CN101672639A - 基于gps农田作业面积测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于GPS农田作业面积测量系统，该系统包括GPS接收模块、单片机、存储器、键盘、显示器、打印机和电源；GPS模块接收GPS卫星信号，并将定位信息通过RS232串行口输入到单片机中；单片机对定位信息进行处理，计算出农田的面积；存储器保存作业记录；通过键盘和显示器输入作业收费单价，设定日期，修整作业路线，计算作业面积和查询作业记录；微型打印机打印输出作业记录。本发明采用GPS定位系统测量原始农田作业面积和单片机对原始农田作业面积进行修整，提高农田作业面积测量精度。

Description

基于GPS农田作业面积测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS农田作业面积测量系统及测量方法，属于农业机械测试技术领域，主要用于农业机械农田作业面积测量，实现对农田作业计价和管理。

背景技术

联合收割机等农业机械跨区作业是适合我国国情的农田生产作业形式，异地作业，机手和农民都希望知道实际农田作业的面积和产量，配置面积或者产量计价系统是农业机械发展必然趋势，已刻不容缓。

目前实时检测农业机械作业面积方法主要有两种：一是采用GPS定位系统和单片机开发的面积测量仪或者计价器，如美国“GPS面积测量仪-征程300”、杭州路径科技有限公司的“LMJ-I面积测量仪”、北京农业信息技术研究中心的专利“农田作业面积测量仪”(zl200520113683.8)，均是通过GPS定位，绕行作业测量区域一周，自动记录作业路线的坐标，然后计算所围绕的面积；二是实时检测农业机械作业宽度和行走距离，进而计算出面积及价格，如河北农业大学的专利“自动在线测量谷物实时实际割幅宽度的方法及装置”(zl200510012373.1)，北京农业信息技术研究中心的专利“一种收割面积测量与计费系统及方法”(zl200710175342.7)，均通过超声波检测收割幅宽，由单片机实时计算输出作业面积和费用；赵金周的专利“农机车辆耕作面积测量计价器”(zl200820028159.4)，包括由吸附安装在不同农机车辆轮轴上通用尺度衡量盘和计算器，累计测量轮胎行驶周长数据的动触点拨杆及动触头与静触头，通过耕作时动触头拨杆与动触头和静触头互相接触，累计轮胎周长数据，加上尺度衡量盘上的不足一周圈的尺度换算数据，可测量出长、宽度，进而计算出面积及价格。

对于第一种方法，采用高精度GPS定位系统，价格高不宜推广应用，采用一般GPS定位系统，由于定位精度低，作业面积计算误差大，也难于应用推广；第二种方法，由于农业机械作业环境差、工况复杂，超声波检测收割幅宽和动触点拨杆及动触头与静触头接触测量轮胎行驶周长数据，均存在误差大、可靠性低缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的不足，公开一种基于GPS农田作业面积测量系统及测量方法，其特点是：采用一般GPS定位系统和单片机，针对GPS定位精度低问题和一般农田具有规则外形特点，通过对农田外形预先设定或者选择，在绕行作业测量区域一周，自动记录作业路线的坐标以后，对得到的农田作业路线进行修整，并对定点坐标进行换算，然后再计算所围绕的面积，从而提高农田作业面积测量精度。

本发明所述的基于GPS农田作业面积测量系统，该系统包括GPS接收模块、单片机、存储器、键盘、LCD显示器、打印机和电源；GPS模块接收GPS卫星信号，并将定位信息通过RS232串行口输入到单片机中；单片机对定位信息进行处理，计算出农田的面积；存储器保存作业记录，作业记录包括作业路线的坐标、农田作业面积、作业单价和总价、作业日期数据；通过键盘和LCD显示器输入作业收费单价，设定日期，修整作业路线，计算作业面积和查询作业记录；微型打印机打印输出作业记录。

