果樹枝條修剪機(jī)械化及自動(dòng)化研究進(jìn)展

□陳建章

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性戰(zhàn)略，是進(jìn)一步提高生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的重要舉措。經(jīng)過(guò)實(shí)踐探索發(fā)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的基礎(chǔ)上加強(qiáng)自動(dòng)化建設(shè)，有助于最大限度提升農(nóng)業(yè)發(fā)展效率。而水果產(chǎn)業(yè)在近年來(lái)成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中發(fā)展速度較快的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)之一，實(shí)現(xiàn)果農(nóng)增收，提高地方經(jīng)濟(jì)水平。而在果樹種植環(huán)節(jié)，枝條修剪是其重要的培育步驟，其對(duì)果樹產(chǎn)量和果實(shí)質(zhì)量具有較大的影響。然而部分地區(qū)受生產(chǎn)方式以及機(jī)械自動(dòng)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此在農(nóng)科技術(shù)不斷革新、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的背景下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究果樹枝條修剪機(jī)械化和自動(dòng)化，大幅提高果樹產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入。

一、我國(guó)果樹枝條修剪發(fā)展歷程

截至目前，我國(guó)果樹枝條修剪工作主要實(shí)施人工和機(jī)械化兩種方式。

(一)人工修枝。人工修枝是果樹業(yè)最為常見(jiàn)的修剪作業(yè)方法，其應(yīng)用歷史較為悠久，在果樹產(chǎn)業(yè)規(guī)模形成后，為保障果樹產(chǎn)量和坐果質(zhì)量，人工修枝則成為主要的操作方式。同時(shí)該方法也是生產(chǎn)落后的表現(xiàn)之一，在很大程度上體現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)密集型的特點(diǎn)。而且該方法不受環(huán)境和地理?xiàng)l件的限制，具有操作便捷、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工具攜帶方便的優(yōu)勢(shì)，在大部分果樹種植區(qū)，人工修枝方式占有很大比重。不過(guò)，隨著果樹產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人工修枝的弊端也逐漸顯現(xiàn)，比如其實(shí)際操作具有不可逆性，必須保障種植戶具有較高的技術(shù)水平，避免對(duì)果樹造成傷害等不良影響。同時(shí)人工修枝的作業(yè)強(qiáng)度較大，對(duì)操作人員體能要求較高，如在大面積果樹種植園中，則作業(yè)效率較慢。另外，利用電動(dòng)修剪機(jī)時(shí)，具有噪聲大、操作持續(xù)時(shí)間短等缺陷，而且人工成本高昂[1]。

(二)機(jī)械修枝。機(jī)械修枝是基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新作業(yè)形式。有助于使用大面積種植園和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，有效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)人工修枝存在的不足，充分滿足果樹培育需求。因此半自動(dòng)化修剪機(jī)械得到廣泛應(yīng)用，普遍是采用復(fù)式刀、回旋式機(jī)械等，利用刀具模型交錯(cuò)或者均勻分布在刀架上，再經(jīng)過(guò)拖拉機(jī)等動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)對(duì)果樹開展修剪。該方式的優(yōu)勢(shì)則是勞動(dòng)力、物力、財(cái)力投入較少。但存在適應(yīng)性不足的缺陷，僅可在粗獷式經(jīng)營(yíng)、矮化密植果園中具有一定實(shí)用性。因此在當(dāng)前及未來(lái)需探索全自動(dòng)化果樹修枝機(jī)械，滿足現(xiàn)代果樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

二、果樹枝條修剪機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

(一)常用果樹剪枝機(jī)械。現(xiàn)階段，果樹自動(dòng)化、機(jī)械化修枝已經(jīng)普及到部分地區(qū)，比較常用的修剪機(jī)械有以下幾種。

1.手搖剪枝器。其是從國(guó)外引進(jìn)的一種半自動(dòng)化果樹修剪設(shè)備，在應(yīng)用時(shí)具有操作簡(jiǎn)單、便于攜帶的優(yōu)勢(shì)，一般適用于矮化密植果樹產(chǎn)業(yè)，可有效提高修枝效率，降低培育成本。

2.果樹電動(dòng)剪枝機(jī)。針對(duì)我國(guó)果樹產(chǎn)業(yè)的實(shí)際發(fā)展特征，自主研發(fā)一款電動(dòng)型枝條修剪機(jī)。主要是由刀具模型、鋰電池供電系統(tǒng)、刀架等部件所構(gòu)成。在操作中果農(nóng)只需按動(dòng)扳機(jī)，即可將多余的枝條進(jìn)行修剪，能夠進(jìn)一步加快修枝作業(yè)效率。但其長(zhǎng)時(shí)間使用性能較差，作業(yè)不連續(xù)，往往被應(yīng)用于葡萄等矮叢植物枝條剪枝作業(yè)。

3.四合一高枝果樹電動(dòng)剪枝機(jī)。該機(jī)械是由我國(guó)科技公司自主研發(fā)生產(chǎn)的新型半自動(dòng)化修剪設(shè)備，可利用拼接式操控手柄，控制多個(gè)操作口。同時(shí)在實(shí)施剪枝操作中，具有應(yīng)用流程簡(jiǎn)單的顯著特征。而且緩解了高枝果樹剪枝困難的問(wèn)題，對(duì)矮叢果樹枝條修剪則具有不適應(yīng)性。

