果树剪枝机械化及自动化研究进展

李守根，康峰，李文彬，周三章，韩雪梅

果树剪枝机械化及自动化研究进展

李守根，康峰*，李文彬，周三章，韩雪梅

（北京林业大学工学院，北京100083）

整枝修剪是果园生产中最为耗时耗力的作业环节，整枝修剪对水果生产具有重要意义。随着现代果园种植规模扩大，技术工短缺、成本增加等问题突出。果树枝干复杂性、剪枝技术性和不可逆性等问题导致剪枝机械发展缓慢，成为限制水果生产重要因素之一。文章阐述目前国内外果园剪枝机械分类，相关机械结构、工作原理和剪枝效果，重点介绍新兴虚拟剪枝技术，论述其发展现状和相关技术，对剪枝机械发展趋势提出展望。

剪枝机械；虚拟剪枝；三维重建；三维虚拟交互剪枝；形态发展模拟

剪枝机械装备对果园生产具有重要意义。剪枝可使果树主枝与侧枝分布均匀，明确主侧关系，利于果树冠层骨架牢固；果树枝条分布均匀，调节花期、果树营养物质与植物激素之间分配与运输、积累与消化[1-2]，改善果树间、果树与环境间关系，扩大着果面积，提升果品质量，增加水果产量[3]；去除枯枝、病枝，改善冠层通风透光条件，增强光合作用，减少病虫害[4-5]，改善果树冠层层次结构，树形整齐、错落有致，施药时增大药液与枝叶附着面积，提高药液利用率；利于培养和设计非自然果树外形，控制枝条生长方向，满足观赏需求[6-7]。

根据树种和品种生长与结果习性、树龄、树势及栽培方式等条件，果树剪枝一般分为冬剪和夏剪[8-9]。冬剪主要集中落叶后至第二年发芽前[10]，一般为1～2月份，去除或剪短不必要枝条以及枯枝、病虫枝，选留主干枝，培育中心枝、主枝、副主枝等，为生长期实现果树丰产、林木增效奠定生理和树形基础。夏剪为果树生长期内修剪，抑制新生枝条徒长，促使花芽形成，改善通风透光条件，提高果树产量和果实品质。根据剪枝程度不同，果树修剪分为粗剪和精剪。精剪依靠人力单枝修剪，粗剪利用机械设备整株几何修剪。现代果园冬剪采用粗、精剪结合方式[11]，而夏剪多以精剪为主。

1 果树剪枝机械发展现状

1.1 人工剪枝

早期人工剪枝多采用手动修枝剪（见图1a），气动、电动修枝剪（见图1b、1c）。人工剪枝机构简单、易操作、不受环境和地形影响，适应性强，适于冬、夏精剪，目前仍是果园剪枝主要方式。但人工剪枝技术性强，具有不可逆性，需对操作员专业培训，剪枝作业时需要长时间举臂，大面积剪枝作业时工作效率低、强度大，易引发职业病。此外，气、电动修枝剪相比无动力修枝剪结构更复杂、重量增大，增加劳动强度，存在振动、噪声以及持续作业时间有限等问题。目前，日本爱丽斯（ARS）公司、意大利CAMPAGNOLA公司根据树种和环境不同，开发不同类型工剪枝工具，如：ARS公司VS-8R手动修枝剪，通过手柄转动转移剪枝力，操作省力；CAMPAGNOLA公司Star35气动修枝剪，作业时剪切力可达2.12KN，每秒可剪切3次，适合剪枝难度较高场合。

