江西农业大学学报 ２０１４，３６（５）：１０９１－１０９６１０９１－１０９６．
ｈｔｔｐ：／／ｘｕｅｂａｏ．ｊｘａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
刘大为，谢方平，李旭，等．非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究［Ｊ］．江西农业大学学报，２０１４，３６（５）：
非精确条件下柑橘树树冠形状与
采摘平台适应性关系研究
刘大为，谢方平
１
１，２倡
，李 旭，王小龙，梅 婷
１１１
（１．湖南农业大学工学院，湖南长沙４１０１２８；２．湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙４１０１２８）
摘要：为减少采摘平台作业移动次数，尽可能使其适应树冠形状，扩大采摘面。以柑橘树为研究对象，通过对采集的照片进行分析处理，从不同成像方位和树高节点解析了样本树体树冠形状，建立了柑橘树冠形曲线数学模型，分析了柑橘树在目前种植管理模式下，树冠半径、冠幅等参数的变化趋势，讨论得出了适合柑橘园采摘平台作业的部分设计参数：升降高度应选取在０．５～１．０ｍ区间内、外形尺寸参考１．５ｍ×１．２ｍ、最小转弯半径应不超过２．０ｍ。
关键词：柑橘树；树冠；冠幅；树冠半径；机械适应性
中图分类号：Ｓ２２５．９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－２２８６（２０１４）０５－１０９１－０６
ＴｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＣｉｔｒｕｓＣａｎｏｐｙＳｈａｐｅａｎｄ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｉｃｋｉｎｇＰｌａｔｆｏｒｍｕｎｄｅｒｔｈｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＩｎｅｘａｃｔＲｅｓｅａｒｃｈ
ＬＩＵＤａ－ｗｅｉ，ＸＩＥＦａｎｇ－ｐｉｎｇ
１
１，２倡
，ＬＩＸｕ，ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｌｏｎｇ，ＭＥＩＴｉｎｇ
１１１
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭｏｄｅｒｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｃｒｏｗｎｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍａｔｉｏｎａｚｉｍｕｔｈｄｉ－ｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｓ，ｔｈｅｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｒｏｗｎｃｕｒｖｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｃｒｏｗｎａｎｄｒａｄｉｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｅｃｔ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｌａｎｔｉｎｇｍａｎ－ａｇｅｍｅｎｔｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．Ｓｏｍｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｆｉｔｔｉｎｇｃｉｔｒｕｓｏｒｃｈａｒｄｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎａｆｔｅｒｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ：ｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇｈｅｉｇｈｔｓｈｏｕｌｄｂｅｂｅｔｗｅｅｎ０．５ａｎｄ１．０ｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｚｅ１．５ｍｅｔｅｒｓ×１．２ｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｎｔｕｒｎｉｎｇｒａｄｉｕｓｌｅｓｓｔｈａｎ２．０ｍｅｔｅｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅ；ｔｒｅｅｃｒｏｗｎ；ｃａｎｏｐｙ；ｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ
柑橘是世界第一大水果，也是我国南方地区栽培面积最广的果树。随着农业产业结构调整和柑橘产业组织化程度越来越高，如何提高生产效率，降低人工支出成本是柑橘种植户们亟需解决的关键问题。采摘平台是国内外果园管理机械中应用最广的设备之一，在我国目前柑橘园种植管理模式下，设计采摘平台既要保障机器具有良好的通过性能，又要避免作业过程中对树体造成伤害，同时还要考虑同一
收稿日期：２０１４－０１－２０ 修回日期：２０１４－０３－２６
项目基金：国家“十二五”科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＤ２０Ｂ１０２）
作者简介：刘大为（１９８３—），男，硕士生，主要从事农业机械研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｄａｗｅｉ８３６１＠１６３．ｃｏｍ；倡通信作者：谢方
平，教授，博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｎａｎｘｉｅ２００２＠１６３．ｃｏｍ。
采摘位置尽可能有大的采摘面积，以便提高人工作业效率，因此，柑橘树树冠形状与机器的适应性关系分析有必要。
目前，国内外专家、学者对经济林中林木生长模型已经进行了深入、细致的研究，描述了林木各特征因子如直径、树高、冠幅等与年龄、林分密度、立地条件等的关系
［１］
。对于树冠结构的研究也已取得了
大量成果，从静态及随时间在空间的动态变化规律进行了详细的研究。在结构功能模型的应用方面，也有不少学者进行了有益的尝试，如基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统，基于可控式功能结构模型思想的作物株型设计
［２］
。但结构功能模型在果树上针对树木生长的应用并不多见。相对于果
［３］