(二)果樹修剪機(jī)械化及自動(dòng)化現(xiàn)狀。我國(guó)果樹修剪機(jī)械化及自動(dòng)化的研究發(fā)展尚處于初級(jí)階段，但隨著果樹行業(yè)的不斷發(fā)展、在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支持下，其機(jī)械化程度持續(xù)深入。但從目前實(shí)際出發(fā)，果樹修枝自動(dòng)化仍存在可操作性不足的現(xiàn)狀，而且成本投入較大，多數(shù)中小型規(guī)模果園難以實(shí)現(xiàn)全面的機(jī)械化作業(yè)。并且在應(yīng)用相關(guān)設(shè)備和技術(shù)時(shí)，對(duì)果樹的破壞性較大。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步積極運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，構(gòu)建果樹修枝虛擬模型，利用可視化技術(shù)直觀觀察果樹的生理生長(zhǎng)指標(biāo)，掌握其光合特性、枝條生長(zhǎng)數(shù)量和方向、樹形變化以及熒光特征等。以此制定科學(xué)可行的果樹修剪操作方案，保證果樹產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，防止出現(xiàn)資源浪費(fèi)等問(wèn)題[2]。

三、果樹枝條修剪機(jī)械化及自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

(一)激光掃描技術(shù)。對(duì)果樹枝條修剪機(jī)械化及自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，主要是引進(jìn)激光技術(shù)，通過(guò)掃描準(zhǔn)確獲取果樹生長(zhǎng)的三維角度數(shù)據(jù)，比如枝條數(shù)量信息、枝條粗徑、葉面積指數(shù)、光合性能和冠幅等。將各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，有序輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)虛擬分析，從而為果樹修枝提供科學(xué)技術(shù)支持。同時(shí)，還要將激光技術(shù)與數(shù)學(xué)模型、幾何參數(shù)、估算方法等進(jìn)行有效融合，改善以往落后的監(jiān)測(cè)手段，提高對(duì)果樹監(jiān)測(cè)的精確度，節(jié)省人力和時(shí)間成本。除此之外，在果樹修剪操作中合理運(yùn)用激光掃描技術(shù)，能夠在果樹生長(zhǎng)發(fā)育的不同時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的快速梳理，有利于得到最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化剪枝提供相應(yīng)的參數(shù)。近年來(lái)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度日益提高的研發(fā)形勢(shì)下，激光掃描技術(shù)得到了較大的重視，為保證其具有良好的應(yīng)用實(shí)效，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高對(duì)果樹冠幅以及葉面積指數(shù)的掃描精度，推動(dòng)水果機(jī)械功能完善化、高效化。

(二)虛擬重建技術(shù)。針對(duì)果樹修剪自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)合理應(yīng)用虛擬重建技術(shù)。即是依據(jù)果樹實(shí)際發(fā)育情況，建立直觀化的3D模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剪枝需求、剪枝方案分析。而該技術(shù)實(shí)施的前提則是做好取樣測(cè)量工作，為保障數(shù)據(jù)收集的客觀性和真實(shí)性，大多采用激光掃描或者圖像采集技術(shù)等。建立果樹三維模型后，對(duì)其各種形態(tài)進(jìn)行全面、細(xì)致分析，改善傳統(tǒng)修枝模式中的粗獷式測(cè)量和數(shù)據(jù)收集方法，提高果樹監(jiān)測(cè)精度。同時(shí)相關(guān)人員可對(duì)果樹虛擬模型進(jìn)行有效的調(diào)整，打破枝條以及生理生長(zhǎng)指標(biāo)的限制影響?；诳梢暬夹g(shù)構(gòu)建果樹不同時(shí)期的三維模型形象，并對(duì)果樹剪枝后的生長(zhǎng)情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，避免修剪機(jī)械對(duì)果樹產(chǎn)生的破壞性和不可逆轉(zhuǎn)性。比如在實(shí)際應(yīng)用中，操作人員需綜合考慮自然光照因素，確保計(jì)算機(jī)對(duì)反饋的數(shù)據(jù)和影像分析，與果樹現(xiàn)實(shí)情況相一致，防止對(duì)模型建立產(chǎn)生干擾。因此主要是對(duì)果樹主體樹干運(yùn)用虛擬重建技術(shù)，盡量減小圖像清晰度不足以及掃面范圍狹窄的問(wèn)題。

