續(xù)作業(yè)時間有限等問題。目前，日本愛麗斯（ARS）公司、意大利CAMPAGNOLA公司根據(jù)樹種和環(huán)境不同，開發(fā)不同類型工剪枝工具，如：ARS公司VS-8R手動修枝剪，通過手柄轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)移剪枝力，操作省力；CAMPAGNOLA公司Star35氣動修枝剪，作業(yè)時剪切力可達2.12KN，每秒可剪切3次，適合剪枝難度較高場合。

圖1 手動剪枝設備Fig.1 Manual pruning equipment

1.2 機械剪枝

上世紀70年代現(xiàn)代果園（如矮砧密植型蘋果、梨、葡萄）迅速興起。隨著種植規(guī)模不斷擴大，單純依靠人工剪枝無法滿足生產(chǎn)需求。因此，半自動機械剪枝裝備應運而生，主要包括回轉(zhuǎn)式（圓盤刀、直板刀、飛鏢刀）和往復式刀具兩大類，刀具交錯或均勻布置在單段或多段刀架上，由拖拉機牽引通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動刀具定軸回轉(zhuǎn)或往復直線運動，操作員通過操縱控制桿或按鈕等方式調(diào)整刀架位姿，實現(xiàn)剪枝作業(yè)，有效解決勞動強度大、效率低問題。然而，機械剪枝僅適用于果樹冬、夏粗剪，對果園種植模式、樹形等要求嚴格，目前僅在現(xiàn)代矮砧密植型果園應用。

近年來，國內(nèi)外農(nóng)機公司在已有機型基礎上，在剪枝效果、功能擴展等方面不斷改進優(yōu)化。2014年，意大利Fa-MA公司針對矮砧密植型果園開發(fā)一款窗式修剪機[12]，如圖2所示。該裝備在傳統(tǒng)往復式刀具剪枝機基礎上，添加多個“開窗刀”，可探入冠層內(nèi)部修剪，冠層外部依然由傳統(tǒng)剪枝機構修剪。這種內(nèi)外同時修剪方式既可去除主干多余大枝條，又可實現(xiàn)果樹冠層“開窗”，形成長、短枝交替布局冠型，提高果樹通光性。目前，這種窗式修剪機已應用于現(xiàn)代果園中蘋果、梨等果樹剪枝作業(yè)，效果良好。

德國愛德華公司設計生產(chǎn)果樹剪枝機如圖3所示。該剪枝機采用拖拉機前置懸掛設計，在同一機架上可選裝不同剪枝刀具，如往復雙動刀、圓盤刀和飛鏢刀，滿足不同剪枝作業(yè)要求，可更換疏花作業(yè)頭用于機械疏花，集果樹剪枝和疏花功能于一身，裝備功能多樣化。其次，該剪枝機控制模塊通過吸盤固定在機艙窗口上，所有功能均可通過單手控制操縱桿和觸摸屏實現(xiàn)。

圖2 窗式修剪機Fig.2 Window trimmer

2015年烏魯木齊優(yōu)尼克生物科技有限公司設計一款喂料型高效葡萄枝剪切機[13]，如圖4所示。是往復式切割器修剪機，在機架側(cè)面和頂部安裝往復式切割器，可分別通過液壓油缸調(diào)整修剪高度。該剪切機剪枝作業(yè)時，喂料器撥動桿首先將位于刀片前方樹枝向刀刃撥送，配合往復式切割器快速高效地剪切葡萄枝，位于頂端臥式切割器可將葡萄樹頂端枝條高速剪斷，提高剪枝作業(yè)效率。

2 虛擬剪枝

果樹剪枝技術性強，效果不明確，傳統(tǒng)剪枝方式破壞性強、成本高，難以保證剪枝效果最優(yōu)化、果樹產(chǎn)量效益最大化。而虛擬剪枝即在計算機中構建虛擬果樹生長空間，通過可視化虛擬果樹剪枝觀察其后續(xù)生長狀況，如：枝量變化，枝條生長方向變化，樹形改變等。通過虛擬剪枝技術，探究果樹最優(yōu)剪枝方式，實現(xiàn)產(chǎn)效最大化，避免錯誤修剪的材料及時間損耗。虛擬剪枝技術主要包含三維重建、三維虛擬交互剪枝和形態(tài)發(fā)展模擬技術[14]。學者已通過建模研究不同樹形剪枝過程及生長過程虛擬剪枝技術?，F(xiàn)階段，虛擬剪枝技術研究多集中于果樹整形修剪。

