李守根，康峰，李文彬，周三章，韓雪梅

果樹剪枝機(jī)械化及自動(dòng)化研究進(jìn)展

李守根，康峰*，李文彬，周三章，韓雪梅

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

整枝修剪是果園生產(chǎn)中最為耗時(shí)耗力的作業(yè)環(huán)節(jié)，整枝修剪對(duì)水果生產(chǎn)具有重要意義。隨著現(xiàn)代果園種植規(guī)模擴(kuò)大，技術(shù)工短缺、成本增加等問(wèn)題突出。果樹枝干復(fù)雜性、剪枝技術(shù)性和不可逆性等問(wèn)題導(dǎo)致剪枝機(jī)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(guó)內(nèi)外果園剪枝機(jī)械分類，相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理和剪枝效果，重點(diǎn)介紹新興虛擬剪枝技術(shù)，論述其發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)，對(duì)剪枝機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)提出展望。

剪枝機(jī)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(jī)械裝備對(duì)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(guān)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與植物激素之間分配與運(yùn)輸、積累與消化[1-2]，改善果樹間、果樹與環(huán)境間關(guān)系，擴(kuò)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(fēng)透光條件，增強(qiáng)光合作用，減少病蟲害[4-5]，改善果樹冠層層次結(jié)構(gòu)，樹形整齊、錯(cuò)落有致，施藥時(shí)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(shè)計(jì)非自然果樹外形，控制枝條生長(zhǎng)方向，滿足觀賞需求[6-7]。

根據(jù)樹種和品種生長(zhǎng)與結(jié)果習(xí)性、樹齡、樹勢(shì)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(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)果樹豐產(chǎn)、林木增效奠定生理和樹形基礎(chǔ)。夏剪為果樹生長(zhǎng)期內(nèi)修剪，抑制新生枝條徒長(zhǎng)，促使花芽形成，改善通風(fēng)透光條件，提高果樹產(chǎn)量和果實(shí)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(jī)械設(shè)備整株幾何修剪?，F(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(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 人工剪枝

早期人工剪枝多采用手動(dòng)修枝剪（見(jiàn)圖1a），氣動(dòng)、電動(dòng)修枝剪（見(jiàn)圖1b、1c）。人工剪枝機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、不受環(huán)境和地形影響，適應(yīng)性強(qiáng)，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(shù)性強(qiáng)，具有不可逆性，需對(duì)操作員專業(yè)培訓(xùn)，剪枝作業(yè)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間舉臂，大面積剪枝作業(yè)時(shí)工作效率低、強(qiáng)度大，易引發(fā)職業(yè)病。此外，氣、電動(dòng)修枝剪相比無(wú)動(dòng)力修枝剪結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、重量增大，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，存在振動(dòng)、噪聲以及持續(xù)作業(yè)時(shí)間有限等問(wèn)題。目前，日本愛(ài)麗斯（ARS）公司、意大利CAMPAGNOLA公司根據(jù)樹種和環(huán)境不同，開(kāi)發(fā)不同類型工剪枝工具，如：ARS公司VS-8R手動(dòng)修枝剪，通過(guò)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移剪枝力，操作省力；CAMPAGNOLA公司Star35氣動(dòng)修枝剪，作業(yè)時(shí)剪切力可達(dá)2.12KN，每秒可剪切3次，適合剪枝難度較高場(chǎng)合。

圖1 手動(dòng)剪枝設(shè)備Fig.1 Manual pruning equipment

1.2 機(jī)械剪枝

上世紀(jì)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(kuò)大，單純依靠人工剪枝無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。因此，半自動(dòng)機(jī)械剪枝裝備應(yīng)運(yùn)而生，主要包括回轉(zhuǎn)式（圓盤刀、直板刀、飛鏢刀）和往復(fù)式刀具兩大類，刀具交錯(cuò)或均勻布置在單段或多段刀架上，由拖拉機(jī)牽引通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀具定軸回轉(zhuǎn)或往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，操作員通過(guò)操縱控制桿或按鈕等方式調(diào)整刀架位姿，實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)，有效解決勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低問(wèn)題。然而，機(jī)械剪枝僅適用于果樹冬、夏粗剪，對(duì)果園種植模式、樹形等要求嚴(yán)格，目前僅在現(xiàn)代矮砧密植型果園應(yīng)用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)公司在已有機(jī)型基礎(chǔ)上，在剪枝效果、功能擴(kuò)展等方面不斷改進(jìn)優(yōu)化。2014年，意大利Fa-MA公司針對(duì)矮砧密植型果園開(kāi)發(fā)一款窗式修剪機(jī)[12]，如圖2所示。該裝備在傳統(tǒng)往復(fù)式刀具剪枝機(jī)基礎(chǔ)上，添加多個(gè)“開(kāi)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(jī)構(gòu)修剪。這種內(nèi)外同時(shí)修剪方式既可去除主干多余大枝條，又可實(shí)現(xiàn)果樹冠層“開(kāi)窗”，形成長(zhǎng)、短枝交替布局冠型，提高果樹通光性。目前，這種窗式修剪機(jī)已應(yīng)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(guó)愛(ài)德華公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)果樹剪枝機(jī)如圖3所示。該剪枝機(jī)采用拖拉機(jī)前置懸掛設(shè)計(jì)，在同一機(jī)架上可選裝不同剪枝刀具，如往復(fù)雙動(dòng)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(jī)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(jī)控制模塊通過(guò)吸盤固定在機(jī)艙窗口上，所有功能均可通過(guò)單手控制操縱桿和觸摸屏實(shí)現(xiàn)。