树建模工作而言，果树图形可视化的研究工作涉猎较少。由于果树个体是一种形态不规则的物体，要想用计算机图形来形象、逼真地描述它的形态确实比较困难
。东北林业大学刘兆刚等
［４］
利用枝解析、
树干解析数据，预估樟子松树冠体积，并结合树冠体积、叶量之间的幂函数关系评估树冠表面积的分形维数，从而反映出树冠结构的动态变化规律。本文通过对湖南农业大学长安教学基地柑橘栽培示范园实地数据采集，运用照片处理分析法，得到了成年柑橘树树冠形状数据，建立非精确柑橘树树体解析模型，目的是探讨采摘平台机械与树冠形状的适应性指标，旨在为升降作业平台的外形尺寸选型和执行部件设计提供参考。
１ 材料与方法
１．１ 采样地基本情况
所选采样地为湖南农业大学长安教学基地柑橘种植示范培育区。该示范区柑橘树种植具有以下几个方面的特征：①缓坡种植，符合湖南地区柑橘种植现状；②种植规划合理，符合现代柑橘园的种植要求；③生长期管理到位，整形修剪科学合理，树形较好１．２ 树冠形状解析方法
将柑橘树树冠看作是一个有边界的综合体，把树冠的外缘看作是封闭的曲线，假定不同的高度节点的树冠伸展跨度用树冠半径来表示１．３ 采样树体的选取与测定
１．３．１ 树体选取 丰产期柑橘（甜橙），砧木为枳壳，２００７年定植，株距３ｍ，行距４ｍ，总面积约３３００ｍ，采用株间回缩和更新修剪技术，经疏花疏果栽培，树形保持较完整。
１．３．２ 测定方法 以正西往东方向为零点，每逆时针旋转３０°为一成像方位；以树体为原点，取半径为４ｍ处位置为成像点，分别采集６个不同方位的树冠图像（图１、图
２）
２
［６－７］
［５］
。
，通过收集样本树体在不同角度，不同高度截面的树冠半径，建
立柑橘树树冠形状的“等高线”模型。
１．４ 数据采集与整理１．４．１ 数据采集 ①树高。以标杆为参照物，根据成像比例测量每棵解析树体在不同成像角度所采集的树高数据如图３所示。
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｖｉｅｗｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｃｉｔｒｕｓ
ｔｒｅｅ
图１ 柑橘树取景位置描述
Ｆｉｇ．２ Ｉｍａｇｉｎｇｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅｓｈａｐｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
图２ 柑橘树树形图像采集法成像原理
②树冠半径。根据样本树体的平均高度，取柑橘树根部与土壤连接处为零点，沿树体生长方向每隔０．２ｍ为一节点位置（分别命名为Ａ１、Ａ２、Ａ３……Ａ９、Ａ１０），测量树冠半径（图３）。１．４．２ 数据处理 对不同样本树体在同一方位和高度节点的树冠半径数据进行方差分析，运用Ｏｒｉ－ｇｉｎ７．５软件对平均值修正数据进行处理，作图法描述树冠形状并建立标准解析树体树冠模型。
２ 结果与分析
２．１ 柑橘树冠形数据处理
＃
试验中共采集２１棵柑橘树（分别标号为１、＃＃＃＃
２、３……２０、２１）图像，根据对照片的测量，得到柑橘树树高、树冠半径数据，如表１～３所示。２．１．１ 树高 如表１所示数据，其中样本树体中树
Ｆｉｇ．３ Ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ
ｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｃａｎｏｐｙｒａｄｉｕｓ
图３ 树高、树冠半径数据采集说明
高最大值为２．３９ｍ，最小值为１．７５ｍ，样本柑橘树树体树高平均值为２．０９ｍ。
＃
２．１．２ 树冠半径 以１采样树体为例，在不同树高和角度节点对应的树冠半径如表２所示，试验中类似的树冠半径测量数据共２５２０个。２．１．３ 冠幅 分析所有采样数据，得到不同方位角对应的最大树冠半径如表３，其中最大树冠半径出现的区域主要行与行之间，与柑橘树的生长空间大小相关。
表１ 采样树体树高平均值Ｔａｂ．１ Ａｖｅｒａｇｅｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ
Ｎｕｍｂｅｒｏｆ１树高样本号
ｍ
＃
２
＃
３
＃
４
＃
５
＃
６
＃
７
＃
８
＃
９
＃
１０
＃
１１
＃
１２
＃
１３
＃
１４
＃
１５
＃
１６
＃
１７
＃
１８
＃
１９
＃
２０
＃
２１
＃
２．３６２．３９２．３１２．２０１．７５１．９８１．９４２．０５１．９９２．０６２．１３１．９３２．１２２．０４２．１２１．９９１．８７２．４５２．０６１．９０２．３１
表２ １解析树体在不同树高和角度节点对应的树冠半径Ｔａｂ．２ Ｔｈｅｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔａｎｄａｎｇｌｅ
角度节点Ａｎｇｌｅｎｏｄｅ
０°０．７５０．８９０．７７０．８６０．７８０．７５０．７３０．５５
３０°０．５００．６６０．８６０．９３０．３６０．５００．５３０．３６
６０°０．７３０．５２０．８５１．０３１．０２０．７３０．８４０．９２
９０°————————
１２０°０．６９０．７３０．７５０．８５１．０４０．８５０．６９０．４１
１５０°０．９００．６７０．７５１．００１．１７０．６００．６７０．６７
１８０°０．７００．６４０．５９０．５８０．４４０．５９０．７５０．６８
２１０°０．５７０．６１０．７９０．７９０．５７０．８６１．００１．０３
２４０°０．７５０．５４０．６３０．８５０．８４０．４７０．５００．５５
２７０°————————
３００°０．５８０．６９０．６９０．９２１．２３０．７９０．８２０．７９
３３０°０．７８０．８９０．７５０．９２１．０９１．２３０．７５０．８４
＃
树高节点Ａ２Ａ３Ａ４Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８Ａ９Ｎｏｄｅｏｆ
—表示样本取景点无法成像，得不到相应角度节点的数据。
—Ｍｅａｎｓｔｈｅｒｅｉｓｎｏｄａｔａｆｏｒｔｈｅｓａｍｐｌｅｔｒｅｅｃａｎｎｏｔｇｅｔｉｍａｇｉｎｇａｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｎｏｄ．
・１０９４・ 江西农业大学学报
表３ 不同方位角对应的最大冠幅值
Ｔａｂ．３ Ｍａｘｉｍｕｍｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｒｅｇｉｏｎａｌａｚｉｍｕｔｈ
第３５卷
２．０９ｍ
平均树高
相应方位角最大冠幅值Ｍａｘｉｍｕｍｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｇｉｏｎａｌａｚｉｍｕｔｈ０°～１８０°１．５９ｍ
３０°～２１０°１．６８ｍ
６０°～２４０°１．７３ｍ
９０°～２７０°１．６２ｍ