2.1 三維重建技術

三維重建技術是實現(xiàn)虛擬剪枝技術前提，將現(xiàn)實中果樹以模型方式在三維空間中再現(xiàn)。大部分果樹枝葉稠密，簡單依靠工測量費時費力，主觀性強，數(shù)據(jù)可靠性低，建立三維模型無法精確、真實展現(xiàn)果樹真實狀態(tài)。三維重建技術可解決此問題[15]。目前，三維重建技術主要基于圖像、激光掃描技術和三維數(shù)字化儀[16-17]。

圖4 喂料型高效葡萄枝剪切機Fig.4 Feeding efficient grapevine shears

2.1.1 基于圖像方法

基于圖像方法是利用相機從不同角度獲取一系列圖像[18]，通過圖像處理等獲取目標三維模型，其本質(zhì)與雙目、三目視覺原理相同，通常用于果樹冠層部分三維重建。

三維重建過程中陰影恢復形狀是計算機視覺研究問題，即利用單幅灰度圖像中物體表面明暗變化恢復其表面各點相對高度或表面法向方向等參數(shù)值，重建物體表面形狀。Ni等通過雙目視覺獲取兩幅圖對植物或冠層像三維重建[19]，首先糾正圖像，確保圖像中相應特征點位于相同水平線上，使用高效大規(guī)模立體匹配（ELAS）算法找到視差圖，最終基于校準相機矩陣以及三角測量方法獲得視差圖重建植物或樹冠。Karkee等利用三維相機識別待剪枝條用于蘋果樹自動剪枝[20]。Amatya等通過利用貝葉斯分類器分割分類全葉櫻桃RGB圖像像素點，自動收獲甜櫻桃[21-22]。為實現(xiàn)休眠期剪枝應用自動化，Chattopadhyay等利用飛行時間蘋果樹檢測和建模[23]，提出基于魯棒性半圓擬合3D重建方案。該方案從單個深度圖像中評估直徑誤差創(chuàng)建半圓擬合模型，通過一系列深度圖像對準三維重建。

針對含有陰影植物表面快速三維重建問題，高欣健等提出一種融合陰影恢復形狀（SFS）數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)對稱激光三角傳感器數(shù)據(jù)基于單幅灰度圖像快速智能測量方法[24]。其次圖像配準拼接也是圖像三維重建重點問題，王傳宇等采用雙目立體視覺方法獲取不同旋轉(zhuǎn)角度圖像[25]，通過提取和匹配特征點，重建各視角下果穗表面點云，去除重投影后點云外點，多視角三維點云配準，獲取整個玉米果穗表面點云，通過光束平差法求精，冗點去除、三角面片化、紋理映射和網(wǎng)格簡化獲得最終果穗三維造型。鄭立華等利用Kinect相機獲取蘋果樹不同視角下原始三維點云[26]，設定三維坐標取值范圍噪聲去除，利用歸一化對齊徑向特征（NARF）算法搜尋點云關鍵點，通過快速點特征直方圖（FPFH）提取關鍵點特征，使用隨機抽樣一致性（RANSAC）算法提純映射關系完成點云初始配準，基于（ICP算法）迭代計算方式完成配準。

2.1.2 基于激光掃描技術方法

基于激光掃描技術方法是指通過發(fā)射激光獲取林木枝干直徑、距離、方向等空間信息，根據(jù)空間信息林木三維重建。該方法具有實時性好、精度高、主動性強等優(yōu)點[27-28]。

Raumonen等提出一種基于點云數(shù)據(jù)快速估計樹冠層體積和枝干長度三維建模方法[29]。該方法假設三維激光掃描儀獲取點云是3D空間中表面樣本，樹干近似圓柱體，利用局部法將符合表面點云區(qū)域化幾何表征，這些特征用于將點云分類到樹干、樹枝和其他枝節(jié)，使用區(qū)域幾何特征確定適合子集以實現(xiàn)樹冠層體積快速估計。Bietresato等提出基于激光雷達3D立體視覺系統(tǒng)用于植物檢測[30]，該方法利用兩個垂直對齊安放激光傳感器掃描同一物體形成三維立體視覺，簡單有效定義樹木冠層橫截面積和體積初步算法。