图1 手动剪枝设备Fig.1 Manual pruning equipment

1.2 机械剪枝

上世纪70年代现代果园（如矮砧密植型苹果、梨、葡萄）迅速兴起。随着种植规模不断扩大，单纯依靠人工剪枝无法满足生产需求。因此，半自动机械剪枝装备应运而生，主要包括回转式（圆盘刀、直板刀、飞镖刀）和往复式刀具两大类，刀具交错或均匀布置在单段或多段刀架上，由拖拉机牵引通过液压系统驱动刀具定轴回转或往复直线运动，操作员通过操纵控制杆或按钮等方式调整刀架位姿，实现剪枝作业，有效解决劳动强度大、效率低问题。然而，机械剪枝仅适用于果树冬、夏粗剪，对果园种植模式、树形等要求严格，目前仅在现代矮砧密植型果园应用。

近年来，国内外农机公司在已有机型基础上，在剪枝效果、功能扩展等方面不断改进优化。2014年，意大利Fa-MA公司针对矮砧密植型果园开发一款窗式修剪机[12]，如图2所示。该装备在传统往复式刀具剪枝机基础上，添加多个“开窗刀”，可探入冠层内部修剪，冠层外部依然由传统剪枝机构修剪。这种内外同时修剪方式既可去除主干多余大枝条，又可实现果树冠层“开窗”，形成长、短枝交替布局冠型，提高果树通光性。目前，这种窗式修剪机已应用于现代果园中苹果、梨等果树剪枝作业，效果良好。

德国爱德华公司设计生产果树剪枝机如图3所示。该剪枝机采用拖拉机前置悬挂设计，在同一机架上可选装不同剪枝刀具，如往复双动刀、圆盘刀和飞镖刀，满足不同剪枝作业要求，可更换疏花作业头用于机械疏花，集果树剪枝和疏花功能于一身，装备功能多样化。其次，该剪枝机控制模块通过吸盘固定在机舱窗口上，所有功能均可通过单手控制操纵杆和触摸屏实现。

图2 窗式修剪机Fig.2 Window trimmer

2015年乌鲁木齐优尼克生物科技有限公司设计一款喂料型高效葡萄枝剪切机[13]，如图4所示。是往复式切割器修剪机，在机架侧面和顶部安装往复式切割器，可分别通过液压油缸调整修剪高度。该剪切机剪枝作业时，喂料器拨动杆首先将位于刀片前方树枝向刀刃拨送，配合往复式切割器快速高效地剪切葡萄枝，位于顶端卧式切割器可将葡萄树顶端枝条高速剪断，提高剪枝作业效率。

2 虚拟剪枝

果树剪枝技术性强，效果不明确，传统剪枝方式破坏性强、成本高，难以保证剪枝效果最优化、果树产量效益最大化。而虚拟剪枝即在计算机中构建虚拟果树生长空间，通过可视化虚拟果树剪枝观察其后续生长状况，如：枝量变化，枝条生长方向变化，树形改变等。通过虚拟剪枝技术，探究果树最优剪枝方式，实现产效最大化，避免错误修剪的材料及时间损耗。虚拟剪枝技术主要包含三维重建、三维虚拟交互剪枝和形态发展模拟技术[14]。学者已通过建模研究不同树形剪枝过程及生长过程虚拟剪枝技术。现阶段，虚拟剪枝技术研究多集中于果树整形修剪。

2.1 三维重建技术

三维重建技术是实现虚拟剪枝技术前提，将现实中果树以模型方式在三维空间中再现。大部分果树枝叶稠密，简单依靠工测量费时费力，主观性强，数据可靠性低，建立三维模型无法精确、真实展现果树真实状态。三维重建技术可解决此问题[15]。目前，三维重建技术主要基于图像、激光扫描技术和三维数字化仪[16-17]。

