果树枝条修剪机械化及自动化研究进展

□陈建章

农业机械化是我国现代农业发展的关键性战略，是进一步提高生产力和经济质量的重要举措。经过实践探索发现，在实现机械化的基础上加强自动化建设，有助于最大限度提升农业发展效率。而水果产业在近年来成为农业经济中发展速度较快的关键产业之一，实现果农增收，提高地方经济水平。而在果树种植环节，枝条修剪是其重要的培育步骤，其对果树产量和果实质量具有较大的影响。然而部分地区受生产方式以及机械自动化水平和管理方式的影响，仍采用人工修建方法，制约果树经济的发展。因此在农科技术不断革新、现代农业进程持续推进的背景下，应当进一步研究果树枝条修剪机械化和自动化，大幅提高果树产业经济收入。

一、我国果树枝条修剪发展历程

截至目前，我国果树枝条修剪工作主要实施人工和机械化两种方式。

(一)人工修枝。人工修枝是果树业最为常见的修剪作业方法，其应用历史较为悠久，在果树产业规模形成后，为保障果树产量和坐果质量，人工修枝则成为主要的操作方式。同时该方法也是生产落后的表现之一，在很大程度上体现了传统农业劳动密集型的特点。而且该方法不受环境和地理条件的限制，具有操作便捷、机械结构简单、工具携带方便的优势，在大部分果树种植区，人工修枝方式占有很大比重。不过，随着果树产业的迅速发展，人工修枝的弊端也逐渐显现，比如其实际操作具有不可逆性，必须保障种植户具有较高的技术水平，避免对果树造成伤害等不良影响。同时人工修枝的作业强度较大，对操作人员体能要求较高，如在大面积果树种植园中，则作业效率较慢。另外，利用电动修剪机时，具有噪声大、操作持续时间短等缺陷，而且人工成本高昂[1]。

(二)机械修枝。机械修枝是基于现代农业科学技术发展而来的一种新作业形式。有助于使用大面积种植园和产业规模，有效应对传统人工修枝存在的不足，充分满足果树培育需求。因此半自动化修剪机械得到广泛应用，普遍是采用复式刀、回旋式机械等，利用刀具模型交错或者均匀分布在刀架上，再经过拖拉机等动力机械驱动，实现往复回转和直线运动对果树开展修剪。该方式的优势则是劳动力、物力、财力投入较少。但存在适应性不足的缺陷，仅可在粗犷式经营、矮化密植果园中具有一定实用性。因此在当前及未来需探索全自动化果树修枝机械，满足现代果树产业的发展需求。

二、果树枝条修剪机械化及自动化发展现状

(一)常用果树剪枝机械。现阶段，果树自动化、机械化修枝已经普及到部分地区，比较常用的修剪机械有以下几种。

1.手摇剪枝器。其是从国外引进的一种半自动化果树修剪设备，在应用时具有操作简单、便于携带的优势，一般适用于矮化密植果树产业，可有效提高修枝效率，降低培育成本。

2.果树电动剪枝机。针对我国果树产业的实际发展特征，自主研发一款电动型枝条修剪机。主要是由刀具模型、锂电池供电系统、刀架等部件所构成。在操作中果农只需按动扳机，即可将多余的枝条进行修剪，能够进一步加快修枝作业效率。但其长时间使用性能较差，作业不连续，往往被应用于葡萄等矮丛植物枝条剪枝作业。

3.四合一高枝果树电动剪枝机。该机械是由我国科技公司自主研发生产的新型半自动化修剪设备，可利用拼接式操控手柄，控制多个操作口。同时在实施剪枝操作中，具有应用流程简单的显著特征。而且缓解了高枝果树剪枝困难的问题，对矮丛果树枝条修剪则具有不适应性。

(二)果树修剪机械化及自动化现状。我国果树修剪机械化及自动化的研究发展尚处于初级阶段，但随着果树行业的不断发展、在现代科学技术的支持下，其机械化程度持续深入。但从目前实际出发，果树修枝自动化仍存在可操作性不足的现状，而且成本投入较大，多数中小型规模果园难以实现全面的机械化作业。并且在应用相关设备和技术时，对果树的破坏性较大。在此基础上，应当进一步积极运用计算机技术和信息技术，构建果树修枝虚拟模型，利用可视化技术直观观察果树的生理生长指标，掌握其光合特性、枝条生长数量和方向、树形变化以及荧光特征等。以此制定科学可行的果树修剪操作方案，保证果树产业经济效益最大化，防止出现资源浪费等问题[2]。

三、果树枝条修剪机械化及自动化技术应用

(一)激光扫描技术。对果树枝条修剪机械化及自动化技术的应用，主要是引进激光技术，通过扫描准确获取果树生长的三维角度数据，比如枝条数量信息、枝条粗径、叶面积指数、光合性能和冠幅等。将各项指标数据进行整理，有序输入到计算机系统中，可实现虚拟分析，从而为果树修枝提供科学技术支持。同时，还要将激光技术与数学模型、几何参数、估算方法等进行有效融合，改善以往落后的监测手段，提高对果树监测的精确度，节省人力和时间成本。除此之外，在果树修剪操作中合理运用激光扫描技术，能够在果树生长发育的不同时段进行点云数据收集，经过计算机的快速梳理，有利于得到最终监测数据，为实现机械化和自动化剪枝提供相应的参数。近年来，在农业机械化程度日益提高的研发形势下，激光扫描技术得到了较大的重视，为保证其具有良好的应用实效，应当进一步提高对果树冠幅以及叶面积指数的扫描精度，推动水果机械功能完善化、高效化。