１２０°～３００°１．７１ｍ
１５０°～３３０°１．６０ｍ
２．２ 方差分析及冠形曲线三维模型的构建
∑ｘ珋标准差计算公式：ｓ＝２．２．１ 方差分析 根据平均值公式：ｘ
行方差分析，并进行平均值修正，得表４所示树体树冠半径数据。
２珋∑ｘ）（ｘｉ－ｉ＝１，把采样树冠半径数据进
表４ 样本树体模型树冠半径数据（平均值北标准差）Ｔａｂ．４ Ａｖｅｒａｇｅｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｓａｍｐｌｅｃｉｔｒｕｓｍｏｄｅｌ
树高节点ｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔ
０．２０．４０．６０．８１．０１．２１．４１．６１．８２．０
０．３６北０．３００．６５北０．２２０．７９北０．１９０．８２北０．１９０．８１北０．１６０．８２北０．１６０．８２北０．１７０．７５北０．２００．６３北０．２４０．４６北０．１９
０．３０北０．２７０．６６北０．２３０．８２北０．２７０．８５北０．１８０．８４北０．１４０．８４北０．２１０．８２北０．２００．７１北０．１７０．６９北０．２００．５６北０．２８
０．３３北０．３００．６４北０．２４０．７３北０．２２０．８１北０．１４０．８４北０．２００．８２北０．２００．７２北０．１３０．６８北０．１４０．５４北０．２００．５４北０．３２
０．２９北０．２２０．６７北０．１３０．７９北０．１９０．７７北０．２８０．７９北０．２２０．８１北０．２２０．７１北０．１６０．７２北０．２１０．６１北０．２３０．４７北０．２４
０．３３北０．３００．６１北０．１７０．６９北０．１９０．７６北０．１５０．７９北０．１６０．８２北０．１８０．７１北０．１９０．６１北０．１７０．５２北０．２００．４４北０．１５
０．３７北０．２７０．６３北０．２００．６６北０．１７０．７６北０．１７０．７５北０．１６０．７４北０．１９０．７０北０．１８０．５８北０．１７０．５６北０．１６０．４８北０．２３
０．３９北０．２５０．４４北０．３００．６１北０．１３０．７１北０．１７０．７２北０．１５０．７９北０．１６０．７７北０．１７０．８０北０．１６０．７７北０．１５０．８３北０．１５０．７１北０．１７０．８０北０．２１０．６６北０．１９０．７８北０．１７０．６４北０．１２０．７３北０．２３０．５７北０．１５０．６０北０．２４０．３７北０．１８０．５５北０．２４
０．４０北０．３１０．７２北０．１９０．８０北０．２００．７４北０．１８０．８７北０．１９０．８９北０．１５０．７８北０．２００．７５北０．２００．６０北０．２１０．４４北０．２５
０．３６北０．２８０．６４北０．１４０．７６北０．１５０．７８北０．１５０．８０北０．１５０．８１北０．１８０．７５北０．１６０．６３北０．１４０．５６北０．２４０．４１北０．２０
０．４４北０．２５０．３８北０．２５０．６６北０．２２０．６４北０．２２０．８２北０．２４０．８２北０．２４０．８９北０．２００．７５北０．２００．８１北０．２４０．８１北０．２４０．８５北０．２４０．８４北０．２４０．７９北０．２１０．８０北０．２１０．７２北０．２００．７５北０．２００．６２北０．２７０．６９北０．２７０．５９北０．２５０．６０北０．２５
Ｎｏｄｅｏｆ
０°
３０°
６０°
９０°
１２０°
１５０°
１８０°
２１０°
２４０°
２７０°
３００°
３３０°
２．２．２ 冠形曲线三维模型的构建 根据表４
所表示的树冠半径数据，通过Ｏｒｉｇｉｎ７．５软件，绘制出柑橘
树解析树体树冠横断面形状图（图４）以及冠形曲线三维模型（
图５）。
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｏｕｒｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｅｔｒｅｅ
图４ 样本树体模型“等高线”
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｒｏｗｎｃｕｒｖｅ
图５ 样本树体冠形曲线三维模型
（１）从图４中可以看出，柑橘树树冠半径大小受自然光照的影响，表现为向阳面长势较背阳面好；
（２）从图５中可以看出，柑橘树冠形曲线呈抛物线形状，其中最大冠幅所处位置位于树高０．８～１．０ｍ处水平断面。２．３ 采摘平台适应性关系分析
假定采摘平台设计的载人工作台具备角度适应和采摘宽度适应能力，采用履带式行走，剪叉式升降机构，其中平台尺寸参数及作业环境参数分别设置如下：柑橘树树高为Ｈ树，采摘平台行走过程中相邻
两侧树冠半径分别为Ｒ１、Ｒ２，种植株距、行距分别为Ｌ株、Ｌ行；作业人员采摘高度为Ｈ人高；平台外形尺寸分别为Ｓ车宽、Ｌ车长、Ｈ车高；载人工作台宽度为Ｓ台宽，长度为Ｌ台长，两侧凸台可伸缩宽度为Ｓ台外，履带中心距为Ｂ；平台转弯半径为Ｒ转。
采摘平台尺寸标注如图６
所示：
Ａ：ｏｆｆｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅ；Ｂ：ｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅ．Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｉｃｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ
图６ 采摘平台示意
Ａ：非工作状态；Ｂ：工作状态。
升降平台在平地和坡地两种采摘情况下不同停车位置的作业情况，如图７
所示：
Ａ：ｂｉｌａｔｅｒａｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｂ：ｕｎｉｌａｔｅｒａｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｃ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｌｏｐｅｄｒｉｖｅ；Ｄ：ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｌｏｐｅｄｒｉｖｅ．
Ｆｉｇ．７ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｉｃｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ
图７ 采摘平台作业情况示意
Ａ：双边延展；Ｂ：单边延展；Ｃ：横坡行驶；Ｄ：纵坡行驶。
其中，图７－Ａ、７－Ｂ表示平地采摘过程中，两种不同采摘位置，载人工作台需向外部延展的情况；图
７－Ｃ、７－Ｄ表示坡地柑橘园，采摘平台沿坡面纵向、横向行驶过程中升降作业及载人工作台调平情况。