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

2.1.1 基于图像方法

基于图像方法是利用相机从不同角度获取一系列图像[18]，通过图像处理等获取目标三维模型，其本质与双目、三目视觉原理相同，通常用于果树冠层部分三维重建。

三维重建过程中阴影恢复形状是计算机视觉研究问题，即利用单幅灰度图像中物体表面明暗变化恢复其表面各点相对高度或表面法向方向等参数值，重建物体表面形状。Ni等通过双目视觉获取两幅图对植物或冠层像三维重建[19]，首先纠正图像，确保图像中相应特征点位于相同水平线上，使用高效大规模立体匹配（ELAS）算法找到视差图，最终基于校准相机矩阵以及三角测量方法获得视差图重建植物或树冠。Karkee等利用三维相机识别待剪枝条用于苹果树自动剪枝[20]。Amatya等通过利用贝叶斯分类器分割分类全叶樱桃RGB图像像素点，自动收获甜樱桃[21-22]。为实现休眠期剪枝应用自动化，Chattopadhyay等利用飞行时间苹果树检测和建模[23]，提出基于鲁棒性半圆拟合3D重建方案。该方案从单个深度图像中评估直径误差创建半圆拟合模型，通过一系列深度图像对准三维重建。

针对含有阴影植物表面快速三维重建问题，高欣健等提出一种融合阴影恢复形状（SFS）数据与旋转对称激光三角传感器数据基于单幅灰度图像快速智能测量方法[24]。其次图像配准拼接也是图像三维重建重点问题，王传宇等采用双目立体视觉方法获取不同旋转角度图像[25]，通过提取和匹配特征点，重建各视角下果穗表面点云，去除重投影后点云外点，多视角三维点云配准，获取整个玉米果穗表面点云，通过光束平差法求精，冗点去除、三角面片化、纹理映射和网格简化获得最终果穗三维造型。郑立华等利用Kinect相机获取苹果树不同视角下原始三维点云[26]，设定三维坐标取值范围噪声去除，利用归一化对齐径向特征（NARF）算法搜寻点云关键点，通过快速点特征直方图（FPFH）提取关键点特征，使用随机抽样一致性（RANSAC）算法提纯映射关系完成点云初始配准，基于（ICP算法）迭代计算方式完成配准。

2.1.2 基于激光扫描技术方法

基于激光扫描技术方法是指通过发射激光获取林木枝干直径、距离、方向等空间信息，根据空间信息林木三维重建。该方法具有实时性好、精度高、主动性强等优点[27-28]。

Raumonen等提出一种基于点云数据快速估计树冠层体积和枝干长度三维建模方法[29]。该方法假设三维激光扫描仪获取点云是3D空间中表面样本，树干近似圆柱体，利用局部法将符合表面点云区域化几何表征，这些特征用于将点云分类到树干、树枝和其他枝节，使用区域几何特征确定适合子集以实现树冠层体积快速估计。Bietresato等提出基于激光雷达3D立体视觉系统用于植物检测[30]，该方法利用两个垂直对齐安放激光传感器扫描同一物体形成三维立体视觉，简单有效定义树木冠层横截面积和体积初步算法。

针对室外条件，植物表面颜色和真实颜色存在色差问题，郭彩玲等提出一种果树冠层三维点云颜色矫正方法[31]。该方法采用“顶式法”利用三维激光扫描仪三维点云获取，通过扫描环境中太阳辐射值、TCCR24标准颜色测试板与地面夹θ、TCCR24标准颜色测试板不同色块颜色、扫描质量、光线方向变量分析，采用双重筛选逐步回归方法，建立置信度为95%时模型。通过试验证明该方法有效性，为地面扫描仪获取准确三维点云数据及三维重建提供理论依据。

对于传统方法获取树冠体积、表面积和叶面指数等参数效率较低、耗费力物力等问题，刘芳等提出基于三维激光点云数据树冠体积估算方法[32]。郭彩玲等针对果树冠层参数不精确问题，提出基于三维点云数据苹果树冠层几何参数获取方法，为果树冠层参数获取提供理论支撑[33]。

