DE19544112C2

DE19544112C2 - Process for generating digital terrain relief models

Info

Publication number: DE19544112C2
Application number: DE1995144112
Authority: DE
Inventors: Thilo Steckel
Original assignee: Claas KGaA mbH
Current assignee: Claas KGaA mbH
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: FR2741735A1; FR2741735B1; DE19544112A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung digitaler Geländereliefmodelle, welche beispielsweise für landwirtschaftliche teilschlagspezifische Aufwandsoptimierungen, aber auch in der Forst- oder Bauwirtschaft, im Vermessungswesen oder in der Kartographie erforderlich sind.The invention relates to a method for generating digital terrain relief models, which, for example, for agricultural partial field-specific effort optimization, but also in the forestry or construction industry, in surveying or in cartography required are.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, sog. Ertragskarten von landwirtschaftlich genutz ten Flächen anzulegen. So wird beispielsweise in der Schrift WO 86/05353 vorgeschlagen, während der Bearbeitung einer landwirtschaftlichen Fläche die Position zu erfassen, um in einer Karte die jeweils aktuellen Prozeßdaten der landwirtschaftlichen Maschine oder die von einer Sensorik erfaßte aktuelle Ertragsmenge, abzulegen. Die bisher bekannten landmaschi nengestützten Kartierungssysteme sehen jedoch nur eine zweidimensionale Kartierung mit den Koordinaten (x, y) vor. Den Koordinaten werden dann bestimmte Ertrags-, Düngungs- oder bestimmte maschinenspezifische Steuerungswerte zugeordnet. So wird beispielsweise in der Schrift DE 44 31 824 A1 vorgeschlagen, dem Steuerprozessor eines Mähdreschers den Zugriff auf ein historisches Datenkataster zu geben und während der Ernte im Zugriff darauf den jeweils aktuellen Koordinaten vorgreifend Soll- oder Grenzbetriebsdaten zu bestimmen und aktuell vorzugeben. Auch in dieser Schrift ist ein zweidimensionales Geländemodell vor ausgesetzt. Dreidimensionale Reliefgeländemodelle werden heute von Landvermessern erstellt, die dabei auf unterschiedliche Techniken zurückgreifen, wie beispielsweise die Triangulation mit Hilfe fester Geländebezugspunkte, Radar oder neuerdings auch GPS- Systeme, die aus von mehreren Satelliten emittierten Zeitsignalen den aktuellen Standort errechnen. Nachteile der bekannten Verfahren zur Generierung von Geländerellefmodellen sind der hohe Generierungsaufwand sowie die großen Abstände der Knotenpunkte im Raster von 20 bis 50 m. It is known from the prior art, so-called yield cards of agricultural use ten areas. For example, WO 86/05353 proposes to grasp the position while working on an agricultural area in the current process data of the agricultural machine or that of current yield quantity recorded by a sensor system. The previously known landmaschi However, supported mapping systems only see two-dimensional mapping with the Coordinates (x, y). The coordinates are then certain yield, fertilization or assigned certain machine-specific control values. For example, in the Document DE 44 31 824 A1 proposed access to the control processor of a combine to enter a historical data register and access it during the harvest to determine current or anticipating target or limit operating data in each case and currently specified. In this document there is also a two-dimensional terrain model exposed. Three-dimensional relief terrain models are used today by land surveyors created using different techniques, such as the Triangulation using fixed terrain reference points, radar or, more recently, GPS Systems that determine the current location from time signals emitted by several satellites calculate. Disadvantages of the known methods for generating handrail models are the high generation effort and the large distances between the nodes in the grid from 20 to 50 m.