(三)虛擬交互技術(shù)。利用互聯(lián)網(wǎng)信息化手段實(shí)現(xiàn)果樹虛擬化修剪是現(xiàn)代果樹經(jīng)營(yíng)中的創(chuàng)新方法，為保證在三維空間維度上有效進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)化，將仿真修剪轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際剪枝操作，應(yīng)當(dāng)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，形成良好的虛實(shí)交互，開展果樹修剪工作。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)先構(gòu)建完善的3D載體平臺(tái)，形成三維體系的果樹模擬修剪系統(tǒng)。該平臺(tái)應(yīng)當(dāng)包含剪枝操作教學(xué)、工作標(biāo)準(zhǔn)制定以及自由變化等模塊，結(jié)合圖像采集技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等，解決在虛擬修剪環(huán)節(jié)出現(xiàn)的網(wǎng)格化問(wèn)題、場(chǎng)景設(shè)定問(wèn)題等。同時(shí)，要將虛擬技術(shù)與三維建模技術(shù)相結(jié)合，在數(shù)據(jù)分析層面上重點(diǎn)把控果樹修枝的節(jié)點(diǎn)。但因?yàn)樘摂M交互技術(shù)尚未發(fā)展成熟，難以保證理念與實(shí)踐的統(tǒng)一性。因此為盡可能地提高果樹剪枝的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整虛擬交互剪枝參數(shù)，模擬果樹生長(zhǎng)狀況，并注重對(duì)周邊環(huán)境因素的考慮，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景設(shè)定功能，有效模擬降水、光照等對(duì)果樹枝條的交互影響，促使虛擬交互剪枝與微觀生理指標(biāo)的統(tǒng)一化，提高果樹剪枝效率和坐果產(chǎn)量。

(四)圖像采集技術(shù)。在果樹枝條修剪機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)中，圖像采集的應(yīng)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(zhǎng)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可借助高清相機(jī)，從不同維度、角度全面拍攝果樹形態(tài)，進(jìn)而形成不同部位的直觀形象信息。并借助計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分層整合信息，有利于為構(gòu)建三維模型奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，可先利用模擬技術(shù)對(duì)果樹的各個(gè)部位進(jìn)行分層建立模型，輸入圖像采集成果，再依托計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)的明暗圖層變化情況，獲得果樹開展枝條修剪工藝的各項(xiàng)參數(shù)。但是從實(shí)踐層面而言，圖像采集技術(shù)的應(yīng)用只產(chǎn)生單純的示意性修剪參考意見(jiàn)，通過(guò)模擬交互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理，在一定程度上缺乏果樹模擬真實(shí)感。

四、果樹枝條修剪機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合當(dāng)前果樹枝條修剪方式的發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)應(yīng)用情況，實(shí)現(xiàn)全面機(jī)械化和自動(dòng)化存在較大的難度，其受地區(qū)環(huán)境、果樹生長(zhǎng)特點(diǎn)、管理方式、區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平以及技術(shù)研發(fā)能力等影響。因此，傳統(tǒng)人工剪枝以及半自動(dòng)化機(jī)械剪枝，仍會(huì)在今后一段時(shí)間內(nèi)占有主要地位。不過(guò)相關(guān)人員需進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)果樹剪枝機(jī)械化和自動(dòng)化的探索。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，基于經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益相平衡的基本原則，人工剪枝將會(huì)在滿足使用強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度。比如對(duì)人工修剪工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大量采用背跨式修剪機(jī)、氣動(dòng)修剪機(jī)、電動(dòng)修剪機(jī)以及車載修剪機(jī)等，延長(zhǎng)剪枝作業(yè)時(shí)間。

對(duì)于剪枝機(jī)械的發(fā)展，則是積極引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和虛擬交互技術(shù)，構(gòu)建智能化的果樹剪枝系統(tǒng)，有效識(shí)別果樹生長(zhǎng)情況，自動(dòng)辨別枝條數(shù)量和生長(zhǎng)方向，從而開展相應(yīng)的修剪操作。因此在今后一段時(shí)間內(nèi)，大數(shù)據(jù)、圖像采集、激光掃描、3D模型等先進(jìn)手段將會(huì)成為果樹機(jī)械研發(fā)制造的重點(diǎn)技術(shù)，優(yōu)化果樹生長(zhǎng)模擬，并開展仿真修剪，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剪后果樹生長(zhǎng)情況，統(tǒng)計(jì)剪枝時(shí)長(zhǎng)、磨損率、錯(cuò)誤率等，調(diào)整自動(dòng)化剪枝方案。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中，果樹產(chǎn)業(yè)作為重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)果樹的經(jīng)營(yíng)培育質(zhì)量提高越來(lái)越重視。為順應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械革新應(yīng)用發(fā)展形勢(shì)，針對(duì)果樹修枝應(yīng)當(dāng)大力推進(jìn)機(jī)械化及自動(dòng)化，減輕傳統(tǒng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本投入大、工作效率低等問(wèn)題。因此相關(guān)人員需充分結(jié)合果樹生長(zhǎng)實(shí)際情況，合理運(yùn)行虛擬修剪技術(shù)，為大規(guī)模果樹生產(chǎn)提供智能化系統(tǒng)支持，避免因人工操作失誤導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)受損。所以在未來(lái)果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，對(duì)虛擬建模技術(shù)、激光掃描技術(shù)、虛擬交互技術(shù)以及圖像采集技術(shù)等應(yīng)用逐漸深入，改善人工剪枝以及半自動(dòng)化剪枝機(jī)械存在的缺陷，盡可能提高果樹產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。