采摘平台摩滑转向时转弯半径轨迹如图８
所示：
Ａ：转向平面图；Ｂ：转向运动分析。Ａ：ｐｌａｎｏｆｖｅｅｒｅｄ；Ｂ：ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖｅｅｒｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔ．
图８ 采摘平台在平地转向运动Ｆｉｇ．８ Ｓｔｅｅｒｉｎｇｍｏｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌａｔ
根据采摘平台作业过程中不碰撞树体，转弯半径小，采摘作业无需再增加辅助器械等设计原则，则有：（１）升降高度调节适应关系：Ｌ升＝Ｈ树－Ｈ车高－Ｈ人高（２）平台采摘范围适应关系：
１
Ｓ台外＝Ｌ行－Ｓ车宽台宽
２（３）平台外形尺寸适应关系：Ｓ车宽∈Ｌ株－Ｒ１－Ｒ２，Ｌ行－Ｒ１－Ｒ２（４）平台转向运动适应关系
２ｖ２ｖ２－ｖ１－Ｒ转１，其中ωωＢ［８］
：
３ 结论
本文采用图像处理法收集柑橘树树冠形状数据，构建了样本树体模型“等高线”图和三维模型，形
象地构造出柑橘园机械作业环境，为升降作业平台的研制提供了外形尺寸参数和技术指标参考。
（１）成年柑橘树树冠在２ｍ左右。不考虑柑橘树着果位置，采摘平台升降高度为减去平台高度和人作业高度的取值，升降高度选取在０．５～１．０ｍ区间较为合适；
（２）成年柑橘树冠幅约１．６ｍ左右。根据目前的种植模式，采摘平台的宽度设计应该小于株距与冠幅差值，采摘机械外形尺寸参考可选１．５ｍ×１．２ｍ，外形尺寸太大容易造成对树体的伤害；平台的转弯半径应小于２．０ｍ，超过此尺寸平台转弯会遇到困难；
（３）根据冠层分布建立的树冠模型，可对柑橘园病害区域的评价、柑橘树挂果位置的描述以及果园运输系统的建立等提供参考。参考文献：
［１］翁国庆．林分动态生长模型的研究［Ｊ］．林业资源管理，１９９６（４）：２５－２８．
［２］丁维龙，马培良，程志君．基于结构－功能互反馈机制的植物生长可视化建模与仿真［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（１１）：
１６５－１６８．
［３］刘兆刚，李凤日．樟子松人工林树冠结构模型及三维图形可视化模拟［Ｊ］．林业科学，２００９，４５（６）：５５－６０．［４］刘兆刚，刘继明，李凤日等．樟子松人工林树冠结构的分形分析［Ｊ］．植物研究，２００５，２５（４）：４６５－４７１．［５］蒋迎春，孙中海．柑橘标准化生产技术［Ｍ］．湖北：武汉理工大学出版社，２０１０：１０１－１０８．
［６］李凤日，王治富．落叶松人工林有效冠动态研究－有效冠的确定［Ｊ］．东北林业大学学报，１９９６，２４（１）：１－８．［７］姜石磊．黑龙江省主要针叶树种树冠形状模型的研究［Ｄ］．哈尔滨：东北林业大学，２０１２．
［８］汤久望，刘维平，刘德刚，等．非精确转向情况下履带车辆转向轨迹分析［Ｊ］．兵工学报，２００６，２７（５）：７７９－７８３．［９］孙长林，树木结构研究及由此衍生的树冠模拟理论［Ｊ］．黑龙江生态工程职业学院学报，２００８，２１（６）：３３－３５．［１０］王智，曾伯平，李文健，等．柑橘园树冠蜘蛛群落物种丰富度与调查株数的关系分析［Ｊ］．卿城师院学报：自然科学版，
２００１，１４（４）：７０－７１．
［１１］王孝娣，郝志强，刘凤之，等．适于机械化生产的桃树新树形扶干主干形及其配套机械［Ｊ］．中国果树，２０１３（５）：７１－７３．［１２］罗军武，唐和平，黄意欢．茶树树冠结构变化的数学模型研究［Ｊ］．湖南农业大学学报：自然科学版，２０００，２６（６）：４６３－４６６．［１３］ＣｏｌｌｉｎＦ，ＨｏｕｌｌｉｅｒＦ．ＢｒａｎｃｈｉｎｅｓｓｏｆｎｏｒｗａｙｓｐｒｕｃｅｉｎｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＦｒａｎｃｅ：ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｃｒｏｗｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｒｏｍｕ－［１４］ＤｏｒｕｓｋａＰＦ，ＢｕｒｋｈａｒｔＨＥ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｒａｎｃｈｅｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｃｒｏｗｎｏｆｌｏｂｌｏｌｌｙｐｉｎｅ［１５］王德胜，杨建华．装甲车辆行驶原理［Ｍ］．北京：装甲兵工程学院，１９９８．
［１６］曲泽洲，杨文衡，陈四维，等．苹果幼树树形的探讨［Ｊ］．河北农业大学学报，１９６３，２（２）：１９－３６．［１７］洪添胜，杨洲，宋淑然，等．柑橘生产机械化研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１０，４１（１２）：１０５－１１０．［１８］刘沛，陈军．基于激光扫描的果树树形重构系统研究［Ｊ］．农机化研究，２０１１（５）：１９９－２０２．
ｔｒｅｅｓｉｎｕｎｔｈｉｎｎｅｄｐｌａｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣａｎＪＦｏｒＲｅｓ，１９９４（２４）：２３６２－２３７６．ｓｕａｌｔｒｅｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＡｎｎＳｃｉＦｏｒ，１９９２，４８：５１１－５３８．
非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究
作者：作者单位：
刘大为， 谢方平， 李旭， 王小龙， 梅婷， LIU Da-wei， XIE Fang-ping， LI Xu， WANG Xiao-long， MEI Ting
刘大为,李旭,王小龙,梅婷,LIU Da-wei,LI Xu,WANG Xiao-long,MEI Ting(湖南农业大学 工学院,湖南 长沙,410128)， 谢方平,XIE Fang-ping(湖南农业大学 工学院，湖南长沙 410128; 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)江西农业大学学报
Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis (Natural Sciences Edition)2014(5)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
引用本文格式：刘大为. 谢方平. 李旭. 王小龙. 梅婷. LIU Da-wei. XIE Fang-ping. LI Xu. WANG Xiao-long. MEI Ting 非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究[期刊论文]-江西农业大学学报 2014(5)