圖2 窗式修剪機(jī)Fig.2 Window trimmer

2015年烏魯木齊優(yōu)尼克生物科技有限公司設(shè)計(jì)一款喂料型高效葡萄枝剪切機(jī)[13]，如圖4所示。是往復(fù)式切割器修剪機(jī)，在機(jī)架側(cè)面和頂部安裝往復(fù)式切割器，可分別通過(guò)液壓油缸調(diào)整修剪高度。該剪切機(jī)剪枝作業(yè)時(shí)，喂料器撥動(dòng)桿首先將位于刀片前方樹枝向刀刃撥送，配合往復(fù)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(shù)性強(qiáng)，效果不明確，傳統(tǒng)剪枝方式破壞性強(qiáng)、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(jì)算機(jī)中構(gòu)建虛擬果樹生長(zhǎng)空間，通過(guò)可視化虛擬果樹剪枝觀察其后續(xù)生長(zhǎng)狀況，如：枝量變化，枝條生長(zhǎng)方向變化，樹形改變等。通過(guò)虛擬剪枝技術(shù)，探究果樹最優(yōu)剪枝方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)效最大化，避免錯(cuò)誤修剪的材料及時(shí)間損耗。虛擬剪枝技術(shù)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(shù)[14]。學(xué)者已通過(guò)建模研究不同樹形剪枝過(guò)程及生長(zhǎng)過(guò)程虛擬剪枝技術(shù)。現(xiàn)階段，虛擬剪枝技術(shù)研究多集中于果樹整形修剪。

2.1 三維重建技術(shù)

三維重建技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬剪枝技術(shù)前提，將現(xiàn)實(shí)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(jiǎn)單依靠工測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，主觀性強(qiáng)，數(shù)據(jù)可靠性低，建立三維模型無(wú)法精確、真實(shí)展現(xiàn)果樹真實(shí)狀態(tài)。三維重建技術(shù)可解決此問(wèn)題[15]。目前，三維重建技術(shù)主要基于圖像、激光掃描技術(shù)和三維數(shù)字化儀[16-17]。

圖4 喂料型高效葡萄枝剪切機(jī)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(jī)從不同角度獲取一系列圖像[18]，通過(guò)圖像處理等獲取目標(biāo)三維模型，其本質(zhì)與雙目、三目視覺(jué)原理相同，通常用于果樹冠層部分三維重建。

三維重建過(guò)程中陰影恢復(fù)形狀是計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究問(wèn)題，即利用單幅灰度圖像中物體表面明暗變化恢復(fù)其表面各點(diǎn)相對(duì)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(guò)雙目視覺(jué)獲取兩幅圖對(duì)植物或冠層像三維重建[19]，首先糾正圖像，確保圖像中相應(yīng)特征點(diǎn)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(zhǔn)相機(jī)矩陣以及三角測(cè)量方法獲得視差圖重建植物或樹冠。Karkee等利用三維相機(jī)識(shí)別待剪枝條用于蘋果樹自動(dòng)剪枝[20]。Amatya等通過(guò)利用貝葉斯分類器分割分類全葉櫻桃RGB圖像像素點(diǎn)，自動(dòng)收獲甜櫻桃[21-22]。為實(shí)現(xiàn)休眠期剪枝應(yīng)用自動(dòng)化，Chattopadhyay等利用飛行時(shí)間蘋果樹檢測(cè)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(gè)深度圖像中評(píng)估直徑誤差創(chuàng)建半圓擬合模型，通過(guò)一系列深度圖像對(duì)準(zhǔn)三維重建。

