CN105718751B - 一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，在深松作业的拖拉机上安装GPS装置，作业时实时采集经纬度数据，经纬度坐标点以成行或列的形式分布在作业土地平面；通过经纬度坐标点，找出一个矩形，此矩形将作业土地全部包括在里面，然后将此矩形以某一长度划分成一个个面积相等的小方格，统计落到每个小方格里坐标点的数量，当每个方格里的坐标点数量达到一定个数时，则认为此方格为有效方格点，反之则为空白方格点；采取行扫描和列扫描方式分别统计有效网格点个数，然后求取两次统计的平均值，此平均值即为测算的深松作业面积，本发明充分考虑了深松铲宽度、深松机作业时速度等作业条件对测算精度的影响，大大提高了测算精度。

Description

一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法

技术领域

本发明属于智能农业技术领域，特别涉及一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法的建立。

背景技术

随着现代农业理论与技术的不断发展，机械深松技术正逐渐在我国土壤耕作中推广开来。由于深松技术对于农业可持续发展的重要性，我国政府大力提倡土地深松，并给予农民一定补贴。由于深松作业条件的复杂性，土地深松作业中的面积无法准确统计，导致农民补贴无法合理、有效落实，政府部门无法准确统计深松面积进而影响到决策、管理。

现有的土地统计方法一般为估测法和GPS测量法，传统的估测法对于大面积土地无法准确统计，现有的GPS测量法一般为求规则图形面积法、图形等效法、里程法、投影法，虽然提高了测量效率和精度，但是深松作业存在漏耕、重耕等情况，深松铲种类、幅宽不统一，且作业过程较复杂，因此现有的GPS测量方法无法准确、有效的统计出每次深松作业的面积。

为了克服以上现有测量算法的缺点，本发明目的在于提供一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，该算法融合了重耕、漏耕、深松铲种类不统一等作业条件，能够有效、合理、准确的测算出深松作业的面积，且误差在5％以下。

发明内容

为了克服以上现有测算算法的缺点，本发明目的在于提供一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，本算法基于GPS技术，利用放置在深松机上的GPS装置获取深松机作业时的所有GPS轨迹坐标来测算，测算方法简单、有效，提高了工作效率；充分考虑了深松铲宽度、深松机作业时速度等作业条件对测算精度的影响，建立联合修正算法，大大提高了测算精度。具体地，充分考虑了作业深松机行驶速度、深松铲种类不统一等作业条件，避免深松机重耕、漏耕作业时对面积测算精度影响，能够有效、合理、准确的测算出深松作业的面积，且误差在5％以下。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，包括以下步骤：

步骤1，在深松作业的拖拉机上安装GPS装置，作业时实时采集经纬度数据，经纬度坐标点以成行或列的形式分布在作业土地平面；

步骤2，通过经纬度坐标点，找出一个矩形，此矩形将作业土地全部包括在里面，然后将此矩形以某一长度划分成一个个面积相等的小方格，统计落到每个小方格里坐标点的数量，当每个方格里的坐标点数量达到一定个数时，则认为此方格为有效方格点，反之则为空白方格点；

步骤3，采取行扫描和列扫描方式分别统计有效网格点个数，然后求取两次统计的平均值，此平均值即为测算的深松作业面积。

所述步骤1中，设置GPS装置输出频率为3Hz，即每秒三个GPS经纬度数据被记录。

所述步骤1中，将GPS经纬度数据转换为相对坐标数据，坐标转换由以下公式求得：

x_j＝x_i-x(1)；

y_j＝y_i-y(1)；

x(k)＝x(j)×0.113×cos(34.29/180×π)

y(k)＝y(j)×0.113；

其中，x(1)为第一个采样点经度，x_i为随时间变化的所有坐标点经度；y(1)为第一个采样点纬度，y_i为随时间变化的所有坐标点纬度，x(k)为转换为以米为单位的横坐标，y(k)为转换为以米为单位的纵坐标。

所述骤2中，

有效方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量大于等于2时，此网格点为有效方格点；

空白方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量小于等于1时，此网格点为空白方格点。

根据深松铲幅宽，设置方格边长d＝l，其中，l为深松铲犁之间最大宽度，d为正方形网格边长；

将作业轨迹相对坐标划归到每一个小方格，所有网格组成深松作业后的耕地；

x_l＝x(k)/d；

y_l＝y(k)/d；

x_m＝x_l+N；

y_m＝y_l+M；

其中，N、M为某一设定的正整数，x_l为由x(k)转换的非负数坐标，y_l为由y(k)转换的非负数坐标，x_m为最终转换得到的横坐标，y_m为最终转换得到的纵坐标。