江西农业大学学报 ２０１４，３６（５）：１０９１－１０９６１０９１－１０９６．
ｈｔｔｐ：／／ｘｕｅｂａｏ．ｊｘａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
刘大为，谢方平，李旭，等．非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究［Ｊ］．江西农业大学学报，２０１４，３６（５）：
非精确条件下柑橘树树冠形状与
采摘平台适应性关系研究
刘大为，谢方平
１
１，２倡
，李 旭，王小龙，梅 婷
１１１
（１．湖南农业大学工学院，湖南长沙４１０１２８；２．湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙４１０１２８）
摘要：为减少采摘平台作业移动次数，尽可能使其适应树冠形状，扩大采摘面。以柑橘树为研究对象，通过对采集的照片进行分析处理，从不同成像方位和树高节点解析了样本树体树冠形状，建立了柑橘树冠形曲线数学模型，分析了柑橘树在目前种植管理模式下，树冠半径、冠幅等参数的变化趋势，讨论得出了适合柑橘园采摘平台作业的部分设计参数：升降高度应选取在０．５～１．０ｍ区间内、外形尺寸参考１．５ｍ×１．２ｍ、最小转弯半径应不超过２．０ｍ。
关键词：柑橘树；树冠；冠幅；树冠半径；机械适应性
中图分类号：Ｓ２２５．９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－２２８６（２０１４）０５－１０９１－０６
ＴｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＣｉｔｒｕｓＣａｎｏｐｙＳｈａｐｅａｎｄ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｉｃｋｉｎｇＰｌａｔｆｏｒｍｕｎｄｅｒｔｈｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＩｎｅｘａｃｔＲｅｓｅａｒｃｈ
ＬＩＵＤａ－ｗｅｉ，ＸＩＥＦａｎｇ－ｐｉｎｇ
１
１，２倡
，ＬＩＸｕ，ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｌｏｎｇ，ＭＥＩＴｉｎｇ
１１１
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭｏｄｅｒｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｃｒｏｗｎｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｒｍａｔｉｏｎａｚｉｍｕｔｈｄｉ－ｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｓ，ｔｈｅｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｒｏｗｎｃｕｒｖｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｃｒｏｗｎａｎｄｒａｄｉｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｅｃｔ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｌａｎｔｉｎｇｍａｎ－ａｇｅｍｅｎｔｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．Ｓｏｍｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｆｉｔｔｉｎｇｃｉｔｒｕｓｏｒｃｈａｒｄｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎａｆｔｅｒｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ：ｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇｈｅｉｇｈｔｓｈｏｕｌｄｂｅｂｅｔｗｅｅｎ０．５ａｎｄ１．０ｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｚｅ１．５ｍｅｔｅｒｓ×１．２ｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｎｔｕｒｎｉｎｇｒａｄｉｕｓｌｅｓｓｔｈａｎ２．０ｍｅｔｅｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅ；ｔｒｅｅｃｒｏｗｎ；ｃａｎｏｐｙ；ｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ
柑橘是世界第一大水果，也是我国南方地区栽培面积最广的果树。随着农业产业结构调整和柑橘产业组织化程度越来越高，如何提高生产效率，降低人工支出成本是柑橘种植户们亟需解决的关键问题。采摘平台是国内外果园管理机械中应用最广的设备之一，在我国目前柑橘园种植管理模式下，设计采摘平台既要保障机器具有良好的通过性能，又要避免作业过程中对树体造成伤害，同时还要考虑同一
收稿日期：２０１４－０１－２０ 修回日期：２０１４－０３－２６
项目基金：国家“十二五”科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＤ２０Ｂ１０２）
作者简介：刘大为（１９８３—），男，硕士生，主要从事农业机械研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｄａｗｅｉ８３６１＠１６３．ｃｏｍ；倡通信作者：谢方
平，教授，博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｎａｎｘｉｅ２００２＠１６３．ｃｏｍ。
采摘位置尽可能有大的采摘面积，以便提高人工作业效率，因此，柑橘树树冠形状与机器的适应性关系分析有必要。
目前，国内外专家、学者对经济林中林木生长模型已经进行了深入、细致的研究，描述了林木各特征因子如直径、树高、冠幅等与年龄、林分密度、立地条件等的关系
［１］
。对于树冠结构的研究也已取得了
大量成果，从静态及随时间在空间的动态变化规律进行了详细的研究。在结构功能模型的应用方面，也有不少学者进行了有益的尝试，如基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统，基于可控式功能结构模型思想的作物株型设计
