CN103196403A - 一种基于gps控制平地系统的土方量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，包括：S1、计算待测农田内每个测量点GPS数据的高程值，并计算待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值，将所述均值作为该待测农田的高程值；S2、将所述待测农田分割为多个相同的矩形栅格，分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值，并将其均值作为所述每个栅格的高程值；S3、根据所述待测农田的高程值和所述每个栅格的高程值，计算该待测农田的挖方土方量和填方土方量；本发明充分考虑了实际作业中的作业质量、土壤种类、含水量等各种条件，使得基于GPS控制平地作业的挖方和填方土方量均能快速测量，适宜自动化编程操作，同时降低了作业人员的劳动强度。

Description

一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法

技术领域

本发明涉及土地精细平整技术，特别涉及一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法。

背景技术

随着我国农业水资源供需矛盾的突出，改进地面灌溉技术、提高农田平整程度已成为当今现代农业节水技术的重要组成部分。平整土地可以起到提高田间地面灌溉效率和灌水均匀度的作用，是改进地面灌溉方法的重要技术要素之一。目前在农田平整作业方面，平地的方法主要有三种，即常规平地，激光控制平地以及GPS控制平地。

常规平地方法中采用的平地设备一般包括推土机、铲运机和刮平机等，该种常规的土地平整设备具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于地面起伏较大、原始平整程度较差的农田粗平作业，可有效改变农田的宏观地形。

这种常规土地平整的效果主要取决于推土机和刮平机的施工精度。但是由于推土机的升降采用手工控制，操作人员不能精确地控制其抬升或下落的高度，而刮平机的铲运刀口与设备行进装置间的相对位置固定，故平地施工时刀口将随轮胎沿地面微地形的变化上下起伏，刮平及修整田面的效果有限。因此，受常规平地机具设备自身缺陷和人工操作精度较低等不利条件的影响，当平地效果达到一定平整程度后很难再有所提高，难以满足农田土地精细灌溉的要求。

激光控制平地技术是利用激光束扫射形成参照平面作为非视觉操作控制手段，代替常规平地设备操作人员的目测判断能力来自动控制液压平地机具刀口的升降，从而能够大幅度提高土地的平整精度，其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和拖拉机操作人员的手动液压控制系统精确10～50倍。但激光平地的作业范围有限，当土地长度超出激光发射器的有效发射距离时，需要搬动且重新固定发射器的位置，影响作业效率，同时，由于激光接收器的接收范围有限，会出现在平地中丢失激光信号的现象，不适宜大范围土地平整作业。

GPS控制平地技术是利用GPS接收机和获取测量点的位置信息，通过一定算法计算出预设基准高程与挖填土方量，根据高程差输出控制信号从而控制平地机构进行作业。GPS控制平地技术基本适用于全国各种地形，相对于上述两种方法，自动化程度较高，且不受阳光、风力、地势起伏等外界因素的影响，有着较好的工作效率与发展前景。

在GPS控制平地作业前，常常需要计算土方的工作量，例如，一些农机服务机构或农机服务专业户需要根据作业移运的土方量进行收费等。

传统的土方量计算方法有断面法、方格网法、散点法等。断面法适合高差相差较大地形；方格网法适合平坦地区及高差相差不大的地形；散点法适合地形虽有起伏，但变化比较均匀的地形。理论上，方格网法和散点法都可以用来计算GPS控制平地作业的土方量计算，但是，GPS控制平地系统通常采用微处理器作为CPU进行自动化作业，而方格网法和散点法都存在手动测量环节，例如，散点法需要手动测量处于设计标高的地形的面积，而手工计算土方量繁琐、复杂，并且效率低下，而且调整计算和重新计算一样，都是简单重复性工作，劳动强度大，所以这些方法难以通过微处理器实现自动化计算。

因此，现有技术仍有待于改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，以实现平地作业时土方量的自动测量。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，包括以下步骤：

S1、计算待测农田内每个测量点GPS数据的高程值，并计算待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值，将所述均值作为该待测农田的高程值；

S2、将所述待测农田分割为多个相同的矩形栅格，分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值，并将其均值作为所述每个栅格的高程值；

S3、根据所述待测农田的高程值和所述每个栅格的高程值，计算该待测农田的挖方土方量和填方土方量。

优选的，所述步骤S1前还包括：

S0、对于平地机，测量其平地铲的宽度，预设其接收GPS数据的高程值的频率，以确定所述待测农田内的测量点位置。

优选的，所述步骤S0进一步包括：

S01、对于平地机，测量其平地铲的宽度L，预设其接收GPS数据的高程值的频率f，其中，所述平地铲距离地表的高度为HL；

S02、所述平地机从待测农田的一端开始，沿直线在所述待测农田内行走并以所述频率f接收GPS数据的高程值，在所述待测农田中形成宽度为L的第一矩形区域；

S03、当所述平地机到达该待测农田的另一端时，其返回行程与其相邻的矩形区域间隔为0，同时以所述频率f接收GPS数据的高程值，并重复步骤S03，直至所述平地机在所述待测农田中行走完毕，所述待测农田被依次分成多个宽度为L的矩形区域；

