水蜜桃提质增产的枝梢调控与光温耦合栽培系统及方法与流程

本发明属于果树栽培，具体涉及一种水蜜桃提质增产的枝梢调控与光温耦合栽培系统及方法，适用于设施水蜜桃的优质高效智能化栽培。

背景技术：

1、传统水蜜桃栽培普遍采用三主枝自然开心形树形，主枝向三个方向伸展，向北生长的枝条光照不足，导致部分果实品质下降。在设施栽培条件下，棚内光照强度通常仅为露地自然光照的60%～70%，光照不足进一步加剧了枝叶徒长和果实品质降低的问题。此外，传统栽培中枝梢管理主要依靠果农经验进行人工判断和操作，管理粗放且时效性差，常常出现因未能及时发现树势变化而错失调控窗口的问题，营养生长与生殖生长失衡，果个大小不一、风味寡淡的现象较为突出。

2、现有技术中已有关于水蜜桃栽培方法的报道。例如，申请号为cn201810643261.3的专利公开了一种水蜜桃的高产种植方法，主要通过施肥管理和常规修剪实现增产；申请号为cn201710325913.4的专利公开了另一种水蜜桃高产的种植方法，侧重于有机肥施用和常规管理。然而，这些技术均未解决对枝梢功能结构状态的实时感知与精准判别问题，光温调控均基于固定物候期标准，未考虑个体树体实际生长状态的差异，枝梢调控与光温调控仍为两条相互独立的技术路线，缺少联动反馈机制，提质增产效果有限。

3、近年来，三维激光雷达扫描技术已被应用于森林资源调查和果树冠层结构分析，但其用途主要停留在科研评估层面，尚未被引入作为设施果树栽培过程中的实时动态调控工具。基于图论的枝干拓扑识别方法在植物形态学研究中有部分报道，但将其与设施环境的光温调控直接关联、形成闭环控制系统的技术方案，目前未见公开。

4、因此，开发一种将枝梢功能结构动态感知与光温耦合调控整合为一体的水蜜桃栽培系统及方法，对实现水蜜桃品质与产量的协同提升具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有水蜜桃栽培中枝梢管理依赖人工经验判断时效性差、光温调控基于固定物候期标准缺乏个体适应性、枝梢调控与光温调控相互独立缺少联动机制的技术问题，提供一种水蜜桃提质增产的枝梢调控与光温耦合栽培系统及方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种水蜜桃提质增产的枝梢调控与光温耦合栽培方法，包括以下步骤：

4、（1）树形整形：在设施栽培条件下，水蜜桃树体定干高度40～50cm，采用双主枝“y”形整形，两主枝分别向东、西方向伸展，主枝间夹角为90°～100°，主枝上直接着生结果枝组，无侧枝结构；

5、（2）枝梢功能结构数字化建模：采用激光雷达获取水蜜桃树体枝干三维点云数据，构建枝干拓扑有向图数字模型g=(v,e)，所述模型以枝干圆柱体为节点v、以枝干间的连接关系为边e，各节点属性包含枝干半径、长度、方向向量及父节点信息；

6、（3）枝干功能类型自动识别：基于所述有向图数字模型，通过半径相似度和方向向量相似度综合判断，自动识别枝干类型，计算结果枝占比rfr和徒长枝占比rvb；

7、（4）基于枝梢功能结构状态的光温耦合调控：根据所述rfr和rvb匹配预设光温调控策略库，生成分区差异化调控指令，控制所述设施内的温度与光照；

8、（5）闭环反馈迭代：在物候期关键节点重复步骤（2）至（4），计算结果枝占比变化率δfr和徒长枝占比变化率δvb，当δfr为负值且变化幅度超过第一预设阈值或δvb为正值且变化幅度超过第二预设阈值时，上调光照强度目标并下调昼温，实现闭环反馈迭代；

9、（6）花果定量调控：根据步骤（3）识别得到的结果枝数量进行花果定量调控。

10、进一步地，步骤（3）中，所述自动识别枝干类型的具体方法为：

11、以有向图中入度为0的节点作为主干起点，对任一父子节点对(p,c)，计算半径相似度sradius=min(rp,rc)/max(rp,rc)和方向向量余弦相似度sdirection= |vp·vc|/(||vp||×||vc||)，计算综合相似度s=0.6×sradius+0.4×s′direction，其中s′direction为将sdirection线性转换至[0,1]区间的值；当s≥0.75时父子节点属同一枝干类型的延续，反之则为分支；

12、直径≥主干直径的30%且方向与主干夹角≥30°的分支标记为主枝；长度≤80cm且直径≤父枝直径40%的末端枝标记为结果枝；当年生长度≥80cm、节间长度≥3cm、直径≥父枝直径50%且与父枝方向夹角≤30°的直立枝标记为徒长枝。

13、进一步地，步骤（4）中，所述光温调控策略库包含：

14、当rfr≥60%且rvb≤10%时，执行果实发育促进模式，昼温24～28℃、夜温12～15℃，光照强度≥室外自然光强的35%；

15、当rvb≥20%或rfr≤40%时，执行营养生长抑制模式，昼温22～25℃、夜温10～12℃，昼夜温差10～12℃，补光时长14～16小时/天；

16、当40%

17、进一步地，步骤（5）中，所述物候期关键节点包括萌芽期、新梢生长期、坐果期、果实膨大期和采收后；感知周期间隔为新梢生长期至坐果期每7天一次，果实膨大期每10天一次。