針對室外條件，植物表面顏色和真實顏色存在色差問題，郭彩玲等提出一種果樹冠層三維點云顏色矯正方法[31]。該方法采用“頂式法”利用三維激光掃描儀三維點云獲取，通過掃描環(huán)境中太陽輻射值、TCCR24標準顏色測試板與地面夾θ、TCCR24標準顏色測試板不同色塊顏色、掃描質(zhì)量、光線方向變量分析，采用雙重篩選逐步回歸方法，建立置信度為95%時模型。通過試驗證明該方法有效性，為地面掃描儀獲取準確三維點云數(shù)據(jù)及三維重建提供理論依據(jù)。

對于傳統(tǒng)方法獲取樹冠體積、表面積和葉面指數(shù)等參數(shù)效率較低、耗費力物力等問題，劉芳等提出基于三維激光點云數(shù)據(jù)樹冠體積估算方法[32]。郭彩玲等針對果樹冠層參數(shù)不精確問題，提出基于三維點云數(shù)據(jù)蘋果樹冠層幾何參數(shù)獲取方法，為果樹冠層參數(shù)獲取提供理論支撐[33]。

2.1.3 基于三維數(shù)字化儀

三維數(shù)字化儀可快速精準獲取測量對象三維坐標，通過配套軟件重建測量對象三維模型，自20世紀90年代發(fā)展為重要數(shù)據(jù)獲取工具[34]。

目前，國外學者利用三維數(shù)字化儀實現(xiàn)蘋果樹三維重建[35-36]，分析冠層結(jié)構與光照關系。王菲等通過三維數(shù)字化儀和Piaf Digit軟件三維重建高紡錘形蘋果樹，利用Vege STAR軟件實現(xiàn)果樹冠層內(nèi)光截獲計算[37]。方慧等基于結(jié)構光三維掃描儀（3D Scanner）結(jié)合必要旋轉(zhuǎn)裝置獲取植物多角度三維點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過配準、合成等操作快速獲得植物體三維重建[38]。李娜等針對不同樹形蘋果樹結(jié)構，運用三維數(shù)字化儀模擬，評定果實產(chǎn)量和質(zhì)量相關參數(shù)[39]。

2.2 三維虛擬交互剪枝技術

三維虛擬交互剪枝技術是實現(xiàn)操作員在三維空間中自由、仿真剪枝操作關鍵。因此，通過信息化技術改進虛擬剪枝成為研究熱點。

研究將Unity3D虛擬現(xiàn)實技術應用到果樹剪枝模擬。葉少挺等基于Unity3D平臺，提出一種虛擬楊梅三維剪枝系統(tǒng)實現(xiàn)方法[40]。該方法選擇Unity3D為試驗平臺，包含有剪枝教學、標準剪枝和自由剪枝模塊，利用計算機圖形學和互聯(lián)網(wǎng)絡技術解決虛擬剪枝過程中場景模擬、切割求交、重新網(wǎng)格化等問題。呂萌萌等引進Unity3D虛擬現(xiàn)實技術，將三維重建模型導入Unity3D建立虛擬模型，通過射線拾取技術實現(xiàn)鼠標拾取場景中物體剪枝點，判定物體和射線求交，確定拾取物體正確，根據(jù)碰撞檢測去除拾取對象[41]。試驗證明，該方法可真實模擬果樹剪枝過程，符合技術員剪枝行為，具有較高使用價值[41]。

此外，王丹等為提高人機交互舒適性和真實性，提出基于手勢交互式剪枝方法[42]。該方法在已有三維重建模型和實現(xiàn)果樹枝條快速拾取和修剪基礎之上，引入Kinect傳感裝備，獲取體骨骼信息，用狀態(tài)機匹配方法識別手勢類型，建立手部關節(jié)和鼠標事件之間映射關系，實現(xiàn)手勢剪枝模擬交互。

2.3 形態(tài)發(fā)展模擬技術

形態(tài)發(fā)展模擬技術利用計算機圖形學技術等通過研究植物生長關鍵影響因素建立精確生產(chǎn)動態(tài)模型模擬植物生長過程。其融合植物生理模型和形態(tài)模型，迅速展現(xiàn)植物生長發(fā)育歷程，實現(xiàn)植物生長過程數(shù)字化、可視化，達到數(shù)字化虛擬植物綜合管理目的[43-44]。目前，形態(tài)發(fā)展模擬技術主要分為基于L系統(tǒng)、基于自動機模型和基于GreenLab模型等方法[45]，這些方法以植物形態(tài)結(jié)構單元劃分為基礎，通過提取植物結(jié)構與生長規(guī)律，實現(xiàn)虛擬三維植物模擬生長過程[46]。