針對(duì)含有陰影植物表面快速三維重建問(wèn)題，高欣健等提出一種融合陰影恢復(fù)形狀（SFS）數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)對(duì)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(cè)量方法[24]。其次圖像配準(zhǔn)拼接也是圖像三維重建重點(diǎn)問(wèn)題，王傳宇等采用雙目立體視覺(jué)方法獲取不同旋轉(zhuǎn)角度圖像[25]，通過(guò)提取和匹配特征點(diǎn)，重建各視角下果穗表面點(diǎn)云，去除重投影后點(diǎn)云外點(diǎn)，多視角三維點(diǎn)云配準(zhǔn)，獲取整個(gè)玉米果穗表面點(diǎn)云，通過(guò)光束平差法求精，冗點(diǎn)去除、三角面片化、紋理映射和網(wǎng)格簡(jiǎn)化獲得最終果穗三維造型。鄭立華等利用Kinect相機(jī)獲取蘋果樹不同視角下原始三維點(diǎn)云[26]，設(shè)定三維坐標(biāo)取值范圍噪聲去除，利用歸一化對(duì)齊徑向特征（NARF）算法搜尋點(diǎn)云關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)快速點(diǎn)特征直方圖（FPFH）提取關(guān)鍵點(diǎn)特征，使用隨機(jī)抽樣一致性（RANSAC）算法提純映射關(guān)系完成點(diǎn)云初始配準(zhǔn)，基于（ICP算法）迭代計(jì)算方式完成配準(zhǔn)。

2.1.2 基于激光掃描技術(shù)方法

基于激光掃描技術(shù)方法是指通過(guò)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(shí)時(shí)性好、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[27-28]。

Raumonen等提出一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速估計(jì)樹冠層體積和枝干長(zhǎng)度三維建模方法[29]。該方法假設(shè)三維激光掃描儀獲取點(diǎn)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(diǎn)云區(qū)域化幾何表征，這些特征用于將點(diǎn)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(shí)現(xiàn)樹冠層體積快速估計(jì)。Bietresato等提出基于激光雷達(dá)3D立體視覺(jué)系統(tǒng)用于植物檢測(cè)[30]，該方法利用兩個(gè)垂直對(duì)齊安放激光傳感器掃描同一物體形成三維立體視覺(jué)，簡(jiǎn)單有效定義樹木冠層橫截面積和體積初步算法。

針對(duì)室外條件，植物表面顏色和真實(shí)顏色存在色差問(wèn)題，郭彩玲等提出一種果樹冠層三維點(diǎn)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(diǎn)云獲取，通過(guò)掃描環(huán)境中太陽(yáng)輻射值、TCCR24標(biāo)準(zhǔn)顏色測(cè)試板與地面夾θ、TCCR24標(biāo)準(zhǔn)顏色測(cè)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(shí)模型。通過(guò)試驗(yàn)證明該方法有效性，為地面掃描儀獲取準(zhǔn)確三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維重建提供理論依據(jù)。

對(duì)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(fèi)力物力等問(wèn)題，劉芳等提出基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)樹冠體積估算方法[32]。郭彩玲等針對(duì)果樹冠層參數(shù)不精確問(wèn)題，提出基于三維點(diǎn)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(zhǔn)獲取測(cè)量對(duì)象三維坐標(biāo)，通過(guò)配套軟件重建測(cè)量對(duì)象三維模型，自20世紀(jì)90年代發(fā)展為重要數(shù)據(jù)獲取工具[34]。

目前，國(guó)外學(xué)者利用三維數(shù)字化儀實(shí)現(xiàn)蘋果樹三維重建[35-36]，分析冠層結(jié)構(gòu)與光照關(guān)系。王菲等通過(guò)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(shí)現(xiàn)果樹冠層內(nèi)光截獲計(jì)算[37]。方慧等基于結(jié)構(gòu)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、合成等操作快速獲得植物體三維重建[38]。李娜等針對(duì)不同樹形蘋果樹結(jié)構(gòu)，運(yùn)用三維數(shù)字化儀模擬，評(píng)定果實(shí)產(chǎn)量和質(zhì)量相關(guān)參數(shù)[39]。

2.2 三維虛擬交互剪枝技術(shù)

三維虛擬交互剪枝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)操作員在三維空間中自由、仿真剪枝操作關(guān)鍵。因此，通過(guò)信息化技術(shù)改進(jìn)虛擬剪枝成為研究熱點(diǎn)。