2.1.3 基于三维数字化仪

三维数字化仪可快速精准获取测量对象三维坐标，通过配套软件重建测量对象三维模型，自20世纪90年代发展为重要数据获取工具[34]。

目前，国外学者利用三维数字化仪实现苹果树三维重建[35-36]，分析冠层结构与光照关系。王菲等通过三维数字化仪和Piaf Digit软件三维重建高纺锤形苹果树，利用Vege STAR软件实现果树冠层内光截获计算[37]。方慧等基于结构光三维扫描仪（3D Scanner）结合必要旋转装置获取植物多角度三维点云数据，经过配准、合成等操作快速获得植物体三维重建[38]。李娜等针对不同树形苹果树结构，运用三维数字化仪模拟，评定果实产量和质量相关参数[39]。

2.2 三维虚拟交互剪枝技术

三维虚拟交互剪枝技术是实现操作员在三维空间中自由、仿真剪枝操作关键。因此，通过信息化技术改进虚拟剪枝成为研究热点。

研究将Unity3D虚拟现实技术应用到果树剪枝模拟。叶少挺等基于Unity3D平台，提出一种虚拟杨梅三维剪枝系统实现方法[40]。该方法选择Unity3D为试验平台，包含有剪枝教学、标准剪枝和自由剪枝模块，利用计算机图形学和互联网络技术解决虚拟剪枝过程中场景模拟、切割求交、重新网格化等问题。吕萌萌等引进Unity3D虚拟现实技术，将三维重建模型导入Unity3D建立虚拟模型，通过射线拾取技术实现鼠标拾取场景中物体剪枝点，判定物体和射线求交，确定拾取物体正确，根据碰撞检测去除拾取对象[41]。试验证明，该方法可真实模拟果树剪枝过程，符合技术员剪枝行为，具有较高使用价值[41]。

此外，王丹等为提高人机交互舒适性和真实性，提出基于手势交互式剪枝方法[42]。该方法在已有三维重建模型和实现果树枝条快速拾取和修剪基础之上，引入Kinect传感装备，获取体骨骼信息，用状态机匹配方法识别手势类型，建立手部关节和鼠标事件之间映射关系，实现手势剪枝模拟交互。

2.3 形态发展模拟技术

形态发展模拟技术利用计算机图形学技术等通过研究植物生长关键影响因素建立精确生产动态模型模拟植物生长过程。其融合植物生理模型和形态模型，迅速展现植物生长发育历程，实现植物生长过程数字化、可视化，达到数字化虚拟植物综合管理目的[43-44]。目前，形态发展模拟技术主要分为基于L系统、基于自动机模型和基于GreenLab模型等方法[45]，这些方法以植物形态结构单元划分为基础，通过提取植物结构与生长规律，实现虚拟三维植物模拟生长过程[46]。

2.3.1 基于L系统

L系统由美国生物学家Lindenmayer于1968年提出[47]，是一种形式化描述植物形态语言，通过对植物形态结构生长过程经验式总结、抽象，定义植物器官、组织生长规则，根据规则迭代，生成字符发展序列表现植物拓扑结构，几何解释字符串，生成复杂植物形态。

L系统是行字符串处理系统，存在模拟复杂度较高，过程较繁琐[48]，耗时长等问题。胡海青基于L系统提出EasyL系统，以叶片为对象生长建模[49]。处理过程：首先对图像预处理去除噪声，根据灰度变化、二值化处理，对罗伯特交叉因子改进提取叶片轮廓；对Hilditch算法改进实现叶轮廓细化矢量化处理；其次利用Delaunary三角化算法，在VisualC++平台下实现叶片剖分；，利用开发VP1.0系统原型，实现EasyL系统在计算机上迭代演化，对迭代化后字符串三维画面显示。

李庆忠等利用L系统植物生长规律和拓扑结构控制模拟[50]，利用IFS方法模拟植物各部分组成，方便模拟植物生长形态。Cokelaer等提出基于资源划分机制新模型[51]，模拟苹果树生长和剪枝后反应。王甜甜等在构筑建模基础之上，引入双尺度自动机原理，结合微分L系统真实模拟植物动态生长过程[52]。