(二)虚拟重建技术。针对果树修剪自动化的实现，应当合理应用虚拟重建技术。即是依据果树实际发育情况，建立直观化的3D模型，通过计算机虚拟网络进行剪枝需求、剪枝方案分析。而该技术实施的前提则是做好取样测量工作，为保障数据收集的客观性和真实性，大多采用激光扫描或者图像采集技术等。建立果树三维模型后，对其各种形态进行全面、细致分析，改善传统修枝模式中的粗犷式测量和数据收集方法，提高果树监测精度。同时相关人员可对果树虚拟模型进行有效的调整，打破枝条以及生理生长指标的限制影响。基于可视化技术构建果树不同时期的三维模型形象，并对果树剪枝后的生长情况实施监测，避免修剪机械对果树产生的破坏性和不可逆转性。比如在实际应用中，操作人员需综合考虑自然光照因素，确保计算机对反馈的数据和影像分析，与果树现实情况相一致，防止对模型建立产生干扰。因此主要是对果树主体树干运用虚拟重建技术，尽量减小图像清晰度不足以及扫面范围狭窄的问题。

(三)虚拟交互技术。利用互联网信息化手段实现果树虚拟化修剪是现代果树经营中的创新方法，为保证在三维空间维度上有效进行模拟转化，将仿真修剪转变为实际剪枝操作，应当结合虚拟现实技术，形成良好的虚实交互，开展果树修剪工作。在此基础上，应当先构建完善的3D载体平台，形成三维体系的果树模拟修剪系统。该平台应当包含剪枝操作教学、工作标准制定以及自由变化等模块，结合图像采集技术以及大数据技术等，解决在虚拟修剪环节出现的网格化问题、场景设定问题等。同时，要将虚拟技术与三维建模技术相结合，在数据分析层面上重点把控果树修枝的节点。但因为虚拟交互技术尚未发展成熟，难以保证理念与实践的统一性。因此为尽可能地提高果树剪枝的机械化和自动化水平，应当及时调整虚拟交互剪枝参数，模拟果树生长状况，并注重对周边环境因素的考虑，实现场景设定功能，有效模拟降水、光照等对果树枝条的交互影响，促使虚拟交互剪枝与微观生理指标的统一化，提高果树剪枝效率和坐果产量。

(四)图像采集技术。在果树枝条修剪机械化和自动化技术中，图像采集的应用范围较大，而且具有重要作用。尤其是在获取果树生理生长数据的过程中，可借助高清相机，从不同维度、角度全面拍摄果树形态，进而形成不同部位的直观形象信息。并借助计算机的图像处理技术，实现分层整合信息，有利于为构建三维模型奠定基础。在实际应用环节，可先利用模拟技术对果树的各个部位进行分层建立模型，输入图像采集成果，再依托计算机呈现的明暗图层变化情况，获得果树开展枝条修剪工艺的各项参数。但是从实践层面而言，图像采集技术的应用只产生单纯的示意性修剪参考意见，通过模拟交互作用实现对数据处理，在一定程度上缺乏果树模拟真实感。

四、果树枝条修剪机械化及自动化发展趋势

结合当前果树枝条修剪方式的发展现状以及技术应用情况，实现全面机械化和自动化存在较大的难度，其受地区环境、果树生长特点、管理方式、区域经济水平以及技术研发能力等影响。因此，传统人工剪枝以及半自动化机械剪枝，仍会在今后一段时间内占有主要地位。不过相关人员需进一步强化对果树剪枝机械化和自动化的探索。为实现这一目标，基于经济效益和生态效益相平衡的基本原则，人工剪枝将会在满足使用强度的条件下，尽可能使用新能源材料，并减轻工具重量，降低劳动强度。比如对人工修剪工具进行优化设计，大量采用背跨式修剪机、气动修剪机、电动修剪机以及车载修剪机等，延长剪枝作业时间。

对于剪枝机械的发展，则是积极引进计算机技术、信息技术和虚拟交互技术，构建智能化的果树剪枝系统，有效识别果树生长情况，自动辨别枝条数量和生长方向，从而开展相应的修剪操作。因此在今后一段时间内，大数据、图像采集、激光扫描、3D模型等先进手段将会成为果树机械研发制造的重点技术，优化果树生长模拟，并开展仿真修剪，实时监测剪后果树生长情况，统计剪枝时长、磨损率、错误率等，调整自动化剪枝方案。

五、结语

综上所述，在现代农业经济发展进程中，果树产业作为重要的经济增长点，对果树的经营培育质量提高越来越重视。为顺应农业机械革新应用发展形势，针对果树修枝应当大力推进机械化及自动化，减轻传统人工劳动强度大、成本投入大、工作效率低等问题。因此相关人员需充分结合果树生长实际情况，合理运行虚拟修剪技术，为大规模果树生产提供智能化系统支持，避免因人工操作失误导致经济受损。所以在未来果树产业发展中，对虚拟建模技术、激光扫描技术、虚拟交互技术以及图像采集技术等应用逐渐深入，改善人工剪枝以及半自动化剪枝机械存在的缺陷，尽可能提高果树产量，增加经济效益。