研究將Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到果樹剪枝模擬。葉少挺等基于Unity3D平臺(tái)，提出一種虛擬楊梅三維剪枝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法[40]。該方法選擇Unity3D為試驗(yàn)平臺(tái)，包含有剪枝教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)剪枝和自由剪枝模塊，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決虛擬剪枝過(guò)程中場(chǎng)景模擬、切割求交、重新網(wǎng)格化等問(wèn)題。呂萌萌等引進(jìn)Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將三維重建模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D建立虛擬模型，通過(guò)射線拾取技術(shù)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拾取場(chǎng)景中物體剪枝點(diǎn)，判定物體和射線求交，確定拾取物體正確，根據(jù)碰撞檢測(cè)去除拾取對(duì)象[41]。試驗(yàn)證明，該方法可真實(shí)模擬果樹剪枝過(guò)程，符合技術(shù)員剪枝行為，具有較高使用價(jià)值[41]。

此外，王丹等為提高人機(jī)交互舒適性和真實(shí)性，提出基于手勢(shì)交互式剪枝方法[42]。該方法在已有三維重建模型和實(shí)現(xiàn)果樹枝條快速拾取和修剪基礎(chǔ)之上，引入Kinect傳感裝備，獲取體骨骼信息，用狀態(tài)機(jī)匹配方法識(shí)別手勢(shì)類型，建立手部關(guān)節(jié)和鼠標(biāo)事件之間映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)剪枝模擬交互。

2.3 形態(tài)發(fā)展模擬技術(shù)

形態(tài)發(fā)展模擬技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)等通過(guò)研究植物生長(zhǎng)關(guān)鍵影響因素建立精確生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模型模擬植物生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)發(fā)育歷程，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程數(shù)字化、可視化，達(dá)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(shù)主要分為基于L系統(tǒng)、基于自動(dòng)機(jī)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(gòu)單元?jiǎng)澐譃榛A(chǔ)，通過(guò)提取植物結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)虛擬三維植物模擬生長(zhǎng)過(guò)程[46]。

2.3.1 基于L系統(tǒng)

L系統(tǒng)由美國(guó)生物學(xué)家Lindenmayer于1968年提出[47]，是一種形式化描述植物形態(tài)語(yǔ)言，通過(guò)對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程經(jīng)驗(yàn)式總結(jié)、抽象，定義植物器官、組織生長(zhǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幾何解釋字符串，生成復(fù)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(fù)雜度較高，過(guò)程較繁瑣[48]，耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題。胡海青基于L系統(tǒng)提出EasyL系統(tǒng)，以葉片為對(duì)象生長(zhǎng)建模[49]。處理過(guò)程：首先對(duì)圖像預(yù)處理去除噪聲，根據(jù)灰度變化、二值化處理，對(duì)羅伯特交叉因子改進(jìn)提取葉片輪廓；對(duì)Hilditch算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)葉輪廓細(xì)化矢量化處理；其次利用Delaunary三角化算法，在VisualC++平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)葉片剖分；，利用開(kāi)發(fā)VP1.0系統(tǒng)原型，實(shí)現(xiàn)EasyL系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上迭代演化，對(duì)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(zhǎng)規(guī)律和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhǎng)形態(tài)。Cokelaer等提出基于資源劃分機(jī)制新模型[51]，模擬蘋果樹生長(zhǎng)和剪枝后反應(yīng)。王甜甜等在構(gòu)筑建?；A(chǔ)之上，引入雙尺度自動(dòng)機(jī)原理，結(jié)合微分L系統(tǒng)真實(shí)模擬植物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程[52]。

2.3.2 基于自動(dòng)機(jī)模型

AMAP系統(tǒng)（Advanced Modeling of Architecture of Plant）為基于建立參考軸技術(shù)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(gè)時(shí)期生長(zhǎng)過(guò)程率先提出[54]。趙星等提出虛擬植物生長(zhǎng)雙尺度自動(dòng)機(jī)模型[55]，將植物生長(zhǎng)機(jī)理考慮在內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比證明該模型簡(jiǎn)單形象，易于理解和實(shí)現(xiàn)；符合植物周期性生長(zhǎng)特點(diǎn)，可精煉表達(dá)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)三維圖形繪制需要大量圖元，限制真實(shí)感知植物渲染速度，董瑩瑩等提出基于GPU虛擬植物生長(zhǎng)雙尺度自動(dòng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)方法[56]。該方法采用雙尺度自動(dòng)機(jī)模型，在GPU頂點(diǎn)著色器中構(gòu)造拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在GPU幾何著色器中實(shí)現(xiàn)幾何造型，將幾何結(jié)構(gòu)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(guó)CIRAD、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)虛擬土壤作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室三方合作開(kāi)發(fā)的新一代虛擬植物系統(tǒng)，基于源-庫(kù)關(guān)系植物結(jié)構(gòu)功能模型[57]，具有基于器官尺度模擬生長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)[58]。