Zur Nutzung von Geländereliefmodellen in der Landwirtschaft ist eine möglichst hohe Rasterauflösung erforderlich, damit die für landwirtschaftliche Fragestellungen bedeutenden Reliefunterschiede, wie sie beispielsweise für die Abschätzung von Erosionsgefährdung, Nährstoffverhalten im Boden, Wasserabflußmodelle, Schadstoffeinträge und Befahrbarkeit, aber auch für Landmaschinenregelprozesse wichtig sind, nicht wegintegriert werden. Auch für Anwendungen im Bauwesen oder der Forstwirtschaft reichen die handelsüblich verfüg baren Rasterauflösungen nicht aus, um aus den Geländereliefmodellen Anwendungsoptimie rungen herleiten zu können. Andererseits darf der Ertrag, der sich aus der Auswertung von Geländereliefmodellen ergibt, nicht durch zu hohe Generierungskosten belastet werden.The use of terrain relief models in agriculture is as high as possible Raster resolution required so that those important for agricultural issues Relief differences, such as those used to estimate the risk of erosion, Nutrient behavior in the soil, water runoff models, pollutant inputs and trafficability, but are also important for agricultural machinery control processes, not to be integrated into the path. Also for applications in construction or forestry, the commercially available ones are sufficient do not rule out grid resolutions in order to optimize application from the terrain relief models to be able to deduce On the other hand, the yield resulting from the evaluation of Terrain relief models are not burdened by excessive generation costs.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das eine kostengünstige Generierung von Geländereliefmodellen mit einer hohen Auflösung erlaubt.It is therefore an object of the present invention to develop a method that inexpensive generation of terrain relief models with a high resolution allowed.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst, indem die räumlichen Koordinaten (x, y, z) während der Flächenbearbeitungen durch Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Traktoren, Raupen, Bagger, Mähdrescher etc., die mit einem Positionsermittlungssystem wie beispiels weise einem GPS-System ausgestattet sind, das auch Höhendaten ermittelt, gewonnen werden, wobei die flächige Rasterweite der räumlichen Koordinaten (x, y, z) in Längsrichtung durch eine zur Vorfahrtsgeschwindigkeit passende Lograte und in Querrichtung durch die Arbeitsbreite der Arbeitsmaschine gegeben ist.The object according to the invention is achieved by the spatial coordinates (x, y, z) during surface processing by machines, such as tractors, Caterpillars, excavators, combine harvesters, etc. with a position detection system such as are equipped with a GPS system that also determines altitude data , where the areal spacing of the spatial coordinates (x, y, z) in Longitudinal direction by a log rate matching the right of way and in Transverse direction is given by the working width of the working machine.

Die jeweils von einem Positionsermittlungssystem wie beispielsweise einem GPS-System ermittelten, einer Position der Arbeitsmaschine entsprechenden räumlichen Koordinaten (x, y, z) werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in digitalisierter Form gespeichert. Sie können zu einem digitalisierten Geländereliefmodell weiterverarbeitet werden, das auf einem Bildschirm angezeigt, über Kabel oder Funk auf einen anderen Rechner übertragen oder über einen Drucker oder Speichermedien ausgegeben wird. Das digitalisierte Geländere liefmodell kann in dreidimensionaler Darstellung oder zweidimensional mit zusätzlichen Höhenlinien angezeigt oder ausgedruckt werden.Each of them from a position determination system such as a GPS system determined spatial coordinates corresponding to a position of the working machine (x, y, z) are stored in a digitized form in a further embodiment of the invention. They can be processed into a digital terrain relief model based on displayed on a screen, transferred to another computer via cable or radio or is output via a printer or storage media. The digitized railing Delivery model can be in three-dimensional representation or two-dimensional with additional ones Contour lines can be displayed or printed.

Die flächige Rasterweite der räumlichen Koordinaten (x, y, z) ist in Längsrichtung durch eine zur Vorfahrtgeschwindigkeit passende Lograte und in Querrichtung durch die Arbeitsbreite der Arbeitsmaschine gegeben.The areal spacing of the spatial coordinates (x, y, z) is in the longitudinal direction by a Log rate that matches the right of way and crossways through the working width given the work machine.