2.3.2 基于自动机模型

AMAP系统（Advanced Modeling of Architecture of Plant）为基于建立参考轴技术的植物虚拟系统[53]。参考轴概念由张晓鹏等为模拟植物各个时期生长过程率先提出[54]。赵星等提出虚拟植物生长双尺度自动机模型[55]，将植物生长机理考虑在内。通过试验对比证明该模型简单形象，易于理解和实现；符合植物周期性生长特点，可精炼表达植物拓扑结构，利于模型参数确定。由于植物形态多样性和枝叶繁杂性，利用计算机三维图形绘制需要大量图元，限制真实感知植物渲染速度，董莹莹等提出基于GPU虚拟植物生长双尺度自动机模型实现方法[56]。该方法采用双尺度自动机模型，在GPU顶点着色器中构造拓扑结构，在GPU几何着色器中实现几何造型，将几何结构数据渲染到帧缓中显示，提高植物三维图形绘制速度。

2.3.3 基于GreenLab模型

GreenLab模型是由法国CIRAD、中国科学院自动化研究所和中国农业大学虚拟土壤作物系统实验室三方合作开发的新一代虚拟植物系统，基于源-库关系植物结构功能模型[57]，具有基于器官尺度模拟生长优点[58]。

植物器官生长发育过程相关生理生态过程是精确模拟植物器官结构重要内容。张吴平等基于GreenLab模型原理，构建基于作物根系可利用生物量分配上根系生长发育模型[59]。该模型采用GreenLab植物功能-结构模型原理，应用自动机原理模拟植物结构生长，采用组数学方程模拟植物生物量生产和器官尺度生物量分配过程，模拟植物器官产生与形态改变模拟植物三维可视化生长过程。杨丽丽等针对不同种植密度下温室番茄生长行为，采用GreenLab模型将番茄叶片出现速率受密度影响这一因子引入其中，采用分段差值方法提高模型精准度，获得不同密度下番茄生长模型参数，通过参数分析获得环境对番茄植物生长相关性[60]。国红等针对树木结构-功能模型应用于成年树时需要解决拓扑结构复杂性和年轮分配模式普适性问题[61]，首次将GreenLab模型应用于虚拟树木生长研究。该研究利用GreenLab模型模拟植物生长和可视化，模型参数通过直接测量予以获取，采用分层抽样方法，减少作物形态和生物量测量时间，利用子结构模型将相同生理年龄和实际年龄树枝视为一致，减少拟合所需单元，减少模拟时间，提高机构-功能模型植物模拟效率。

3 发展分析与趋势

3.1 剪枝机械优缺点

目前市场上剪枝工具有人工剪枝工具和半自动化剪枝装备，其中仍以人工剪枝工具为主。

人工剪枝工具结构简单，操作简便，不受气候和地形影响，适应性强。在操作性、剪枝作业针对性和能耗有效性等方面优势明显，但人工剪枝作业存在技术性强、劳动强度大、作业效率低等问题，不适于大规模果园使用。

半自动化剪枝装备多由牵引车拖行剪枝装备作业，仅需通过操纵杆或按钮控制，可解放劳动力；适用于规模化种植果园，缓解大规模生产人员不足问题。但该类半自动化装备对果园规范化要求较高，可修剪树形几何形状比较单一，仅适用于粗剪，无法选择性精剪，自动化水平相对较低。

3.2 虚拟剪枝优缺点

目前，虚拟剪枝技术主要侧重于植物三维模型重建及可视化显示等技术，用于研究剪枝作业对果树枝条和产量影响。利用虚拟剪枝技术可以快速获取植物冠层三维形态，避免人工测量或目测等方式存在获取速度慢、精度低、主观性强等问题，通过调整参数模拟去除枝条和植物生长发育过程，结合可视化技术将不同时期拓扑结构三维图形化表示，形象直观地展现植物剪枝后生长状况，有效克服传统剪枝高破坏性、不可逆性和剪枝效果难以快速呈现等缺点。