本发明所述的基于GPS农田作业面积测量系统农田作业面积测量方法，包括以下步骤：

(1)GPS接收模块绕行作业测量区域一周，每隔固定的时间接收GPS卫星发送的定位信息，并发送至单片机；

(2)单片机读取和保存GPS定位信息，将若干GPS定位信息换算成定位坐标并保存，若干定位坐标形成原始农田作业路线；

(3)将上步骤产生的原始农田作业路线和按照预先设定的农田作业路线进行比较，修整原始农田作业路线，直到原始农田作业路线与实际农田外形基本一致，形成修整后的农田作业路线，并按照规则几何图形将修整后的农田作业路线划分若干区域；

(4)计算农田作业面积和作业总价：对上述若干区域，按照几何图形各顶点坐标计算各区域面积、总的农田作业面积和作业总价。

所述步骤(3)中修整原始农田作业路线包括：按照预先设定或者选择的农田规则外形自动修整和人工选择修整点进行修正。

本发明与其它基于GPS定位系统的面积测量仪或者计价器比较，优点是：通过对农田外形预先设定选择和作业路线修整，大大提高面积测量精度，既能满足机手和农民对农田作业面积测量准确度要求，又能满足价格低廉、结构简单、操作方便的使用要求，便于在多种农田作业中应用推广。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于GPS农田作业面积测量系统框图

图2是本发明实施例1原始农田作业路线例图

图3本发明实施例1计算坐标系

图4是本发明本发明实施例1农田作业路线修整图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的基于GPS农田作业面积测量系统，采用一般GPS定位系统和单片机，针对GPS定位精度低问题和一般农田具有规则外形特点，通过对农田外形预先设定或者选择，在GPS接收模块绕行作业测量区域一周，自动记录作业路线的坐标以后，对得到的农田作业路线进行修整，并对定点坐标进行换算，然后再计算所围绕的面积。

如图1所示，本发明所述的基于GPS农田作业面积测量系统，包括GPS接收模块、单片机、存储器、键盘、LCD显示器、打印机和电源等。GPS接收模块采用UP500型GPS接收机，集成了GPS接收器、内置天线、上电复位电路；单片机为C8051F020型，3～5.5V宽范围低压供电，具有较强接口和数据处理能力，接口简单，体积小，功耗低，非常适合便携式测量系统；存储器采用AT24C04，是4KB串行接口EEPROM，保存作业路线的坐标、农田作业面积、作业单价和总价、作业日期等作业记录数据；键盘采用4×4薄膜键盘，设定0～9十个数字键，上、下、左、右光标移动键、确认键、复位键六个功能键；LCD显示器采用128×64汉字图形液晶显示器，使用7920芯片组，带汉字库，蓝屏白字带背光；打印机采用RD-E32微型打印机，打印输出作业记录；电源由24V蓄电池供电，并稳压输出5V，给单片机、GPS接收模块和打印机等供电。通过键盘和LCD显示器输入作业收费单价，设定日期，修整作业路线，计算作业面积，查询作业记录等。

本发明所述的基于GPS农田作业面积测量方法，包括以下步骤：

(1)GPS接收模块绕行作业测量区域一周，每隔固定的时间接收GPS卫星发送的定位信息，并发送至单片机。

(2)单片机读取、保存GPS定位信息，生成农田作业路线。GPS每隔固定的时间(1秒左右)发送定位信息到接收模块上。通过按键移动光标选择生成农田作业路线，在按确认键，开始接受农田作业定位信息后，单片机读取一系列GPS定位信息，并按照以下步骤换算定位坐标并保存，直到再按确认键，停止接受农田作业定位信息，一系列定位坐标形成原始农田作业路线1，如图2所示。定位坐标换算步骤：

第一步，简化假设：认为农田是水平的或者只有很小的坡度，忽略高度差变化对两点间距离的影响；平行于赤道平面的所有横截面都是半径不同的标准圆；垂直于赤道平面的所有横截面都是尺寸相同的标准椭圆；在一个很小的范围内认为各条经、纬线之间相互平行，且每条经线与纬线相互垂直。