植物器官生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程相關(guān)生理生態(tài)過(guò)程是精確模擬植物器官結(jié)構(gòu)重要內(nèi)容。張吳平等基于GreenLab模型原理，構(gòu)建基于作物根系可利用生物量分配上根系生長(zhǎng)發(fā)育模型[59]。該模型采用GreenLab植物功能-結(jié)構(gòu)模型原理，應(yīng)用自動(dòng)機(jī)原理模擬植物結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，采用組數(shù)學(xué)方程模擬植物生物量生產(chǎn)和器官尺度生物量分配過(guò)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(zhǎng)過(guò)程。楊麗麗等針對(duì)不同種植密度下溫室番茄生長(zhǎng)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(zhǔn)度，獲得不同密度下番茄生長(zhǎng)模型參數(shù)，通過(guò)參數(shù)分析獲得環(huán)境對(duì)番茄植物生長(zhǎng)相關(guān)性[60]。國(guó)紅等針對(duì)樹木結(jié)構(gòu)-功能模型應(yīng)用于成年樹時(shí)需要解決拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性和年輪分配模式普適性問(wèn)題[61]，首次將GreenLab模型應(yīng)用于虛擬樹木生長(zhǎng)研究。該研究利用GreenLab模型模擬植物生長(zhǎng)和可視化，模型參數(shù)通過(guò)直接測(cè)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(cè)量時(shí)間，利用子結(jié)構(gòu)模型將相同生理年齡和實(shí)際年齡樹枝視為一致，減少擬合所需單元，減少模擬時(shí)間，提高機(jī)構(gòu)-功能模型植物模擬效率。

3 發(fā)展分析與趨勢(shì)

3.1 剪枝機(jī)械優(yōu)缺點(diǎn)

目前市場(chǎng)上剪枝工具有人工剪枝工具和半自動(dòng)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(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，不受氣候和地形影響，適應(yīng)性強(qiáng)。在操作性、剪枝作業(yè)針對(duì)性和能耗有效性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但人工剪枝作業(yè)存在技術(shù)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問(wèn)題，不適于大規(guī)模果園使用。

半自動(dòng)化剪枝裝備多由牽引車拖行剪枝裝備作業(yè)，僅需通過(guò)操縱桿或按鈕控制，可解放勞動(dòng)力；適用于規(guī)模化種植果園，緩解大規(guī)模生產(chǎn)人員不足問(wèn)題。但該類半自動(dòng)化裝備對(duì)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(wú)法選擇性精剪，自動(dòng)化水平相對(duì)較低。

3.2 虛擬剪枝優(yōu)缺點(diǎn)

目前，虛擬剪枝技術(shù)主要側(cè)重于植物三維模型重建及可視化顯示等技術(shù)，用于研究剪枝作業(yè)對(duì)果樹枝條和產(chǎn)量影響。利用虛擬剪枝技術(shù)可以快速獲取植物冠層三維形態(tài)，避免人工測(cè)量或目測(cè)等方式存在獲取速度慢、精度低、主觀性強(qiáng)等問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整參數(shù)模擬去除枝條和植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，結(jié)合可視化技術(shù)將不同時(shí)期拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三維圖形化表示，形象直觀地展現(xiàn)植物剪枝后生長(zhǎng)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(diǎn)。

虛擬剪枝對(duì)于三維重建技術(shù)，基于圖像三維重建技術(shù)受光照影響較大；對(duì)大型植物獲取圖形無(wú)簡(jiǎn)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(jī)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(wèn)題。基于激光掃描三維重建技術(shù)獲得不同位置角度面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如何對(duì)龐大點(diǎn)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(shù)難點(diǎn)?；谌S數(shù)字化儀方法精確度高，數(shù)據(jù)采集量相對(duì)較小，但測(cè)量過(guò)程耗時(shí)較多，對(duì)枝葉繁多樹冠數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度依然不高。

三維虛擬交互剪枝技術(shù)，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單示意性整枝修剪，交互方式通過(guò)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)，缺乏田間林區(qū)剪枝真實(shí)感。目前交互技術(shù)未將理論與實(shí)踐結(jié)合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面、精準(zhǔn)剪枝。

形態(tài)發(fā)展模擬技術(shù)通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)模擬，不能模擬環(huán)境變化交互影響和改變植物結(jié)構(gòu)的交互影響過(guò)程。目前，對(duì)于植物生長(zhǎng)機(jī)理和發(fā)育機(jī)研究較少[62]，在整枝修剪后，難以實(shí)現(xiàn)果樹枝條生長(zhǎng)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(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