Die mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelten räumlichen Koordinaten (x, y, z) oder das digitalisierte Geländereliefmodell können mit räumlichen Koordinaten (x, y, z) oder einem digitalisierten Geländereliefmodell, die mittels eines oder mehreren früheren erfindungs gemäßen Bearbeitungsgängen einer oder mehrer Arbeitsmaschinen ermittelt wurden, zu neuen oder zusätzlichen räumlichen Koordinaten (x, y, z) oder einem neuen digitalen Geländerelief modell kombiniert werden. Dadurch ist es möglich, bei unterschiedlichen Arbeitsbreiten und Fahrgassen noch kleinere Rastermaße zu erhalten. Auch können durch einen Vergleich der räumlichen Koordinaten (x, y, z) oder der Geländereliefmodelle unwahrscheinliche Koor dinaten geglättet oder ersetzt werden. Zudem ist es möglich, durch Zusammenfügen der Koordinaten (x, y, z) oder der digitalisierten Geländereliefmodelle von einzelnen aneinander stoßender oder sich überlappender Flächen, ein Geländereliefmodell einer größeren Fläche zu erhalten. Auch ist eine Kombination der erfindungsgemäß ermittelten mit den herkömmlich ermittelten Koordinaten oder Geländereliefmodelle möglich.The spatial coordinates (x, y, z) or determined using the proposed method The digitized relief model can be with spatial coordinates (x, y, z) or a digitized terrain relief model, which by means of one or more previous Invention according to processing steps of one or more machines have been determined to new ones or additional spatial coordinates (x, y, z) or a new digital relief model can be combined. This makes it possible to work at different working widths and Tramlines to get even smaller pitches. Also, by comparing the spatial coordinates (x, y, z) or the unlikely coincidence of the terrain relief models dinates can be smoothed or replaced. It is also possible to combine the Coordinates (x, y, z) or the digitized terrain relief models of each other abutting or overlapping surfaces, a relief model of a larger one Get area. A combination of those determined according to the invention with the conventionally determined coordinates or terrain relief models possible.

Die ermittelten räumlichen Koordinaten (x, y, z) oder das digitalisierte Geländereliefmodell kann ausgewertet und die Auswertung für die Vorgabe von maschinentechnischen Soll- oder Grenzbetriebsdaten gebraucht werden, wie beispielsweise neigungsabhängige Maschinenein stellungen, Arbeitsanwendungen wie Planierhöhe im Bauwesen oder Dünge- oder Pflanzen schutzmittelausbringemenge in der Landwirtschaft, oder die Befahrbarkeitsrichtung.The determined spatial coordinates (x, y, z) or the digitized relief model can be evaluated and the evaluation for the specification of mechanical target or Limit operating data are used, such as incline-dependent machines positions, work applications such as leveling height in construction or fertilizer or plants amount of protective agent applied in agriculture, or the direction of passability.

Zur Realisierung der Erfindung ist es auch möglich, neben oder anstelle eines GPS-Systems sonstige, aus dem Stand der Technik bekannte, mit hinreichender Genauigkeit arbeitende Positionsermittlungssysteme auf der Arbeitsmaschine zu installieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit des Höhenwertes (z) eines GPS-Systems entsprechende zusätzliche Meßinstrumente zur Bestimmung der absoluten Höhe oder relativen Höhenunterschieden, wie beispielsweise eine Druckdose, mit dem GPS-System zu verbinden.To implement the invention, it is also possible, in addition to or instead of a GPS system other, known from the prior art, working with sufficient accuracy Install position detection systems on the machine. In particular it is advantageous to increase the measuring accuracy of the altitude value (z) of a GPS system corresponding additional measuring instruments for determining the absolute height or relative Height differences, such as a pressure cell, to connect to the GPS system.

Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, mit geringem Aufwand bei routinemäßigen Arbeiten ein Geländereliefmodell mit hoher Auflösung und Präzision zu erhalten.Overall, the invention makes it possible to carry out routine work with little effort to obtain a relief model with high resolution and precision.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beschrieben. Es zeigt:The invention is described with reference to the following figures. It shows:

Fig. 1 eine selbstfahrende Arbeitsmaschine auf unebenem Bodenprofil Fig. 1 is a self-propelled work machine on an uneven floor profile