第二步，建立计算坐标系，如图3所示。其中，O点是测定区域内某一点，将其作为平面直角坐标系的原点，则区域内任意一点C沿纬线方向偏离此原点的距离OA就是C点的Y坐标值，沿经线方向偏离原点的距离OB就是C点的X坐标值。

第三步，分别计算OA与OB的值。

由图3可知，OA是沿经度圈上的一段弧长。经度圈是一个椭圆，以椭圆圆心为原点，长轴为X坐标轴，短轴为Y坐标轴，在根据椭圆性质，可以推得O点坐标(x_O，y_O)和A点的坐标(x_A，y_A)分别为：

$x_O=\frac{a}{\sqrt{1+{\left(\frac{b}{a}\tan B_O\right)}^2}}$

$y_O=\frac{b}{\sqrt{1+{\left(\frac{a}{b\tan B_O}\right)}^2}}$

$x_A=\frac{a}{\sqrt{1+{\left(\frac{b}{a}\tan B_A\right)}^2}}$

$y_A=\frac{b}{\sqrt{1+{\left(\frac{a}{b\tan B_A}\right)}^2}}$

OA的近似计算公式是：

$\mathrm{OA}=\sqrt{{(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2}---\left(1\right)$

其中，a为地球椭圆的半长轴6378137m，b为地球椭圆的半短轴6356752m；B_A和B_O分别为A点和O点的大地纬度(单位为弧度)。且A点的大地纬度B_A和C点大地纬度B_C相同。

由图3可知，OB是沿纬度圈上的一段弧长。纬度圈是一个圆，圆半径就是O点在经度圈椭圆坐标中长轴X坐标轴的X坐标值x_O。因此OB的计算公式是：

OB＝x_O·L_OB    (2)

其中，L_OB是O点到B点的经度差(单位为弧度)。且B点的大地经度L_B和C点大地经度L_C相同。

因此，根据O点和C点大地经度和纬度，由式(1)和(2)就可以计算C点相对于O点的坐标值OA和OB。

(3)自动和人工修整农田作业路线。通过键盘移动光标选择农田作业路线修整，按确认键，原始农田作业路线1和按照预先设定或者选择的农田规则外形自动修整后的农田作业路线2在LCD显示器上显示，如图4所示；如不合适，可以通过键盘移动光标，按确认键选择修整图形定点，然后再通过键盘移动光标，调整图形定点位置直到与实际农田外形基本一致，再按确认键，人工修整农田作业路线，最后通过键盘移动光标，按照规则几何图形，将农田作业路线所围区域划分若干规则区域。

(4)计算农田作业面积和作业总价。通过键盘移动光标选择计算农田作业面积，按确认键，对修整过的农田作业路线所划分若干规则区域，按照几何图形各顶点坐标计算各区域面积，各区域面积累加得到总的农田作业面积，总的农田作业面积与作业单价相乘得到作业总价，显示并保存，按照需要移动光标选择打印输出。

Claims (7)

1.基于GPS农田作业面积测量系统，其特征在于：该系统包括GPS接收模块、单片机、存储器、键盘、显示器、打印机和电源；GPS模块接收GPS卫星信号，并将定位信息通过RS232串行口输入到单片机中；单片机对定位信息进行处理，计算出农田的面积；存储器保存作业记录；通过键盘和显示器输入作业收费单价，设定日期，修整作业路线，计算作业面积和查询作业记录；微型打印机打印输出作业记录。

2.根据权利要求1所述的基于GPS农田作业面积测量系统，其特征在于：所述GPS接收模块采用UP500型GPS接收机，集成了GPS接收器、内置天线、上电复位电路；所述单片机采用C8051F020型；所述存储器采用4KB、SPI串行接口的EEPROM AT24C04；所述键盘采用4×4薄膜键盘，设定0～9十个数字键，上、下、左、右光标移动键、确认键、复位键六个功能键；所述显示器采用128×64汉字图形液晶显示器；所述打印机采用RD-E32微型打印机；所述电源由24V蓄电池供电，并稳压输出5V，给单片机、GPS接收模块和打印机等供电。