S04、将所述待测农田中接收GPS数据的高程值的点作为其测量点。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

所述待测农田内每个测量点GPS数据的高程值为该测量点接收到的GPS数据的高程值与所述平地铲距离地表高度H_L的差值；

所述待测农田的高程值H_avr为所述待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值。

优选的，所述步骤S2进一步包括：

S21、预设矩形长度M，设置所述第一矩形区域中第一个接收到GPS数据高程值的测量点为起始点；从所述起始点开始，将该第一矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格；

S22、当分割所述待测农田中剩余矩形区域时，依次获取该矩形区域的测量点，并判断所述测量点到已分割的相邻矩形区域的相邻边的投影是否在所述已分割的相邻矩形区域内，若是，则以该测量点为起始点，将其对应的所述矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格；若不是，则继续执行步骤S22；

S23、分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值并计算其均值，该均值为所述每个栅格的高程值。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、计算所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和，记作∑H'_f；

S32、根据所述步骤S31的计算结果，计算所述待测农田的预期高程值H_EXP；

S33、计算所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_F；计算所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_C；

S34、根据所述步骤S33的计算结果，计算所述待测农田的挖方土方量和填方土方量。

优选的，所述步骤S32中计算所述待测农田的预期高程值H_EXP的公式为：

$H_{\mathrm{EXP}}=H_{\mathrm{avr}}-\frac{1.1}{1.2N}\left(0.2\mathrm{ML\Σ}{H^{\′}}_f\right)$

其中，H_avr为所述待测农田的高程值，∑H'_f为所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和；M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，N为所有的矩形栅格数量。

优选的，所述步骤S34中计算所述待测农田的挖方土方量∑C的公式为：

∑C=ML∑Hc

计算所述待测农田的填方土方量∑F的公式为：

∑F=ML∑H_F

其中，所述M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，所述∑H_C为所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，所述∑H_F为所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和。

本发明通过提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，充分考虑了实际作业中的作业质量、土壤种类、含水量等各种条件，使得基于GPS控制平地作业的挖方和填方土方量均能快速测量，适宜自动化编程操作，同时降低了作业人员的劳动强度。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图；

图2为本发明一实施例的示意图。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，结合附图和实施例详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，包括以下步骤：

S1、计算待测农田内每个测量点GPS数据的高程值，并计算待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值，将所述均值作为该待测农田的高程值；

S2、将所述待测农田分割为多个相同的矩形栅格，分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值，并将其均值作为所述每个栅格的高程值；

S3、根据所述待测农田的高程值和所述每个栅格的高程值，计算该待测农田的挖方土方量和填方土方量。

优选的，所述步骤S1前还包括：

S0、对于平地机，测量其平地铲的宽度，预设其接收GPS数据的高程值的频率，以确定所述待测农田内的测量点位置。

优选的，所述步骤S0进一步包括：

S01、对于平地机，测量其平地铲的宽度L，一般可取2-4米；预设其接收GPS数据的高程值的频率f，一般可取1-2Hz，其中，所述平地铲距离地表的高度为H_L，这是由于将平地铲抬起一定高度，防止测量时刮伤地表；

S02、所述平地机从待测农田的一端开始，如图2所示，从A点所在边缘开始，沿直线在所述待测农田内行走并以所述频率f接收GPS数据的高程值，在所述待测农田中形成宽度为L的第一矩形区域；

S03、当所述平地机到达该待测农田的另一端时，如图2所示，当平地机行进到B和C点相邻的斜线边缘时，沿相反方向返回，如此反复，其返回行程与其相邻的矩形区域间隔为0，同时以所述频率f接收GPS数据的高程值，并重复步骤S03，直至所述平地机在所述待测农田中行走完毕，所述待测农田被依次分成多个宽度为L的矩形区域；在所述平地机行走时，剩余宽度少于L的农田忽略不计；

S04、将所述待测农田中接收GPS数据的高程值的点作为其测量点。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

所述待测农田内每个测量点GPS数据的高程值为该测量点接收到的GPS数据的高程值与所述平地铲距离地表高度H_L的差值；

所述待测农田的高程值H_avr为所述待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值。

优选的，所述步骤S2进一步包括：

S21、预设矩形长度M，设置所述第一矩形区域中第一个接收到GPS数据高程值的测量点为起始点；如图2所示，A点作为起始点，从所述起始点A开始，将该第一矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格，分割时，剩余长度少于M的农田忽略不计，在图2中，B点所在区域长度少于M，则该区域忽略不计；

S22、当分割所述待测农田中剩余矩形区域时，依次获取该矩形区域的测量点，并判断所述测量点到已分割的相邻矩形区域的相邻边的投影是否在所述已分割的相邻矩形区域内，若是，则以该测量点为起始点，将其对应的所述矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格；若不是，则继续执行步骤S22；如图2所示，从C点开始，依次将C点、D点向L1所在直线投影，其中，C点投影落在农田范围外，D点落在农田范围内，则从D点开始分割第二矩形区域，依次类推，将整个农田分割完毕；