［２］
。但结构功能模型在果树上针对树木生长的应用并不多见。相对于果
［３］
树建模工作而言，果树图形可视化的研究工作涉猎较少。由于果树个体是一种形态不规则的物体，要想用计算机图形来形象、逼真地描述它的形态确实比较困难
。东北林业大学刘兆刚等
［４］
利用枝解析、
树干解析数据，预估樟子松树冠体积，并结合树冠体积、叶量之间的幂函数关系评估树冠表面积的分形维数，从而反映出树冠结构的动态变化规律。本文通过对湖南农业大学长安教学基地柑橘栽培示范园实地数据采集，运用照片处理分析法，得到了成年柑橘树树冠形状数据，建立非精确柑橘树树体解析模型，目的是探讨采摘平台机械与树冠形状的适应性指标，旨在为升降作业平台的外形尺寸选型和执行部件设计提供参考。
１ 材料与方法
１．１ 采样地基本情况
所选采样地为湖南农业大学长安教学基地柑橘种植示范培育区。该示范区柑橘树种植具有以下几个方面的特征：①缓坡种植，符合湖南地区柑橘种植现状；②种植规划合理，符合现代柑橘园的种植要求；③生长期管理到位，整形修剪科学合理，树形较好１．２ 树冠形状解析方法
将柑橘树树冠看作是一个有边界的综合体，把树冠的外缘看作是封闭的曲线，假定不同的高度节点的树冠伸展跨度用树冠半径来表示１．３ 采样树体的选取与测定
１．３．１ 树体选取 丰产期柑橘（甜橙），砧木为枳壳，２００７年定植，株距３ｍ，行距４ｍ，总面积约３３００ｍ，采用株间回缩和更新修剪技术，经疏花疏果栽培，树形保持较完整。
１．３．２ 测定方法 以正西往东方向为零点，每逆时针旋转３０°为一成像方位；以树体为原点，取半径为４ｍ处位置为成像点，分别采集６个不同方位的树冠图像（图１、图
２）
２
［６－７］
［５］
。
，通过收集样本树体在不同角度，不同高度截面的树冠半径，建
立柑橘树树冠形状的“等高线”模型。
１．４ 数据采集与整理１．４．１ 数据采集 ①树高。以标杆为参照物，根据成像比例测量每棵解析树体在不同成像角度所采集的树高数据如图３所示。
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｖｉｅｗｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｃｉｔｒｕｓ
ｔｒｅｅ
图１ 柑橘树取景位置描述
Ｆｉｇ．２ Ｉｍａｇｉｎｇｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｃｉｔｒｕｓｔｒｅｅｓｈａｐｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
图２ 柑橘树树形图像采集法成像原理
②树冠半径。根据样本树体的平均高度，取柑橘树根部与土壤连接处为零点，沿树体生长方向每隔０．２ｍ为一节点位置（分别命名为Ａ１、Ａ２、Ａ３……Ａ９、Ａ１０），测量树冠半径（图３）。１．４．２ 数据处理 对不同样本树体在同一方位和高度节点的树冠半径数据进行方差分析，运用Ｏｒｉ－ｇｉｎ７．５软件对平均值修正数据进行处理，作图法描述树冠形状并建立标准解析树体树冠模型。
２ 结果与分析
２．１ 柑橘树冠形数据处理
＃
试验中共采集２１棵柑橘树（分别标号为１、＃＃＃＃
２、３……２０、２１）图像，根据对照片的测量，得到柑橘树树高、树冠半径数据，如表１～３所示。２．１．１ 树高 如表１所示数据，其中样本树体中树
Ｆｉｇ．３ Ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ
ｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｃａｎｏｐｙｒａｄｉｕｓ
图３ 树高、树冠半径数据采集说明
高最大值为２．３９ｍ，最小值为１．７５ｍ，样本柑橘树树体树高平均值为２．０９ｍ。
＃
２．１．２ 树冠半径 以１采样树体为例，在不同树高和角度节点对应的树冠半径如表２所示，试验中类似的树冠半径测量数据共２５２０个。２．１．３ 冠幅 分析所有采样数据，得到不同方位角对应的最大树冠半径如表３，其中最大树冠半径出现的区域主要行与行之间，与柑橘树的生长空间大小相关。
表１ 采样树体树高平均值Ｔａｂ．１ Ａｖｅｒａｇｅｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ
Ｎｕｍｂｅｒｏｆ１树高样本号
ｍ
＃
２
＃
３
＃
４
＃
５
＃
６
＃
７
＃
８
＃
９
＃
１０
＃
１１
＃
１２
＃
１３
＃
１４
＃
１５
＃
１６
＃
１７
＃
１８
＃
１９
＃
２０
＃
２１
＃
２．３６２．３９２．３１２．２０１．７５１．９８１．９４２．０５１．９９２．０６２．１３１．９３２．１２２．０４２．１２１．９９１．８７２．４５２．０６１．９０２．３１
表２ １解析树体在不同树高和角度节点对应的树冠半径Ｔａｂ．２ Ｔｈｅｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔａｎｄａｎｇｌｅ
角度节点Ａｎｇｌｅｎｏｄｅ
０°０．７５０．８９０．７７０．８６０．７８０．７５０．７３０．５５
３０°０．５００．６６０．８６０．９３０．３６０．５００．５３０．３６
６０°０．７３０．５２０．８５１．０３１．０２０．７３０．８４０．９２
９０°————————
１２０°０．６９０．７３０．７５０．８５１．０４０．８５０．６９０．４１
１５０°０．９００．６７０．７５１．００１．１７０．６００．６７０．６７
１８０°０．７００．６４０．５９０．５８０．４４０．５９０．７５０．６８
２１０°０．５７０．６１０．７９０．７９０．５７０．８６１．００１．０３
２４０°０．７５０．５４０．６３０．８５０．８４０．４７０．５００．５５
２７０°————————
３００°０．５８０．６９０．６９０．９２１．２３０．７９０．８２０．７９
３３０°０．７８０．８９０．７５０．９２１．０９１．２３０．７５０．８４
＃
树高节点Ａ２Ａ３Ａ４Ａ５Ａ６Ａ７Ａ８Ａ９Ｎｏｄｅｏｆ
—表示样本取景点无法成像，得不到相应角度节点的数据。
—Ｍｅａｎｓｔｈｅｒｅｉｓｎｏｄａｔａｆｏｒｔｈｅｓａｍｐｌｅｔｒｅｅｃａｎｎｏｔｇｅｔｉｍａｇｉｎｇａｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｎｏｄ．
・１０９４・ 江西农业大学学报
表３ 不同方位角对应的最大冠幅值
Ｔａｂ．３ Ｍａｘｉｍｕｍｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｒｅｇｉｏｎａｌａｚｉｍｕｔｈ
第３５卷
２．０９ｍ
平均树高
相应方位角最大冠幅值Ｍａｘｉｍｕｍｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｇｉｏｎａｌａｚｉｍｕｔｈ０°～１８０°１．５９ｍ