2.3.1 基于L系統(tǒng)

L系統(tǒng)由美國生物學家Lindenmayer于1968年提出[47]，是一種形式化描述植物形態(tài)語言，通過對植物形態(tài)結(jié)構生長過程經(jīng)驗式總結(jié)、抽象，定義植物器官、組織生長規(guī)則，根據(jù)規(guī)則迭代，生成字符發(fā)展序列表現(xiàn)植物拓撲結(jié)構，幾何解釋字符串，生成復雜植物形態(tài)。

L系統(tǒng)是行字符串處理系統(tǒng)，存在模擬復雜度較高，過程較繁瑣[48]，耗時長等問題。胡海青基于L系統(tǒng)提出EasyL系統(tǒng)，以葉片為對象生長建模[49]。處理過程：首先對圖像預處理去除噪聲，根據(jù)灰度變化、二值化處理，對羅伯特交叉因子改進提取葉片輪廓；對Hilditch算法改進實現(xiàn)葉輪廓細化矢量化處理；其次利用Delaunary三角化算法，在VisualC++平臺下實現(xiàn)葉片剖分；，利用開發(fā)VP1.0系統(tǒng)原型，實現(xiàn)EasyL系統(tǒng)在計算機上迭代演化，對迭代化后字符串三維畫面顯示。

李慶忠等利用L系統(tǒng)植物生長規(guī)律和拓撲結(jié)構控制模擬[50]，利用IFS方法模擬植物各部分組成，方便模擬植物生長形態(tài)。Cokelaer等提出基于資源劃分機制新模型[51]，模擬蘋果樹生長和剪枝后反應。王甜甜等在構筑建?；A之上，引入雙尺度自動機原理，結(jié)合微分L系統(tǒng)真實模擬植物動態(tài)生長過程[52]。

2.3.2 基于自動機模型

AMAP系統(tǒng)（Advanced Modeling of Architecture of Plant）為基于建立參考軸技術的植物虛擬系統(tǒng)[53]。參考軸概念由張曉鵬等為模擬植物各個時期生長過程率先提出[54]。趙星等提出虛擬植物生長雙尺度自動機模型[55]，將植物生長機理考慮在內(nèi)。通過試驗對比證明該模型簡單形象，易于理解和實現(xiàn)；符合植物周期性生長特點，可精煉表達植物拓撲結(jié)構，利于模型參數(shù)確定。由于植物形態(tài)多樣性和枝葉繁雜性，利用計算機三維圖形繪制需要大量圖元，限制真實感知植物渲染速度，董瑩瑩等提出基于GPU虛擬植物生長雙尺度自動機模型實現(xiàn)方法[56]。該方法采用雙尺度自動機模型，在GPU頂點著色器中構造拓撲結(jié)構，在GPU幾何著色器中實現(xiàn)幾何造型，將幾何結(jié)構數(shù)據(jù)渲染到幀緩中顯示，提高植物三維圖形繪制速度。

2.3.3 基于GreenLab模型

GreenLab模型是由法國CIRAD、中國科學院自動化研究所和中國農(nóng)業(yè)大學虛擬土壤作物系統(tǒng)實驗室三方合作開發(fā)的新一代虛擬植物系統(tǒng)，基于源-庫關系植物結(jié)構功能模型[57]，具有基于器官尺度模擬生長優(yōu)點[58]。

植物器官生長發(fā)育過程相關生理生態(tài)過程是精確模擬植物器官結(jié)構重要內(nèi)容。張吳平等基于GreenLab模型原理，構建基于作物根系可利用生物量分配上根系生長發(fā)育模型[59]。該模型采用GreenLab植物功能-結(jié)構模型原理，應用自動機原理模擬植物結(jié)構生長，采用組數(shù)學方程模擬植物生物量生產(chǎn)和器官尺度生物量分配過程，模擬植物器官產(chǎn)生與形態(tài)改變模擬植物三維可視化生長過程。楊麗麗等針對不同種植密度下溫室番茄生長行為，采用GreenLab模型將番茄葉片出現(xiàn)速率受密度影響這一因子引入其中，采用分段差值方法提高模型精準度，獲得不同密度下番茄生長模型參數(shù)，通過參數(shù)分析獲得環(huán)境對番茄植物生長相關性[60]。國紅等針對樹木結(jié)構-功能模型應用于成年樹時需要解決拓撲結(jié)構復雜性和年輪分配模式普適性問題[61]，首次將GreenLab模型應用于虛擬樹木生長研究。該研究利用GreenLab模型模擬植物生長和可視化，模型參數(shù)通過直接測量予以獲取，采用分層抽樣方法，減少作物形態(tài)和生物量測量時間，利用子結(jié)構模型將相同生理年齡和實際年齡樹枝視為一致，減少擬合所需單元，減少模擬時間，提高機構-功能模型植物模擬效率。