S23、分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值并计算其均值，该均值为所述每个栅格的高程值。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

S31、计算所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和，记作∑H'_f；

S32、根据所述步骤S31的计算结果，计算所述待测农田的预期高程值H_EXP；

S33、计算所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_F；计算所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_C；

S34、根据所述步骤S33的计算结果，计算所述待测农田的挖方土方量和填方土方量。

优选的，和一般工程土方量计算不同，由于平地作业时移运土壤存在损失，挖方量一般大于填方量，二者之比根据经验值可取1.2，因此，所述步骤S32中计算所述待测农田的预期高程值H_EXP的公式为：

$H_{\mathrm{EXP}}=H_{\mathrm{avr}}-\frac{1.1}{1.2N}\left(0.2\mathrm{ML\Σ}{H^{\′}}_f\right)$

其中，H_avr为所述待测农田的高程值，∑H'_f为所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和；M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，N为所有的矩形栅格数量。

优选的，所述步骤S34中计算所述待测农田的挖方土方量∑C的公式为：

∑C=ML∑Hc

计算所述待测农田的填方土方量∑F的公式为：

∑F=ML∑H_F

其中，所述M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，所述∑H_C为所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，所述∑H_F为所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和。

本发明通过提供一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，充分考虑了实际作业中的作业质量、土壤种类、含水量等各种条件，使得基于GPS控制平地作业的挖方和填方土方量均能快速测量，适宜自动化编程操作，同时降低了作业人员的劳动强度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于GPS控制平地系统的土方量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算待测农田内每个测量点GPS数据的高程值，并计算待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值，将所述均值作为该待测农田的高程值；

S2、将所述待测农田分割为多个相同的矩形栅格，分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值，并将其均值作为所述每个栅格的高程值；

S3、根据所述待测农田的高程值和所述每个栅格的高程值，计算该待测农田的挖方土方量和填方土方量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：

S0、对于平地机，测量其平地铲的宽度，预设其接收GPS数据的高程值的频率，以确定所述待测农田内的测量点位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S0进一步包括：

S01、对于平地机，测量其平地铲的宽度L，预设其接收GPS数据的高程值的频率f，其中，所述平地铲距离地表的高度为H_L；

S02、所述平地机从待测农田的一端开始，沿直线在所述待测农田内行走并以所述频率f接收GPS数据的高程值，在所述待测农田中形成宽度为L的第一矩形区域；

S03、当所述平地机到达该待测农田的另一端时，其返回行程与其相邻的矩形区域间隔为0，同时以所述频率f接收GPS数据的高程值，并重复步骤S03，直至所述平地机在所述待测农田中行走完毕，所述待测农田被依次分成多个宽度为L的矩形区域；

S04、将所述待测农田中接收GPS数据的高程值的点作为其测量点。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

所述待测农田内每个测量点GPS数据的高程值为该测量点接收到的GPS数据的高程值与所述平地铲距离地表高度H_L的差值；

所述待测农田的高程值H_avr为所述待测农田内所有测量点GPS数据的高程值均值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21、预设矩形长度M，设置所述第一矩形区域中第一个接收到GPS数据高程值的测量点为起始点；从所述起始点开始，将该第一矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格；

S22、当分割所述待测农田中剩余矩形区域时，依次获取该矩形区域的测量点，并判断所述测量点到已分割的相邻矩形区域的相邻边的投影是否在所述已分割的相邻矩形区域内，若是，则以该测量点为起始点，将其对应的所述矩形区域分割为多个宽度为L，长度为M的矩形栅格；若不是，则继续执行步骤S22；

S23、分别获取所述每个栅格内所有测量点对应GPS数据的高程值并计算其均值，该均值为所述每个栅格的高程值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31、计算所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和，记作∑H'_f；

S32、根据所述步骤S31的计算结果，计算所述待测农田的预期高程值H_EXP；

S33、计算所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_F；计算所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，记作∑H_C；

S34、根据所述步骤S33的计算结果，计算所述待测农田的挖方土方量和填方土方量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S32中计算所述待测农田的预期高程值H_EXP的公式为：

$H_{\mathrm{EXP}}=H_{\mathrm{avr}}-\frac{1.1}{1.2N}\left(0.2\mathrm{ML\Σ}{H^{\′}}_f\right)$

其中，H_avr为所述待测农田的高程值，∑H'_f为所有栅格高程值小于待测农田高程值H_avr的和；M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，N为所有的矩形栅格数量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S34中计算所述待测农田的挖方土方量∑C的公式为：

∑C=ML∑Hc

计算所述待测农田的填方土方量∑F的公式为：

∑F=ML∑H_F

其中，所述M、L分别为所述矩形栅格的长和宽，所述∑H_C为所有栅格高程值大于待测农田的预期高程值H_EXP的和，所述∑H_F为所有栅格高程值小于待测农田的预期高程值H_EXP的和。

Images