３０°～２１０°１．６８ｍ
６０°～２４０°１．７３ｍ
９０°～２７０°１．６２ｍ
１２０°～３００°１．７１ｍ
１５０°～３３０°１．６０ｍ
２．２ 方差分析及冠形曲线三维模型的构建
∑ｘ珋标准差计算公式：ｓ＝２．２．１ 方差分析 根据平均值公式：ｘ
行方差分析，并进行平均值修正，得表４所示树体树冠半径数据。
２珋∑ｘ）（ｘｉ－ｉ＝１，把采样树冠半径数据进
表４ 样本树体模型树冠半径数据（平均值北标准差）Ｔａｂ．４ Ａｖｅｒａｇｅｃｒｏｗｎｒａｄｉｕｓｏｆｓａｍｐｌｅｃｉｔｒｕｓｍｏｄｅｌ
树高节点ｔｒｅｅｈｅｉｇｈｔ
０．２０．４０．６０．８１．０１．２１．４１．６１．８２．０
０．３６北０．３００．６５北０．２２０．７９北０．１９０．８２北０．１９０．８１北０．１６０．８２北０．１６０．８２北０．１７０．７５北０．２００．６３北０．２４０．４６北０．１９
０．３０北０．２７０．６６北０．２３０．８２北０．２７０．８５北０．１８０．８４北０．１４０．８４北０．２１０．８２北０．２００．７１北０．１７０．６９北０．２００．５６北０．２８
０．３３北０．３００．６４北０．２４０．７３北０．２２０．８１北０．１４０．８４北０．２００．８２北０．２００．７２北０．１３０．６８北０．１４０．５４北０．２００．５４北０．３２
０．２９北０．２２０．６７北０．１３０．７９北０．１９０．７７北０．２８０．７９北０．２２０．８１北０．２２０．７１北０．１６０．７２北０．２１０．６１北０．２３０．４７北０．２４
０．３３北０．３００．６１北０．１７０．６９北０．１９０．７６北０．１５０．７９北０．１６０．８２北０．１８０．７１北０．１９０．６１北０．１７０．５２北０．２００．４４北０．１５
０．３７北０．２７０．６３北０．２００．６６北０．１７０．７６北０．１７０．７５北０．１６０．７４北０．１９０．７０北０．１８０．５８北０．１７０．５６北０．１６０．４８北０．２３
０．３９北０．２５０．４４北０．３００．６１北０．１３０．７１北０．１７０．７２北０．１５０．７９北０．１６０．７７北０．１７０．８０北０．１６０．７７北０．１５０．８３北０．１５０．７１北０．１７０．８０北０．２１０．６６北０．１９０．７８北０．１７０．６４北０．１２０．７３北０．２３０．５７北０．１５０．６０北０．２４０．３７北０．１８０．５５北０．２４
０．４０北０．３１０．７２北０．１９０．８０北０．２００．７４北０．１８０．８７北０．１９０．８９北０．１５０．７８北０．２００．７５北０．２００．６０北０．２１０．４４北０．２５
０．３６北０．２８０．６４北０．１４０．７６北０．１５０．７８北０．１５０．８０北０．１５０．８１北０．１８０．７５北０．１６０．６３北０．１４０．５６北０．２４０．４１北０．２０
０．４４北０．２５０．３８北０．２５０．６６北０．２２０．６４北０．２２０．８２北０．２４０．８２北０．２４０．８９北０．２００．７５北０．２００．８１北０．２４０．８１北０．２４０．８５北０．２４０．８４北０．２４０．７９北０．２１０．８０北０．２１０．７２北０．２００．７５北０．２００．６２北０．２７０．６９北０．２７０．５９北０．２５０．６０北０．２５
Ｎｏｄｅｏｆ
０°
３０°
６０°
９０°
１２０°
１５０°
１８０°
２１０°
２４０°
２７０°
３００°
３３０°
２．２．２ 冠形曲线三维模型的构建 根据表４
所表示的树冠半径数据，通过Ｏｒｉｇｉｎ７．５软件，绘制出柑橘
树解析树体树冠横断面形状图（图４）以及冠形曲线三维模型（
图５）。
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｏｕｒｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｅｔｒｅｅ
图４ 样本树体模型“等高线”
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｃｒｏｗｎｃｕｒｖｅ
图５ 样本树体冠形曲线三维模型
（１）从图４中可以看出，柑橘树树冠半径大小受自然光照的影响，表现为向阳面长势较背阳面好；
（２）从图５中可以看出，柑橘树冠形曲线呈抛物线形状，其中最大冠幅所处位置位于树高０．８～１．０ｍ处水平断面。２．３ 采摘平台适应性关系分析
假定采摘平台设计的载人工作台具备角度适应和采摘宽度适应能力，采用履带式行走，剪叉式升降机构，其中平台尺寸参数及作业环境参数分别设置如下：柑橘树树高为Ｈ树，采摘平台行走过程中相邻
两侧树冠半径分别为Ｒ１、Ｒ２，种植株距、行距分别为Ｌ株、Ｌ行；作业人员采摘高度为Ｈ人高；平台外形尺寸分别为Ｓ车宽、Ｌ车长、Ｈ车高；载人工作台宽度为Ｓ台宽，长度为Ｌ台长，两侧凸台可伸缩宽度为Ｓ台外，履带中心距为Ｂ；平台转弯半径为Ｒ转。
采摘平台尺寸标注如图６
所示：
Ａ：ｏｆｆｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅ；Ｂ：ｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅ．Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｉｃｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ
图６ 采摘平台示意
Ａ：非工作状态；Ｂ：工作状态。
升降平台在平地和坡地两种采摘情况下不同停车位置的作业情况，如图７
所示：
Ａ：ｂｉｌａｔｅｒａｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｂ：ｕｎｉｌａｔｅｒａｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｃ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｌｏｐｅｄｒｉｖｅ；Ｄ：ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｌｏｐｅｄｒｉｖｅ．
Ｆｉｇ．７ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｉｃｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ
图７ 采摘平台作业情况示意
Ａ：双边延展；Ｂ：单边延展；Ｃ：横坡行驶；Ｄ：纵坡行驶。
其中，图７－Ａ、７－Ｂ表示平地采摘过程中，两种不同采摘位置，载人工作台需向外部延展的情况；图
７－Ｃ、７－Ｄ表示坡地柑橘园，采摘平台沿坡面纵向、横向行驶过程中升降作业及载人工作台调平情况。
采摘平台摩滑转向时转弯半径轨迹如图８
所示：