In Fig. 1 ist ein dreidimensionales Koordinatensystem (2) mit x-, y- und z-Achsen gezeigt. Das tatsächliche Geländeprofil (10) ist anhand der Linien (4) in x-Richtung und der Linien (6) in y-Richtung skizziert, wobei die Höhenlage einer Linie (4) oder (6) durch den jeweils zugehörigen z-Wert bestimmt ist. Das Ausführungsbeispiel wird erläutert anhand eines an sich bekannten Mähdreschers (8) als Arbeitsmaschine. Der Mähdrescher (8) überfährt während des Erntevorganges das Geländerelief (10) entlang der x-Achse. Der Mähdrescher (8) ist mit einem GPS-System (12) ausgestattet, mit dessen Hilfe er in definierten Zeitraten oder Wegstrecken seine aktuelle Position mit der jeweiligen räumlichen Koordinate (x, y, z) bestimmt. Ein GPS-System (12) besteht in der Regel aus einer Antenne, die von GPS- Satelliten ausgestrahlte Funksignale empfängt, und einem mit der Antenne verbundenen Mikroprozessor, der die empfangenen Funksignale mit einer geeigneten Software in Posi tionskoordinaten umrechnet. Der Abstand (14) zwischen zwei Linien (6) in y-Richtung entspricht in etwa der Arbeitsbreite des Mähdreschers (8). Der Zeitversatz aus den Funksi gnalen der GPS-Satelliten ermöglicht es, nicht nur die x- und y-Koordinaten, sondern auch die z-Koordinaten zu ermitteln. Um die z-Koordinaten zu bekommen, muß der Mähdrescher (8) mit einer an sich bekannten Software ausgestattet sein, die aus den empfangenen Funksi gnalen den z-Wert errechnet. Dabei kann sich das GPS-System an sich schon für die Korrek tur der x- und y-Werte bekannter Korrekturverfahren bedienen, um die Genauigkeit der ermittelten Werte zu erhöhen. Die vom GPS-System ermittelten räumlichen Koordinaten (x, y, z) werden dann in digitalisierter Form gespeichert. Die Speicherung kann innerhalb des GPS-Systems, aber auch im zentralen Bordrechner, im Bedienpult in der Kabine oder in einem anderen in der Arbeitsmaschine angeordneten Bordrechner, die idealerweise miteinander vernetzt sind, erfolgen. Die digitali sierten räumlichen Koordinaten (x, y, z) können auch telemetrisch über eine in der Arbeits maschine installierte Funkeinheit einem externen Rechner übermittelt und dort gespeichert werden.In Fig. 1, a three-dimensional coordinate system (2) is provided with x-, y- and z-axes shown. The actual terrain profile ( 10 ) is sketched using the lines ( 4 ) in the x direction and the lines ( 6 ) in the y direction, the height of a line ( 4 ) or ( 6 ) being determined by the respectively associated z value . The exemplary embodiment is explained using a combine harvester ( 8 ) known per se as a working machine. The combine harvester ( 8 ) runs over the relief ( 10 ) along the x-axis during the harvesting process. The combine harvester ( 8 ) is equipped with a GPS system ( 12 ), with the aid of which it determines its current position with the respective spatial coordinate (x, y, z) in defined time rates or distances. A GPS system ( 12 ) usually consists of an antenna which receives radio signals emitted by GPS satellites, and a microprocessor connected to the antenna which converts the received radio signals into position coordinates using suitable software. The distance ( 14 ) between two lines ( 6 ) in the y direction corresponds approximately to the working width of the combine harvester ( 8 ). The time offset from the radio signals from the GPS satellites makes it possible to determine not only the x and y coordinates, but also the z coordinates. To get the z coordinates, the combine harvester ( 8 ) must be equipped with software known per se that calculates the z value from the radio signals received. The GPS system itself can use known correction methods for correcting the x and y values in order to increase the accuracy of the determined values. The spatial coordinates (x, y, z) determined by the GPS system are then stored in digitized form. The storage can take place within the GPS system, but also in the central on-board computer, in the control panel in the cabin or in another on-board computer arranged in the working machine, which are ideally networked with one another. The digitized spatial coordinates (x, y, z) can also be transmitted telemetrically to an external computer via a radio unit installed in the machine and stored there.