所述骤3中，

行扫描为：从左到右将矩形内所有方格逐行统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为这些空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为这些空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计；

列扫描为：从上到下将矩形内所有方格逐列统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为此空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为此空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计。

所述骤3中，根据转化后的二维坐标生成矩阵或二维数组，在矩阵或二维数组中将有效方格点置为“1”，空白方格点置为“0”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提出的一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法能够有效、合理、准确的测算出每次深松作业的面积，该算法通过融合作业中不同种类深松铲幅宽以及拖拉机作业时速度等作业条件，大大提高了测算精度。

2)算法能够排除作业过程中重耕、漏耕等作业情况，合理反映每次深松作业面积，避免主观因素造成的测量误差。

3)该算法操作简单，投入成本较低，且避免每次作业面积统计耗费的时间，提高了作业效率。

4)本发明提出的用于深松作业面积统计算法可为其它农机作业面积统计提供依据。

附图说明

图1为有效方格点示意图。

图2为空白方格点示意图。

图3为行扫描示意图。

图4为列扫描示意图。

图5为算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法建立及应用过程如下：

1算法原理介绍

下面结合深松作业过程介绍一下面积测算算法原理。首先，装有GPS装置的拖拉机深松作业时，会将作业时采集的经纬度数据记录，拖拉机作业经过的土地便会有GPS经纬度坐标点，这些经纬度坐标点会成行或列的形式分布在作业土地平面。通过经纬度坐标点，找出一个矩形，此矩形将作业土地全部包括在里面，然后将此矩形以某一长度划分成一个个面积相等的小方格，统计落到每个小方格里坐标点的数量，当每个方格里的坐标点数量达到一定个数时，则认为此方格为有效方格点，反之则为空白方格点。然后采取行扫描和列扫描方式分别统计有效网格点个数，然后求取两次统计的平均值，此平均值即为测算的深松作业面积。

如图1所示，所述有效方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量大于等于2时，此网格点为有效方格点。

如图2所示，所述空白方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量小于等于1时，此网格点为空白方格点。

如图3所述行扫描为，从左到右将矩形内所有方格逐行统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为这些空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为这些空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计。

如图4所述列扫描为：从上到下将矩形内所有方格逐列统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为此空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为此空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计。

所述求取行扫描以及列扫描面积求取平均值，由于GPS模块存在低精度、漂移以及自身的航向修正等问题，会对GPS经纬度坐标点分布带来一定的干扰，进而影响面积测算精度。因此，需要通过行扫描、列扫面算法，并求取平均值来提高面积测算精度。

2下面结合图5详细介绍该算法流程，该算法详细步骤如下：

步骤1：设置GPS模块输出频率。该输出频率与农机作业速度有关。经试验验证，由于深松机速度一般为15km/h,当设置数据频率为3Hz时，每秒三个GPS经纬度数据被记录时，相同条件下面积测算误差最低。

步骤2：将GPS经纬度数据转换为相对坐标数据。由于在地球上不同地点经纬度不同，走过相同的距离所对应的经纬度变化大小是不同的。坐标转换由以下公式求得：

x_j＝x_i-x(1)； (1)

y_j＝y_i-y(1)； (2)

x(k)＝x(j)×0.113×cos(34.29/180×π) (3)

y(k)＝y(j)×0.113； (4)

其中，(1)式中，x(1)为第一个采样点经度，x_i为随时间变化的所有坐标点经度；(2)式中，y(1)为第一个采样点纬度，y_i为随时间变化的所有坐标点纬度。(3)式中，x(k)为转换为以米为单位的横坐标，y(k)为转换为以米为单位的纵坐标。

步骤3：根据深松铲幅宽，设置方格边长。由于深松铲种类不一样，相同的深松铲带的犁的个数也有差异，因此

d＝l (5)

其中，l为深松铲犁之间最大宽度，d为正方形网格边长。

步骤4：将作业轨迹相对坐标划归到每一个小方格。所有网格组成深松作业后的耕地。

x_l＝x(k)/d； (6)

y_l＝y(k)/d； (7)

x_m＝x_l+N； (8)

y_m＝y_l+M； (9)

其中，N、M为某一正整数，x_l为由x(k)转换的非负数坐标，y_l为由y(k)转换的非负数坐标，x_m为最终转换得到的横坐标，y_m为最终转换得到的纵坐标，(8)、(9)两式作用是将转换的坐标转换为非负数。