Ａ：转向平面图；Ｂ：转向运动分析。Ａ：ｐｌａｎｏｆｖｅｅｒｅｄ；Ｂ：ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖｅｅｒｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔ．
图８ 采摘平台在平地转向运动Ｆｉｇ．８ Ｓｔｅｅｒｉｎｇｍｏｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌａｔ
根据采摘平台作业过程中不碰撞树体，转弯半径小，采摘作业无需再增加辅助器械等设计原则，则有：（１）升降高度调节适应关系：Ｌ升＝Ｈ树－Ｈ车高－Ｈ人高（２）平台采摘范围适应关系：
１
Ｓ台外＝Ｌ行－Ｓ车宽台宽
２（３）平台外形尺寸适应关系：Ｓ车宽∈Ｌ株－Ｒ１－Ｒ２，Ｌ行－Ｒ１－Ｒ２（４）平台转向运动适应关系
２ｖ２ｖ２－ｖ１－Ｒ转１，其中ωωＢ［８］
：
３ 结论
本文采用图像处理法收集柑橘树树冠形状数据，构建了样本树体模型“等高线”图和三维模型，形
象地构造出柑橘园机械作业环境，为升降作业平台的研制提供了外形尺寸参数和技术指标参考。
（１）成年柑橘树树冠在２ｍ左右。不考虑柑橘树着果位置，采摘平台升降高度为减去平台高度和人作业高度的取值，升降高度选取在０．５～１．０ｍ区间较为合适；
（２）成年柑橘树冠幅约１．６ｍ左右。根据目前的种植模式，采摘平台的宽度设计应该小于株距与冠幅差值，采摘机械外形尺寸参考可选１．５ｍ×１．２ｍ，外形尺寸太大容易造成对树体的伤害；平台的转弯半径应小于２．０ｍ，超过此尺寸平台转弯会遇到困难；
（３）根据冠层分布建立的树冠模型，可对柑橘园病害区域的评价、柑橘树挂果位置的描述以及果园运输系统的建立等提供参考。参考文献：
［１］翁国庆．林分动态生长模型的研究［Ｊ］．林业资源管理，１９９６（４）：２５－２８．
［２］丁维龙，马培良，程志君．基于结构－功能互反馈机制的植物生长可视化建模与仿真［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（１１）：
１６５－１６８．
［３］刘兆刚，李凤日．樟子松人工林树冠结构模型及三维图形可视化模拟［Ｊ］．林业科学，２００９，４５（６）：５５－６０．［４］刘兆刚，刘继明，李凤日等．樟子松人工林树冠结构的分形分析［Ｊ］．植物研究，２００５，２５（４）：４６５－４７１．［５］蒋迎春，孙中海．柑橘标准化生产技术［Ｍ］．湖北：武汉理工大学出版社，２０１０：１０１－１０８．
［６］李凤日，王治富．落叶松人工林有效冠动态研究－有效冠的确定［Ｊ］．东北林业大学学报，１９９６，２４（１）：１－８．［７］姜石磊．黑龙江省主要针叶树种树冠形状模型的研究［Ｄ］．哈尔滨：东北林业大学，２０１２．
［８］汤久望，刘维平，刘德刚，等．非精确转向情况下履带车辆转向轨迹分析［Ｊ］．兵工学报，２００６，２７（５）：７７９－７８３．［９］孙长林，树木结构研究及由此衍生的树冠模拟理论［Ｊ］．黑龙江生态工程职业学院学报，２００８，２１（６）：３３－３５．［１０］王智，曾伯平，李文健，等．柑橘园树冠蜘蛛群落物种丰富度与调查株数的关系分析［Ｊ］．卿城师院学报：自然科学版，
２００１，１４（４）：７０－７１．
［１１］王孝娣，郝志强，刘凤之，等．适于机械化生产的桃树新树形扶干主干形及其配套机械［Ｊ］．中国果树，２０１３（５）：７１－７３．［１２］罗军武，唐和平，黄意欢．茶树树冠结构变化的数学模型研究［Ｊ］．湖南农业大学学报：自然科学版，２０００，２６（６）：４６３－４６６．［１３］ＣｏｌｌｉｎＦ，ＨｏｕｌｌｉｅｒＦ．ＢｒａｎｃｈｉｎｅｓｓｏｆｎｏｒｗａｙｓｐｒｕｃｅｉｎｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＦｒａｎｃｅ：ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｃｒｏｗｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｒｏｍｕ－［１４］ＤｏｒｕｓｋａＰＦ，ＢｕｒｋｈａｒｔＨＥ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｒａｎｃｈｅｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｃｒｏｗｎｏｆｌｏｂｌｏｌｌｙｐｉｎｅ［１５］王德胜，杨建华．装甲车辆行驶原理［Ｍ］．北京：装甲兵工程学院，１９９８．
［１６］曲泽洲，杨文衡，陈四维，等．苹果幼树树形的探讨［Ｊ］．河北农业大学学报，１９６３，２（２）：１９－３６．［１７］洪添胜，杨洲，宋淑然，等．柑橘生产机械化研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１０，４１（１２）：１０５－１１０．［１８］刘沛，陈军．基于激光扫描的果树树形重构系统研究［Ｊ］．农机化研究，２０１１（５）：１９９－２０２．
ｔｒｅｅｓｉｎｕｎｔｈｉｎｎｅｄｐｌａｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣａｎＪＦｏｒＲｅｓ，１９９４（２４）：２３６２－２３７６．ｓｕａｌｔｒｅｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＡｎｎＳｃｉＦｏｒ，１９９２，４８：５１１－５３８．
非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究
作者：作者单位：
刘大为， 谢方平， 李旭， 王小龙， 梅婷， LIU Da-wei， XIE Fang-ping， LI Xu， WANG Xiao-long， MEI Ting
刘大为,李旭,王小龙,梅婷,LIU Da-wei,LI Xu,WANG Xiao-long,MEI Ting(湖南农业大学 工学院,湖南 长沙,410128)， 谢方平,XIE Fang-ping(湖南农业大学 工学院，湖南长沙 410128; 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)江西农业大学学报
Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis (Natural Sciences Edition)2014(5)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
引用本文格式：刘大为. 谢方平. 李旭. 王小龙. 梅婷. LIU Da-wei. XIE Fang-ping. LI Xu. WANG Xiao-long. MEI Ting 非精确条件下柑橘树树冠形状与采摘平台适应性关系研究[期刊论文]-江西农业大学学报 2014(5)