3 發(fā)展分析與趨勢

3.1 剪枝機械優(yōu)缺點

目前市場上剪枝工具有人工剪枝工具和半自動化剪枝裝備，其中仍以人工剪枝工具為主。

人工剪枝工具結(jié)構簡單，操作簡便，不受氣候和地形影響，適應性強。在操作性、剪枝作業(yè)針對性和能耗有效性等方面優(yōu)勢明顯，但人工剪枝作業(yè)存在技術性強、勞動強度大、作業(yè)效率低等問題，不適于大規(guī)模果園使用。

半自動化剪枝裝備多由牽引車拖行剪枝裝備作業(yè)，僅需通過操縱桿或按鈕控制，可解放勞動力；適用于規(guī)?；N植果園，緩解大規(guī)模生產(chǎn)人員不足問題。但該類半自動化裝備對果園規(guī)范化要求較高，可修剪樹形幾何形狀比較單一，僅適用于粗剪，無法選擇性精剪，自動化水平相對較低。

3.2 虛擬剪枝優(yōu)缺點

目前，虛擬剪枝技術主要側(cè)重于植物三維模型重建及可視化顯示等技術，用于研究剪枝作業(yè)對果樹枝條和產(chǎn)量影響。利用虛擬剪枝技術可以快速獲取植物冠層三維形態(tài)，避免人工測量或目測等方式存在獲取速度慢、精度低、主觀性強等問題，通過調(diào)整參數(shù)模擬去除枝條和植物生長發(fā)育過程，結(jié)合可視化技術將不同時期拓撲結(jié)構三維圖形化表示，形象直觀地展現(xiàn)植物剪枝后生長狀況，有效克服傳統(tǒng)剪枝高破壞性、不可逆性和剪枝效果難以快速呈現(xiàn)等缺點。

虛擬剪枝對于三維重建技術，基于圖像三維重建技術受光照影響較大；對大型植物獲取圖形無簡便算法匹配、拼接和三維重建；為減少難度，多數(shù)僅三維重建主要枝干；基于深度相機三維重建雖可直接獲取空間距離，避免光照影響，但存在分辨率較低、掃描范圍小等問題。基于激光掃描三維重建技術獲得不同位置角度面點云數(shù)據(jù)，如何對龐大點云數(shù)據(jù)快速處理，得到有效數(shù)據(jù)，成為制約激光掃描技術難點?；谌S數(shù)字化儀方法精確度高，數(shù)據(jù)采集量相對較小，但測量過程耗時較多，對枝葉繁多樹冠數(shù)據(jù)采集精準度依然不高。

三維虛擬交互剪枝技術，僅能實現(xiàn)簡單示意性整枝修剪，交互方式通過鼠標實現(xiàn)，缺乏田間林區(qū)剪枝真實感。目前交互技術未將理論與實踐結(jié)合，無法實現(xiàn)全面、精準剪枝。

形態(tài)發(fā)展模擬技術通過調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)生長模擬，不能模擬環(huán)境變化交互影響和改變植物結(jié)構的交互影響過程。目前，對于植物生長機理和發(fā)育機研究較少[62]，在整枝修剪后，難以實現(xiàn)果樹枝條生長和結(jié)果、果樹與環(huán)境、產(chǎn)量與質(zhì)量均衡統(tǒng)一及增產(chǎn)增效目的。

3.3 剪枝機械發(fā)展趨勢

果樹剪枝是果園生產(chǎn)不可或缺技術環(huán)節(jié)，針對目前果園剪枝以人工剪枝工具為主現(xiàn)狀，應不斷改善人工剪枝工具，深化剪枝機械功能化、智能化研究。