步骤5：统计有效方格点与空白方格点。根据转化后的二维坐标生成矩阵或二维数组，在矩阵或二维数组中将有效方格点置为“1”，空白方格点置为“0”。

步骤6：将深松作业矩形行扫描、列扫描；求取两次统计的平均值，此测算数值即为求得的深松作业面积。

s＝(s₁+s₂)/2 (10)

所述行扫描与列扫描可以采用循环算法求出面积，s₁为行扫描面积，s₂为列扫描面积，s为最终测算的面积。

3结果与讨论

3.1试验方法

本试验深松机选用我国耕地常用的山拖泰山以及东方红拖拉机。作业时，拖拉机带深松铲行驶速度一般为15km/h左右。试验在陕西杨凌西北农林科技大学农场进行，试验时间为2015年8月到10月。

采用U-biox公司生产的neo-m8第八代GPS模块采集拖拉机作业时轨迹坐标，该模块经纬度输出频率范围为1Hz到10Hz，模块输出频率大小、语句格式可由上位机软件u-center配置。将GPS模块经纬度输出频率设置为5Hz。GPS模块采集的拖拉机作业时轨迹经纬度数据保存在U盘。

3.2算法验证结果

拖拉机分别按照设定的面积大小进行深松作业，记录每次作业的实际面积以及原始GPS经纬度数据。经过该算法用MATLAB软件编程计算，面积测量值与真实值误差在5％以下。测量结果如下所示：

实际面积(m2)	测算面积(m2)	误差
			559	518	1.90％
494	487	1.40％
			1118	1088	2.70％
1177.88	1200	1.90％
			3091	3044	1.52％

Claims (5)

1.一种基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在深松作业的拖拉机上安装GPS装置，作业时实时采集经纬度数据，经纬度坐标点以成行或列的形式分布在作业土地平面；

步骤2，通过经纬度坐标点，找出一个矩形，此矩形将作业土地全部包括在里面，然后将此矩形以某一长度划分成一个个面积相等的小方格，统计落到每个小方格里坐标点的数量，当每个方格里的坐标点数量达到一定个数时，则认为此方格为有效方格点，反之则为空白方格点；

步骤3，采取行扫描和列扫描方式分别统计有效网格点个数，然后求取两次统计的平均值，此平均值即为测算的深松作业面积；

所述骤2中，

有效方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量大于等于2时，此网格点为有效方格点；

空白方格点定义为，当每个方格落入的GPS坐标点数量小于等于1时，此网格点为空白方格点；

所述骤3中，

行扫描为：从左到右将矩形内所有方格逐行统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为这些空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为这些空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计；

列扫描为：从上到下将矩形内所有方格逐列统计有效方格个数，当连续空白方格不超过两个时，则认为此空白方格点仍为有效方格点，计入作业面积统计；当连续空白方格点超过两个时，则认为此空白方格点为无效网格点，不计入作业面积统计。

2.根据权利要求1所述基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，其特征在于，所述步骤1中，设置GPS装置输出频率为3Hz，即每秒三个GPS经纬度数据被记录。

3.根据权利要求1所述基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，其特征在于，所述步骤1中，将GPS经纬度数据转换为相对坐标数据，坐标转换由以下公式求得：

x_j＝x_i-x(1)；

y_j＝y_i-y(1)；

x(k)＝x(j)×0.113×cos(34.29/180×π)

y(k)＝y(j)×0.113；

其中，x(1)为第一个采样点经度，x_i为随时间变化的所有坐标点经度；y(1)为第一个采样点纬度，y_i为随时间变化的所有坐标点纬度，x(k)为转换为以米为单位的横坐标，y(k)为转换为以米为单位的纵坐标。

4.根据权利要求1所述基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，其特征在于，根据深松铲幅宽，设置方格边长d＝l，其中，l为深松铲犁之间最大宽度，d为正方形网格边长；

将作业轨迹相对坐标划归到每一个小方格，所有网格组成深松作业后的耕地；

x_l＝x(k)/d；

y_l＝y(k)/d；

x_m＝x_l+N；

y_m＝y_l+M；

其中，N、M为某一设定的正整数，x_l为由x(k)转换的非负数坐标，y_l为由y(k)转换的非负数坐标，x_m为最终转换得到的横坐标，y_m为最终转换得到的纵坐标。

5.根据权利要求1所述基于面积格点覆盖的深松作业面积计算方法，其特征在于，所述骤3中，根据转化后的二维坐标生成矩阵或二维数组，在矩阵或二维数组中将有效方格点置为“1”，空白方格点置为“0”。