果樹剪枝是果園生產(chǎn)不可或缺技術(shù)環(huán)節(jié)，針對(duì)目前果園剪枝以人工剪枝工具為主現(xiàn)狀，應(yīng)不斷改善人工剪枝工具，深化剪枝機(jī)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(yīng)開(kāi)發(fā)、利用新材料，保證使用強(qiáng)度前提下，不斷減輕剪枝工具重量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

優(yōu)化現(xiàn)有剪枝工具結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同直徑枝條，合理設(shè)計(jì)修枝剪手柄長(zhǎng)度、上下刀刃長(zhǎng)度、刀刃角度及手柄開(kāi)度。

對(duì)于氣動(dòng)修枝工具，存在配套動(dòng)力不合理，缺少適用剪枝作業(yè)特點(diǎn)空氣壓縮機(jī)。應(yīng)改進(jìn)配套動(dòng)力，開(kāi)發(fā)不同配套動(dòng)力剪枝機(jī)，合理利用農(nóng)戶現(xiàn)有機(jī)具，減少農(nóng)戶支出。

對(duì)于電動(dòng)剪枝機(jī)，應(yīng)利用新研發(fā)大容量電池，縮小體積，延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間。

3.3.2 剪枝機(jī)械

適應(yīng)不同果樹品種、冠型整形修剪，通過(guò)更換不同作業(yè)頭，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高剪枝裝備通用性?？筛鶕?jù)果樹不同生長(zhǎng)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(kāi)發(fā)全自動(dòng)化智能剪枝裝備，可實(shí)現(xiàn)待剪枝干識(shí)別、剪除，自主完成剪枝作業(yè)，應(yīng)具備以下特點(diǎn)：結(jié)合虛擬剪枝技術(shù)，首先果樹冠層三維重建，對(duì)枝干識(shí)別、選取，模擬剪除，利用植物形態(tài)發(fā)展模擬技術(shù)對(duì)其生長(zhǎng)模擬，了解其生長(zhǎng)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(jī)械臂剪除。例如：新西蘭坎特伯雷大學(xué)Botterill等發(fā)明的葡萄剪枝機(jī)器系統(tǒng)[63]，如圖5所示。該系統(tǒng)利用三目相機(jī)建立葡萄三維模型，通過(guò)人工智能系統(tǒng)識(shí)別待剪枝條，控制六自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)。田間試驗(yàn)證明，以0.25 m·s-1速度作業(yè)時(shí)，剪枝錯(cuò)誤率≤1%，每棵葡萄樹剪枝時(shí)間為2 min，基本與人工剪枝作業(yè)耗時(shí)持平。

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

4 展望

果園機(jī)械化、自動(dòng)化剪枝對(duì)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(yīng)結(jié)合新興虛擬剪枝技術(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)適用于規(guī)?；麍@生產(chǎn)的智能化機(jī)械，減少作業(yè)過(guò)程人為參與，提高作業(yè)效率和生產(chǎn)效益。

[1]Stephan J,Lauri P,Dones N,et al.Architecture of the pruned tree:Impact of contrasted pruning procedures over 2 Years on shoot demography and spatial distribution of leaf area in apple (Malus domestica)[J].Annals of Botany,2007,99(6):1055-1065.

[2]路艷嬌,陳克弄,楊彥文.大棚番茄整枝與養(yǎng)分吸收分配關(guān)系的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,30(4):334-338.

[3]金偉萍,邵泱峰,何勇.剪枝對(duì)山地茄子光合特性及同化物分配的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,24(4):589-592.

[4]李世葳,王述洋,王慧,等.樹木整枝修剪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2008,36(1):15-16.

[5]欒非時(shí),崔喜波,潘凱,等.大棚番茄不同品種與整枝方式對(duì)筋腐病發(fā)生研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,28(4):345-351.

[6]德央.試論園林樹木整形修剪的時(shí)期與方法[J].西藏大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,30(1):92-98.

[7]方玨.矮化密植棗園修枝剪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析[D].石河子:石河子大學(xué),2013.

[8]Kumar R.Effect of summer shoot tip pruning and early winter deflushing on flowering,fruit yield and quality of litchi(Litchi chinensis)[J].Indian Journal of Agricultural Sciences,2015,85 (12):1553-1559.

[9]張沖,劉丹花,楊婷斐,等.不同冬剪留枝量對(duì)富士蘋果生長(zhǎng)和結(jié)果的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,25(11):1650-1655.