18、进一步地，步骤（5）中，所述第一预设阈值为5%/7天，所述第二预设阈值为3%/7天；所述上调光照强度目标为上调10%～15%，所述下调昼温为下调1～2℃。

19、进一步地，步骤（6）中，所述花果定量调控为：以每结果枝留果数乘以结果枝总数确定目标产量，长果枝留3～4个果，中果枝留2～3个果，短果枝留1～2个果，每亩产量控制在1500kg以内。

20、进一步地，步骤（4）中，还包括有效积温触发物候期切换步骤，具体是记录日平均气温，计算有效积温gdd=σ(tdaily-tbase)，其中tdaily为日平均气温，tbase为水蜜桃生物学零度温度，仅当tdaily>tbase时计入累积，当gdd达品种对应物候期所需有效积温阈值时，自动切换至下一物候期温光目标。

21、第二方面，本发明还提供一种实现上述方法的水蜜桃提质增产的枝梢调控与光温耦合栽培系统，包括：

22、枝梢功能结构动态感知单元，其包含三维结构采集模块、枝干拓扑模型构建模块和枝干功能类型自动识别模块，所述三维结构采集模块用于获取树体枝干的三维点云数据，并传输至所述枝干拓扑模型构建模块；所述枝干拓扑模型构建模块基于接收到的点云数据构建有向图数字模型g=(v,e)，并将该模型输入所述枝干功能类型自动识别模块；所述枝干功能类型自动识别模块依据所述有向图数字模型，通过半径和方向向量相似度综合判断，自动识别各枝干的功能类型，输出结果枝占比rfr和徒长枝占比rvb；

23、光温耦合调控单元，包含多点多参数环境感知子单元、决策子单元和执行子单元；所述多点多参数环境感知子单元包含分布于设施内不同空间位点的温度传感器和光照传感器，用于实时监测设施内的环境参数并传输至所述决策子单元；所述决策子单元内置光温调控策略库，根据所述枝梢功能结构动态感知单元输出的rfr和rvb，调用所述光温调控策略库匹配对应的温光策略，并结合所述多点多参数环境感知子单元传输的环境参数生成调控指令；所述执行子单元包含可调节通风口、保温被卷放装置、遮阳装置、分区补光装置和雾化降温装置，所述执行子单元响应所述决策子单元的调控指令执行相应操作；

24、所述枝梢功能结构动态感知单元与光温耦合调控单元之间通过数据接口连接，所述枝梢功能结构动态感知单元定期获取枝梢结构状态数据并输入所述决策子单元，所述决策子单元依据当前枝梢结构状态动态调整温光目标值，所述执行子单元响应后，所述枝梢功能结构动态感知单元于下一周期重新采集数据验证调控效果，构成闭环反馈控制回路。

25、进一步地，所述三维结构采集模块为无人机搭载激光雷达或地面固定式激光扫描仪。

26、进一步地，所述光温耦合调控单元还包括有效积温触发物候期切换模块，所述有效积温触发物候期切换模块的输入端连接至所述多点多参数环境感知子单元，输出端连接至所述决策子单元；所述有效积温触发物候期切换模块接收所述多点多参数环境感知子单元传输的日平均气温，计算有效积温gdd，当gdd达品种对应物候期所需有效积温阈值时，所述有效积温触发物候期切换模块向所述决策子单元发送物候期切换信号，所述决策子单元根据切换后的物候期调用所述光温调控策略库匹配对应的温光目标。

27、进一步地，还包括异常状态预警模块，其连接至所述决策子单元，所述决策子单元将连续三次感知数据识别获得的结果枝占比rfr传输至所述异常状态预警模块，当结果枝占比下降速率超过5%/天时，所述异常状态预警模块发出“树势失衡”预警信号。

28、与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

29、本发明将激光雷达三维建模与图论枝干类型自动识别引入设施水蜜桃栽培的实时管理，实现了枝梢状态从人工经验判断到机器自动量化识别的转变，有利于提高判别的一致性和时效性，降低了对人工经验的依赖。本发明通过建立基于枝梢功能结构状态的光温调控策略匹配机制，突破了现有技术中光温调控依赖固定物候期标准的局限，使调控目标能够依据个体树体的实际生长状态进行动态适配，提高了环境调控的针对性。构建感知-决策-执行-验证的完整技术链条，通过对调控效果的定期验证和策略修正，形成了具有自我优化能力的栽培管理系统，为果树设施栽培的精细化管理提供了技术支撑。采用本发明方法对水蜜桃栽培过程进行动态调控，能够在一定程度上改善果实品质，实施例中果实可溶性固形物含量提高20%~30%，着色均匀，风味提升；同时产量可保持稳定，有利于减轻大小年现象的发生。本发明系统集成度较高，自动化程度优于传统栽培管理模式，在规模化设施桃园中具有良好的可复制性，便于在规模化设施桃园推广应用。