3.3.1 人工剪枝工具

目前人工剪枝工具材料多為鋼鐵材質(zhì)，重量較大。應開發(fā)、利用新材料，保證使用強度前提下，不斷減輕剪枝工具重量，降低勞動強度。

優(yōu)化現(xiàn)有剪枝工具結(jié)構，針對不同直徑枝條，合理設計修枝剪手柄長度、上下刀刃長度、刀刃角度及手柄開度。

對于氣動修枝工具，存在配套動力不合理，缺少適用剪枝作業(yè)特點空氣壓縮機。應改進配套動力，開發(fā)不同配套動力剪枝機，合理利用農(nóng)戶現(xiàn)有機具，減少農(nóng)戶支出。

對于電動剪枝機，應利用新研發(fā)大容量電池，縮小體積，延長作業(yè)時間。

3.3.2 剪枝機械

適應不同果樹品種、冠型整形修剪，通過更換不同作業(yè)頭，實現(xiàn)一機多用，提高剪枝裝備通用性?？筛鶕?jù)果樹不同生長及生產(chǎn)需求選擇粗剪或精剪作業(yè)，具有枝葉收集、粉碎等處理功能，集多功能于一體。

開發(fā)全自動化智能剪枝裝備，可實現(xiàn)待剪枝干識別、剪除，自主完成剪枝作業(yè)，應具備以下特點：結(jié)合虛擬剪枝技術，首先果樹冠層三維重建，對枝干識別、選取，模擬剪除，利用植物形態(tài)發(fā)展模擬技術對其生長模擬，了解其生長發(fā)育、產(chǎn)量及果品質(zhì)量情況，選出最佳剪枝方式，控制機械臂剪除。例如：新西蘭坎特伯雷大學Botterill等發(fā)明的葡萄剪枝機器系統(tǒng)[63]，如圖5所示。該系統(tǒng)利用三目相機建立葡萄三維模型，通過人工智能系統(tǒng)識別待剪枝條，控制六自由度機械臂實現(xiàn)剪枝作業(yè)。田間試驗證明，以0.25 m·s-1速度作業(yè)時，剪枝錯誤率≤1%，每棵葡萄樹剪枝時間為2 min，基本與人工剪枝作業(yè)耗時持平。

圖5 葡萄剪枝機器系統(tǒng)Fig.5 Robot system for pruning grape vines

4 展望

果園機械化、自動化剪枝對提高水果產(chǎn)量、品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本具有重要意義。應結(jié)合新興虛擬剪枝技術，設計生產(chǎn)適用于規(guī)?；麍@生產(chǎn)的智能化機械，減少作業(yè)過程人為參與，提高作業(yè)效率和生產(chǎn)效益。

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Progress advance on pruning mechanization and automation of fruit trees

/LI Shougen,KANG Feng,LI Wenbin,ZHOU Sanzhang,HAN Xuemei
(School of Technology, Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Pruning is the most time-consuming and labor-intensive link of the orchard production and has important meaning for orchard development.With the modern orchard planting such as scale is increasing,the problems the shortage of skilled workers,the cost increases are particularly acute.Pruning machinery developed slowly because of the complexity of fruit tree branches as well as technical and irreversibility of fruit tree pruning,which became one of the important factors restricting orchard development.Therefore,this paper briefly described the importance of pruning and classified the domestic and foreign pruning machinery,then briefly introduced its development status and described the relevant mechanical mechanism,working principle and pruning effect.In addition,it mainly introduced the emerging virtual pruning technology and summarized its development present status, advantages and disadvantages and related technologies and finally put forward the prospect of the development trend of pruning machinery combining with the related fields.

pruning machinery;virtual pruning;3D reconstruction;3D virtual interaction pruning; morphological development simulation

S224

A

1005-9369（2017）08-0088-09

時間2017-9-12 11:39:03[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170912.1139.022.html

李守根,康峰,李文彬,等.果樹剪枝機械化及自動化研究進展[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2017,48(8):88-96.

Li Shougen,Kang Feng,Li Wenbin,et al.Progress advance on pruning mechanization and automation of fruit trees[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(8):88-96.(in Chinese with English abstract)

2016-08-27

國家自然科學基金項目（31600588）

李守根（1990-），男，博士研究生，研究方向為森林工程裝備及其自動化。E-mail:li_shougen@bjfu.edu.cn

*通訊作者：康峰，副教授，碩士生導師，研究方向為森林工程裝備及其自動化。E-mail:kangfeng98@bjfu.edu.cn