3.根据权利要求1所述的基于GPS农田作业面积测量系统，其特征在于：所述作业记录包括作业路线的坐标、农田作业面积、作业单价和总价、作业日期数据。

4.基于GPS农田作业面积测量方法，其特征在于：GPS接收模块绕行作业测量区域一周，接收GPS定位信号，并发送至单片机，单片机自动记录作业路线的坐标信息，并换算成定位坐标保存，通过对农田外形预先设定或者选择，对得到的农田作业路线进行修整，然后再计算所围绕的面积。

5.根据权利要求4所述的基于GPS农田作业面积测量方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

(1)GPS接收模块绕行作业测量区域一周，每隔固定的时间接收GPS卫星发送的定位信息，并发送至单片机；

(2)单片机读取和保存GPS定位信息，将若干GPS定位信息换算成定位坐标并保存，若干定位坐标形成原始农田作业路线；

(3)修整原始农田作业路线，将上步骤产生的原始农田作业路线和按照预先设定的农田作业路线进行比较，修整原始农田作业路线，直到原始农田作业路线与实际农田外形基本一致，形成修整后的农田作业路线，并按照规则几何图形将修整后的农田作业路线划分若干区域；

(4)计算农田作业面积和作业总价：对上述若干区域，按照几何图形各顶点坐标计算各区域面积、总的农田作业面积和作业总价。

6.根据权利要求4所述的基于GPS农田作业面积测量方法，其特征在于，所述定位坐标的换算包括三个步骤：

步骤一简化假设：假设农田是水平的或者只有很小的坡度，忽略高度差变化对两点间距离的影响；平行于赤道平面的所有横截面都是半径不同的标准圆；垂直于赤道平面的所有横截面都是尺寸相同的标准椭圆；在一个很小的范围内认为各条经、纬线之间相互平行，且每条经线与纬线相互垂直；

步骤二建立计算坐标系：测定区域内某一点(O)，将其作为平面直角坐标系的原点，区域内任意一点(C)沿纬线方向偏离此原点的距离(OA)就是区域内任意一点(C)的Y坐标值，沿经线方向偏离原点的距离(OB)就是区域内任意一点(C)的X坐标值，

步骤三分别计算区域内任意一点(C)的Y坐标值和X坐标值：沿经度圈上的一段弧长(OA)，经度圈是一个椭圆，以椭圆圆心为原点，长轴为X坐标轴，短轴为Y坐标轴，坐标系中某一点(O)的坐标(x_O，y_O)和点(A)的坐标(x_A，y_A)分别为：

$x_O=\frac{a}{\sqrt{1+{\left(\frac{b}{a}\tan B_O\right)}^2}}$

$y_O=\frac{b}{\sqrt{1+{\left(\frac{a}{b\tan B_O}\right)}^2}}$

$x_A=\frac{a}{\sqrt{1+{\left(\frac{b}{a}a\tan B_A\right)}^2}}$

$y_A=\frac{b}{\sqrt{1+{\left(\frac{a}{b\tan B_A}\right)}^2}}$

区域内任意一点(C)的Y坐标值的近似计算公式是：

$\mathrm{OA}=\sqrt{{(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2}---\left(1\right)$

其中，a为地球椭圆的半长轴6378137m，b为地球椭圆的半短轴6356752m；B_A和B_O分别为点(A)和点(O)的大地纬度，单位为弧度；且点(A)的大地纬度B_A和点(C)大地纬度B_C相同；

区域内任意一点(C)的X坐标值：

OB＝x_O·L_OB                                (2)

其中，L_OB是点(O)到点(B)的经度差，单位为弧度；且点(B)的大地经度L_B和点(C)大地经度L_C相同。

7、根据权利要求6所述的基于GPS农田作业面积测量方法，特征在于，所述步骤(3)中修整原始农田作业路线包括：按照预先设定或者选择的农田规则外形自动修整和人工选择修整点进行修正。

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