(寧波大紅鷹學(xué)院 浙江 寧波 315000)

引言

21世紀(jì)以來(lái),計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)機(jī)械邁入高度自動(dòng)化、智能化時(shí)期。且我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力正快速向社會(huì)其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人口老齡化問(wèn)題突出，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足問(wèn)題日趨嚴(yán)重。桃樹(shù)修剪具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員技術(shù)素養(yǎng)要求高、時(shí)間周期緊等特點(diǎn)，使得桃樹(shù)修剪的自動(dòng)化研究迫在眉睫[1]。

一、桃樹(shù)修剪背景

桃樹(shù)的自然生長(zhǎng)由于樹(shù)冠蔥郁、枝條繁密、光照與通風(fēng)不足易導(dǎo)致病蟲(chóng)災(zāi)害，影響果實(shí)產(chǎn)量與質(zhì)量；而合理的桃樹(shù)修剪對(duì)于幼樹(shù)擴(kuò)大樹(shù)冠和擴(kuò)展樹(shù)枝數(shù)量、盛果期桃樹(shù)保持良好的樹(shù)體結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)衰老樹(shù)重新生長(zhǎng)維持產(chǎn)量具有重要意義；桃樹(shù)修剪可以有效促進(jìn)枝條末梢的生長(zhǎng)、控制樹(shù)葉面積，從而改善桃樹(shù)光合效率；此外，通過(guò)修剪可以有效調(diào)整桃樹(shù)之間自然生長(zhǎng)的發(fā)育不均衡，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)之間的關(guān)系?，F(xiàn)如今經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科技在一步一步的不斷發(fā)展，自動(dòng)化在社會(huì)上不斷普及。而且，市場(chǎng)市場(chǎng)需求強(qiáng)大，相信在不久的將來(lái)桃樹(shù)修剪的自動(dòng)化也終將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究者針對(duì)柑橘樹(shù)分析，進(jìn)行全方位研究，分析自然場(chǎng)景柑橘樹(shù)圖像R、G、B分量，兩次采用Otsu閾值法分割色差分量圖像去除果實(shí)、樹(shù)葉、嫩枝等背景，然后采用雙閾值分割出樹(shù)枝，采用基于特征的立體匹配方法得到特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并利用圖形技術(shù)恢復(fù)柑橘樹(shù)的三維虛擬場(chǎng)景信息，但該方法由于在圖像處理方法上對(duì)于不同光照條件下的樹(shù)枝分割魯棒性不足以及圖形建模適用性較差而造成恢復(fù)后的虛擬場(chǎng)景可信度不高。

針對(duì)上述問(wèn)題，利用基于濾波片的光譜圖像技術(shù)與雙目立體視覺(jué)技術(shù)相融合的方法識(shí)別自然場(chǎng)景下的樹(shù)枝，以及通過(guò)立體匹配技術(shù)得到樹(shù)枝的三維信息。在道路識(shí)別中，常將激光掃描技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)與雙目立體視覺(jué)技術(shù)等結(jié)合，以獲得對(duì)障礙物更好的識(shí)別與定位。采用基于飛行時(shí)間法(TOF，Time-of-Flight)無(wú)掃描三維成像技術(shù)獲取樹(shù)枝的三維信息，TOF三維成像技術(shù)可以快速得到視場(chǎng)下各點(diǎn)的距離，不受光照影響，但也存在邊緣區(qū)域深度圖的深度值的誤差比較大，得到的深度圖分辨率低，無(wú)法精確標(biāo)定等缺陷，因此它可以與雙目立體視覺(jué)技術(shù)得到的三維信息進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)信息的互補(bǔ)與優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)外研究趨勢(shì)：

目前，果樹(shù)(含桃樹(shù))生長(zhǎng)狀態(tài)的模擬研究多基于虛擬植物生長(zhǎng)算法(PGSA)，虛擬植物生長(zhǎng)是指利用計(jì)算機(jī)形象直觀地再現(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程。在此之前，關(guān)于此研究，基于多方面進(jìn)行逐步實(shí)施。

首先，1968年，美國(guó)的生物學(xué)家Lindenmayer在其論文中提出形式化的表達(dá)植物分枝狀況的系統(tǒng)——字符串重寫(xiě)系統(tǒng)(String Rewriting System),習(xí)慣稱之為L(zhǎng)系統(tǒng)(L-System)。此后，研究者們實(shí)現(xiàn)了：各種改進(jìn)的L系統(tǒng)、IFS(函數(shù)迭代系統(tǒng))、參考軸技術(shù)(Reference Axis Technique)、分形方法、分枝矩陣、基于幾何可觀察量的模型、基于圖符的交互式模型以及用來(lái)模擬森林環(huán)境的粒子系統(tǒng)等，此類對(duì)虛擬植物模型的研究多集中在模擬模型構(gòu)建方法、植物幾何形態(tài)、植物生理機(jī)理模型等細(xì)節(jié)方面,相關(guān)虛擬植物可視化軟件設(shè)計(jì)也多局限于特定應(yīng)用。

最后，研究者結(jié)合基于圖像重建和L系統(tǒng)規(guī)則建模，提出一種注重于視覺(jué)效果的虛擬植物重建方法,該方法結(jié)合了L系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和基于表面建模方法的優(yōu)點(diǎn)。

三、研究?jī)?nèi)容

21世紀(jì)以來(lái),計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)機(jī)械邁入高度自動(dòng)化、智能化時(shí)期。且我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力正快速向社會(huì)其他行業(yè)轉(zhuǎn)移，人口老齡化問(wèn)題突出，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足問(wèn)題日趨嚴(yán)重。桃樹(shù)修剪具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員技術(shù)素養(yǎng)要求高、時(shí)間周期緊等特點(diǎn)，使得桃樹(shù)修剪的自動(dòng)化研究迫在眉睫。那么，我們?cè)撊绾卫锰摂M技術(shù)，進(jìn)行現(xiàn)實(shí)技術(shù)的桃樹(shù)剪枝呢？

總體來(lái)說(shuō)，我們對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行研究：

(一)場(chǎng)景三維信息提取

通過(guò)陣列攝像機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行多光譜系統(tǒng)、TOF成像技術(shù)和雙目立體視覺(jué)技術(shù)處理，對(duì)深度信息進(jìn)行獲取，把真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行圖像處理，使雙目立體視覺(jué)技術(shù)與TOF三維成像技術(shù)的信息融合，從而實(shí)現(xiàn)信息提取。

(二)桃樹(shù)生長(zhǎng)模擬、最優(yōu)修剪方案遴選

通過(guò)觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)，提取桃樹(shù)形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則，確定桃樹(shù)形態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建。其次，建立桃樹(shù)的形態(tài)發(fā)生模型和生理結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行生長(zhǎng)狀態(tài)模擬。然后，計(jì)算桃樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育狀況，生成桃樹(shù)圖形。最后，綜合不同條件的影響，遴選最優(yōu)修剪方案

(三)修剪作業(yè)模擬驗(yàn)證

通過(guò)嚴(yán)格控制與作業(yè)無(wú)關(guān)的場(chǎng)景信息，冗余信息剔除，提供最有效的信息給路徑規(guī)劃，使得路徑規(guī)劃更具實(shí)效。進(jìn)行智能仿生學(xué)算法和圖形學(xué)的方法等進(jìn)行模擬驗(yàn)證，尋求適合修剪機(jī)器人路徑規(guī)劃的最佳算法。