Die in Fig. 1 eingezeichneten Koordinatenpunkte (16) sind räumlich durch die jeweiligen Werte (x, y, z) definiert. Durch Verbinden benachbarter Koordinatenpunkte (16) durch Linien gelingt es, das Geländerelief (10) räumlich darzustellen. Der Verlauf der Verbindungslinien zwischen den benachbarten Koordinatenpunkten (16) kann von einer geeigneten Software berechnet werden. Anstelle einer räumlichen Darstellung kann auch eine zweidimensionale Darstellungsform gewählt werden, bei der Koordinatenpunkte gleicher Höhe (z-Wert) durch Linien miteinander verbunden sind und die Verbindungslinien ebenfalls von einer geeigneten Software berechnet werden. Die auf beiderlei Weise berechneten Darstellungsformen erlauben eine optische Wahrnehmung des ermittelten Geländereliefs, wobei die Anzeige des Geländereliefmodells über Bildschirme oder Drucker erfolgen kann.The coordinate points ( 16 ) shown in FIG. 1 are spatially defined by the respective values (x, y, z). By connecting adjacent coordinate points ( 16 ) with lines, the relief ( 10 ) can be spatially represented. The course of the connecting lines between the neighboring coordinate points ( 16 ) can be calculated by suitable software. Instead of a spatial representation, a two-dimensional representation form can also be selected, in which coordinate points of the same height (z value) are connected to one another by lines and the connection lines are also calculated by suitable software. The forms of representation calculated in both ways permit an optical perception of the terrain relief determined, it being possible for the terrain relief model to be displayed on screens or printers.

Die Auswertungen des digitaliserten Geländereliefmodells können erfolgen auf Basis der dreidimensionalen oder der zweidimensionalen Darstellungform des Geländereliefmodells mit Höhenlinien oder auf einer mathematisch-vektoriellen Modellierung, deren vektorielle Darstellung sich aus den einzelnen räumlichen Koordinaten (x, y, z) ableitet. Für softwarege stützte Auswertungen kann das auf die bloßen Koordinaten gestützte Modell, das eine Auswertung anhand einzelner Koordinatenwerte x, y oder z erlaubt, vorteilhaft sein.The evaluations of the digitized terrain relief model can be based on the three-dimensional or two-dimensional representation form of the terrain relief model with Contour lines or on a mathematical-vectorial modeling, its vectorial Representation is derived from the individual spatial coordinates (x, y, z). For software The model based on the mere coordinates, the one Evaluation based on individual coordinate values x, y or z allowed to be advantageous.

Die während einer Flächenbearbeitung ermittelten Koordinatenpunkte (16) können mit früher oder später ermittelten Koordinatenpunkten so kombiniert werden, daß sich ein engmaschige res Netz zur Abbildung des Geländereliefs (10) ergibt. In Fig. 1 sind die Koordinatenpunkte (18) aus einer früheren Flächenbearbeitung dargestellt, aus deren Verbindung mit benach barten Koordinatenpunkten (16) sich ein noch höher auflösendes Geländereliefmodell ergibt.The coordinate points ( 16 ) determined during surface processing can be combined with coordinate points determined earlier or later in such a way that a close-meshed res network results for mapping the relief of the terrain ( 10 ). In Fig. 1, the coordinate points ( 18 ) from an earlier surface treatment are shown, from their connection with neighboring coordinate points ( 16 ) results in an even higher resolution terrain relief model.

Claims

1. A method for generating digital terrain relief models by using GPS-Syste men, characterized in that the spatial coordinates (x, y, z) during the surface processing by Arbeitsma machines that are equipped with a position detection system such as a GPS system, the also height data are determined, obtained, the planar range of the spatial coordinates (x, y, z) being given in the longitudinal direction by a log rate matching the Vorfahrtge speed and in the transverse direction by the working width of the working machine.

2. The method according to claim 1, characterized, that each of them from a position detection system such as a GPS System determined spatial corresponding to a position of the work machine Coordinates (x, y, z) can be stored in digitized form.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized, that the determined or stored spatial coordinates (x, y, z) to one digitized terrain relief model to be processed on a screen displayed, transferred to another computer via cable or radio or via a printer or storage media is output.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the terrain relief model is displayed in three dimensions or out is printed.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized, that the terrain relief model is displayed two-dimensionally with additional contour lines or printed out.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that the determined spatial coordinates (x, y, z) or the digitized terrain relief model with spatial coordinates (x, y, z) or a terrain relief model that can be created using one or more machines have been identified, to new spatial coordinates (x, y, z) or a new digital relief model can be combined.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized, that the determined spatial coordinates (x, y, z) or the digitized railing Delivery model can be evaluated and the evaluation for the specification of machine technology target or limit operating data is used.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized, that besides or instead of a GPS system, other position detection systems operating with sufficient accuracy, especially to determine the relative or absolute amount at work machine installed and if necessary. with the GPS system to a functional unit are connected.