[10]王世軍,吳媛琳,張社奇,等.修剪后蘋果枝（梢）皮層總酚含量變化的研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2013,28(5):115-119.

[11]Poni S,Tombesi S,Palliotti A,et al.Mechanical winter pruning of grapevine:Physiologicalbasesandapplications[J].Scientia Horticulturae,2016,204:88-98.

[12]Alberto Dorigoni.Cutting equipment for plant rows[P].IT, US20140345243A1.2014-11-27.

[13]烏魯木齊優(yōu)尼克生物科技有限公司.喂料型高效能葡萄枝剪切機(jī):中國(guó),201510502750.3[P].2015-08-14.

[14]雷相東,常敏,陸元昌,等.虛擬樹木生長(zhǎng)建模及可視化研究綜述[J].林業(yè)科學(xué),2006,42(11):123-131.

[15]趙春江,楊亮,郭新宇,等.基于立體視覺(jué)的玉米植株三維骨架重建[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(4):157-162.

[16]劉剛,司永勝,馮娟.農(nóng)林作物三維重建方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(6):38-46,19.

[17]Mai C,Zheng L,Li M.Rapid 3D reconstruction of fruit tree based on point cloud registration[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(增2):137-144.

[18]束搏,邱顯杰,王兆其.基于圖像的幾何建模技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(3):549-560.

[19]Ni Z,Burks T F.Plant or Tree Reconstruction Based on Stereo Vision[C].Joseph:American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting,2013,1:2476-2484.

[20]Karkee M,Adhikari B,Amatya S,et al.Identification of pruning branches in tall spindle apple trees for automated pruning[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2014,103:127-135.

[21]Amatya S,Karkee M,Gongal A,et al.Detection of cherry tree branches with full foliage in planar architecture for automated sweet-cherry harvesting[J].Biosystems Engineering,2015(146):3-15.

[22]Amatya S,Karkee M.Integration of visible branch sections and cherry clusters for detecting cherry tree branches in dense foliage canopies[J].Biosystems Engineering,2016(149):72-81.

[23]Chattopadhyay S,Akbar S A,Elfiky N M,et al.Measuring and modeling apple trees using time-of-flight data for automation of dormant pruning applications[C].IEEE Winter Conference on Applications of Computer Vision.IEEE,2016:1-9.

[24]高欣健,張旭東,高亞捷,等.基于單幅灰度圖像快速三維重建方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(2):42-47.

[25]王傳宇,郭新宇,吳升,等.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)玉米果穗三維重建方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(9):274-279,253.

[26]鄭立華,麥春艷,廖崴,等.基于Kinect相機(jī)蘋果樹三維點(diǎn)云配準(zhǔn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(5):9-14.

[27]魏學(xué)禮,肖伯祥,郭新宇,等.三維激光掃描技術(shù)在植物掃描中應(yīng)用分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(20):373-377.

[28]Thanh,劉修國(guó),王紅平,等.基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2011,48(8):112-117.

[29]Raumonen P,Kaasalainen S,Kaasalainen M,et al.Approximation of volume and branch size distribution of trees from laser scanner data[C].ISPRS-International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2011:79-84.

[30]Bietresato M,Carabin G,Vidoni R,et al.Evaluation of a LiDAR-based3D-stereoscopicvisionsystemforcrop-monitoring applications[J].Computers and Electronics in Agriculture,2016 (124):1-13.

[31]郭彩玲,宗澤,張雪,等.果樹冠層三維點(diǎn)云顏色矯正方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015(增1):27-34.

[32]劉芳,馮仲科,楊立巖,等.基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)樹冠體積估算研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(3):328-334.

[33]郭彩玲,宗澤,張雪,等.基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)蘋果樹冠層幾何參數(shù)獲取[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(3):175-181.

[34]Palmer J W,Avery D J,Wertheim S J.Effect of apple tree spacing andsummerpruningonleafareadistributionandlight interception[J].Scientia Horticulturae,1992,52(4):303-312.

[35]Farque L,Sinoquet H,Colin F.Canopy structure and light interception in Quercus petraea seedlings in relation to light regime and plant density[J].Tree Physiology,2001,21(17):1257-1267.

[36]Willaume M,Lauri P E,Sinoquet H.Light interception in apple trees influenced by canopy architecture manipulation[J].Trees, 2004,18(6):705-713.

[37]王菲,張社奇,李丙智,等.高紡錘形蘋果樹三維重建和光照特性評(píng)價(jià)[J].北方園藝,2012,36(6):10-13.

[38]方慧,胡令潮,何任濤,等.植物三維信息采集方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(3):142-147.