虚拟剪枝对于三维重建技术，基于图像三维重建技术受光照影响较大；对大型植物获取图形无简便算法匹配、拼接和三维重建；为减少难度，多数仅三维重建主要枝干；基于深度相机三维重建虽可直接获取空间距离，避免光照影响，但存在分辨率较低、扫描范围小等问题。基于激光扫描三维重建技术获得不同位置角度面点云数据，如何对庞大点云数据快速处理，得到有效数据，成为制约激光扫描技术难点。基于三维数字化仪方法精确度高，数据采集量相对较小，但测量过程耗时较多，对枝叶繁多树冠数据采集精准度依然不高。

三维虚拟交互剪枝技术，仅能实现简单示意性整枝修剪，交互方式通过鼠标实现，缺乏田间林区剪枝真实感。目前交互技术未将理论与实践结合，无法实现全面、精准剪枝。

形态发展模拟技术通过调整参数实现生长模拟，不能模拟环境变化交互影响和改变植物结构的交互影响过程。目前，对于植物生长机理和发育机研究较少[62]，在整枝修剪后，难以实现果树枝条生长和结果、果树与环境、产量与质量均衡统一及增产增效目的。

3.3 剪枝机械发展趋势

果树剪枝是果园生产不可或缺技术环节，针对目前果园剪枝以人工剪枝工具为主现状，应不断改善人工剪枝工具，深化剪枝机械功能化、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为钢铁材质，重量较大。应开发、利用新材料，保证使用强度前提下，不断减轻剪枝工具重量，降低劳动强度。

优化现有剪枝工具结构，针对不同直径枝条，合理设计修枝剪手柄长度、上下刀刃长度、刀刃角度及手柄开度。

对于气动修枝工具，存在配套动力不合理，缺少适用剪枝作业特点空气压缩机。应改进配套动力，开发不同配套动力剪枝机，合理利用农户现有机具，减少农户支出。

对于电动剪枝机，应利用新研发大容量电池，缩小体积，延长作业时间。

3.3.2 剪枝机械

适应不同果树品种、冠型整形修剪，通过更换不同作业头，实现一机多用，提高剪枝装备通用性。可根据果树不同生长及生产需求选择粗剪或精剪作业，具有枝叶收集、粉碎等处理功能，集多功能于一体。

开发全自动化智能剪枝装备，可实现待剪枝干识别、剪除，自主完成剪枝作业，应具备以下特点：结合虚拟剪枝技术，首先果树冠层三维重建，对枝干识别、选取，模拟剪除，利用植物形态发展模拟技术对其生长模拟，了解其生长发育、产量及果品质量情况，选出最佳剪枝方式，控制机械臂剪除。例如：新西兰坎特伯雷大学Botterill等发明的葡萄剪枝机器系统[63]，如图5所示。该系统利用三目相机建立葡萄三维模型，通过人工智能系统识别待剪枝条，控制六自由度机械臂实现剪枝作业。田间试验证明，以0.25 m·s-1速度作业时，剪枝错误率≤1%，每棵葡萄树剪枝时间为2 min，基本与人工剪枝作业耗时持平。

图5 葡萄剪枝机器系统Fig.5 Robot system for pruning grape vines

4 展望

果园机械化、自动化剪枝对提高水果产量、品质及降低生产成本具有重要意义。应结合新兴虚拟剪枝技术，设计生产适用于规模化果园生产的智能化机械，减少作业过程人为参与，提高作业效率和生产效益。

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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

时间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.果树剪枝机械化及自动化研究进展[J].东北农业大学学报,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

国家自然科学基金项目（31600588）

李守根（1990-），男，博士研究生，研究方向为森林工程装备及其自动化。E-mail:li_shougen@bjfu.edu.cn

*通讯作者：康峰，副教授，硕士生导师，研究方向为森林工程装备及其自动化。E-mail:kangfeng98@bjfu.edu.cn