[39]李娜,李丙智,王金鋒,等.不同樹形對(duì)蘋果幼樹樹冠中下層光截獲與產(chǎn)量及品質(zhì)影響[J].北方園藝,2014(19):4-8.

[40]葉少挺,吳子朝,梁森苗,等.一種基于Unity3D的虛擬楊梅三維修剪系統(tǒng)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(10):1632-1635.

[41]呂萌萌,郭新宇,陸聲鏈,等.基于Unity 3D果樹交互虛擬修剪技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(4):7-11,35.

[42]王丹,邵小寧,胡少軍,等.基于Kinect虛擬果樹交互式修剪研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016(10):187-192.

[43]劉璇,孫忠富,吳祖玉,等.植物生長(zhǎng)發(fā)育形態(tài)模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2005(2):8-11.

[44]夏寧,李愛(ài)雙,蘇柱華,等.虛擬植物生長(zhǎng)技術(shù)及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(9):218-223,227.

[45]溫維亮,王勇健,李超,等.葡萄樹形態(tài)結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程數(shù)字化表達(dá)方法研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,48(11):2143-2151.

[46]Hamon L,Richard E,Richard P,et al.RTIL-system:A realtime interactive L-system for 3D interactions with virtual plants [J].Virtual Reality,2012,16(2):151-160.

[47]Lindenmayer A.Mathematical models for cellular interactions in development I.Filaments with one-sided inputs[J].Journal of Theoretical Biology,1968,18(3):280-299.

[48]Fisher J B.How predictive are computer simulations of tree architecture[J].International Journal of Plant Sciences,1992,153 (增3):S137.

[49]胡海清.虛擬植物生長(zhǎng)建模可視化技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2004.

[50]李慶忠,韓金姝.一種L系統(tǒng)與IFS相互融合植物模擬方法[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2005(6):135-139.

[51]Cokelaer T,Damien F,Guedon Y.Competition-based Model of Pruning:Application to Apple Trees[C].Davis,USA:IEEE International Symposium on Circuits&Systems,2011:87-89.

[52]王甜甜,馬學(xué)強(qiáng),代曉琳.基于構(gòu)筑模型植物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015(13):24-27,34.

[53]De Reffye P,Edelin C,Fran?on J,et al.Plant models faithful to botanical structure and development[J].Acm Siggraph Computer Graphics,1988,22(4):151-158.

[54]Blaise F.INTERACTIVE VISUALIZATION OF VIRTUAL ORCHARD[C].Bejing:InternationalSymposiumonIntelligent Information Technology in Agriculture,2003:454-461.

[55]趙星,Philippe D R,熊范綸,等.虛擬植物生長(zhǎng)雙尺度自動(dòng)機(jī)模型[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2001,24(6):608-615.

[56]董瑩瑩,趙星,王紀(jì)華.基于GPU虛擬植物生長(zhǎng)雙尺度自動(dòng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(5):207-212.

[57]Guo Y,Ma Y,Zhan Z,et al.Parameter optimization and field validation of the munctional-structural model GREENLAB for maize[J].Annals of Botany,2006,97(2):217-230.

[58]Dong Q,Louarn G,Wang Y,et al.Does the structure-function model GREENLAB deal with grop phenotypic plasticity induced by plant spacing?A case study on tomato[J].Annals of Botany, 2008,101(8):1195-1206.

[59]張吳平,郭焱,李保國(guó).小麥苗期根系三維生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型建立與應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(11):2261-2269.

[60]楊麗麗,王一鳴,康孟珍,等.不同種植密度番茄生長(zhǎng)行為結(jié)構(gòu)功能模型模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(10):156-160.

[61]國(guó)紅,雷相東,LETORT V,等.基于GreenLab原理構(gòu)建油松成年樹結(jié)構(gòu)-功能模型[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2011,35(4):422-430.

[62]Dejong T M,Negron C,Favreau R,et al.Using concepts of shoot growth and architecture to understand and predict responses of peach trees to pruning[J].Acta Horticulturae,2012,962(1):225-232.

[63]Botterill T,Paulin S,Green R,et al.A robot system for pruning grape vines[J].Journal of Field Robotics,2016,34(6):1-23.

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(shí)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(jī)械化及自動(dòng)化研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31600588）

李守根（1990-），男，博士研究生，研究方向?yàn)樯止こ萄b備及其自動(dòng)化。E-mail:li_shougen@bjfu.edu.cn

*通訊作者：康峰，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯止こ萄b備及其自動(dòng)化。E-mail:kangfeng98@bjfu.edu.cn