CN112013757B - 一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，涉及农机作业技术领域。计算方法包括：首先采集定位数据，并利用定位数据估算作业面积S；然后将定位数据转换到米勒坐标系，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；接下来计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积S′。本申请将GPS坐标转换到米勒XY平面加权坐标，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法计算作业面积数据，避免了复杂形状的交集运算，降低了算法复杂度，计算效率高，可自适应不同范围的面积计算。

Description

一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备

技术领域

本发明实施例涉及农机作业技术领域，具体来说涉及一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备。

背景技术

目前，我国的农业生产方式已经进入了以机械化作业为主的时代，农业生产对机械化的要求越来越高，物联网、大数据、移动互联网、智能控制以及卫星定位等信息技术在农机装备和农机作业中的应用也越来越广泛。通过在拖拉机、联合收割机等农机设备上进行标准化配置，促进农业机械化与信息化快速融合，为精准农业技术的发展和应用提供有力的支撑，是当前农机作业领域发展的方向和目标。

现有的新型农机由于成本、操作难度及闲置率等原因催生了农机租赁和共享业务，根据作业面积进行结算是该类型业务的重要结算方式，因此，作业面积的计算精度直接关系到相关业务的发展。现有的农机作业面积计算方法在坐标体系上分为基于GPS坐标体系的计算和映射到XY平面的方式计算，其存在的不足之处在于，由于GPS坐标体系是角度坐标体系，点线面的几何运算非常复杂难以实现较高的效率，而映射到XY平面的方式缺乏自适应性，在面积太小时不够精确而面积太大时计算效率不足。此外，基于上述两种坐标下的计算方法，采用外接区域包络线计算作业面积的缺陷在于，无法处理凹多边形以及存在孔洞作业的区域，取而代之的是几何形状计算和栅格化区域的计算方法。几何形状计算面积的方法中需要对覆盖形状集合进行数学建模，当覆盖形状数量达到一定规模时，判断形状相交的计算复杂度非常高从而导致效率低下，参照图1所示；栅格化的计算方法中提高了计算效率，但栅格量化误差对计算精度影响很大，特别是面积较小的情况，参照图2所示。此外，无论是几何处理方法还是栅格化处理方法，都难以矫正因为坡度造成的面积误差。

发明内容

本发明实施例提供了一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，将采集到的定位数据映射到米勒坐标系，在米勒坐标系中通过加权像素填充的方法计算作业面积数据，实现农机作业的高精度计算。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

本发明一方面提供一种高精度农机作业面积计算方法，所述方法包括以下步骤：

S1、采集定位数据，并利用定位数据估算出估算作业面积S；

S2、将定位数据转换到米勒坐标系，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

所述将定位数据转换到米勒坐标系，包括下述步骤：

首先将经纬度坐标系转换到米勒坐标系；

然后将作业宽度d映射到米勒坐标系，得到米勒坐标系下的作业宽度md；

接下来将经纬度定位数据转换到米勒坐标系；

所述在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充，包括下述步骤：

S21、按照时间顺序选取三个定位点p0、p1、p2，然后结合作业宽度md进行微作业区域计算；

S22、对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位进行坡度加权填充；

S23、计算第一直线L(p0，p1)与第二直线L1(p1，p2)的斜率差值K，依据斜率差值K进行转弯补偿处理；

S24、选取新的定位点p1、p2、p3，重复S21-S23，直至所有定位点计算完毕；

S3、计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算出计算作业面积S′；

所述根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积，包括下述步骤：

将估算作业区域的坐标点转换到米勒坐标系，计算米勒坐标系中对应的作业宽度和高度，得到面积ms；

遍历存储结构中的像素值进行求和，得到加权像素和rs；

计算出计算作业面积S′＝S*rs/ms。

进一步的，所述采集定位数据，包括采用GPS或北斗定位设备定时采集经纬度数据以及传感器水平夹角数据。

进一步的，所述对微作业区域计算坡度加权值，包括下述步骤：

基于设备传感器取得在p0点及p1点的水平夹角数据，计算两点的平均夹角值A；

根据夹角值A，计算微作业区域的坡度加权值为V＝1/cost(A)。

进一步的，所述依据斜率差值K进行转弯补偿处理，包括下述步骤：

若K值小于设定值，则不需要转弯补偿填充；

若K值大于设定值，则以p1为圆心、md/2为半径进行转弯区域的水平扫描填充。

一种高精度农机作业面积计算装置，包括：

数据采集单元，用于采集定位数据；

作业面积估算单元，用于利用定位数据估算作业面积；

坐标系转换单元，用于将定位数据由经纬度坐标系转换到米勒坐标系；

作业区域填充单元，用于采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

作业面积计算单元，用于计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积；

所述作业区域填充单元包括：

微作业区域计算模块，用于在米勒坐标系中，按照时间顺序依次选取三个定位点，并结合作业宽度进行微作业区域计算；

坡度加权计算模块，用于对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位进行坡度加权填充；

转弯补偿填充模块，用于计算前后两个相邻定位点连接直线的斜率差值K，并依据斜率差值K进行转弯补偿填充处理。

一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器；

所述存储器存储有可在处理器上运行的程序指令；

所述处理器调用所述程序指令能够执行如上所述的一种高精度农机作业面积计算方法。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，将GPS坐标转换到米勒XY平面加权坐标，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法计算作业面积数据，降低了算法复杂度，并自适应不同范围的面积计算。

2、本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，在米勒坐标系采用加权像素填充的方法将作业区域用像素填充，避免了复杂形状的交集运算，计算效率高，可适用于弱计算能力的设备，例如嵌入式设备等。

3、本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，采用加权像素填充的方法把坡度分解成微小区域进行处理，而不是将坡度作为一个整体区域进行处理，从而实现对坡度区域的计算达到很高的精度。

4、本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法、装置及电子设备，基于面积去重的高效性，不仅可应用于离线作业面积的计算，同时也适用于实时作业面积的计算。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为现有技术中采用几何形状计算面积法还原的作业区域示意图；

图2为现有技术中采用栅格化计算面积法还原的作业区域示意图；

图3为本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法流程示意图；

图4为图3中采用加权像素填充方法进行作业区域填充的流程示意图；

图5为图4中微作业区域填充示意图；

图6为采用水平扫描法填充微作业区域示意图；

图7采用本实施例的作业面积计算方法还原的作业区域示意图；

图8为作业估算区域由经纬度坐标系转换到米勒坐标系示意图；

图9为本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算装置结构示意图；

图10为图9中作业区域填充单元的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图3示出了本发明实施例提供的一种高精度农机作业面积计算方法流程示意图。

参照图3，本方法的实现步骤如下：

S1、采集定位数据，并利用定位数据估算出估算作业面积S；

具体的，在本步骤中，定位数据的采集可通过在作业平台上安装高精度GPS设备或北斗设备定时采集经纬度定位数据，本实施例以GPS为例，如果需要坡度修正，则同时传感器要采集水平夹角数据。本实施例方法可进行实时作业面积计算，也可以在作业结束后搜集数据进行离线作业面积计算。利用定位数据估算作业面积的目的是用于进行面积比例计算，若估算实时作业面积，可采用第一定位点和业务系统中预设长宽估算作业区域面积，若估算离线作业面积，则可采用外接矩形估算作业区域面积。

更具体来说，当采用第一定位点和预设长宽度估算作业区域和面积时，以第一个定位点p0为原点构造矩形[rp0，rp1，rp2，rp3]，其中rp0＝p0，根据预设宽度pW和预设高度pH计算rp1，rp2，rp3的经纬度，rp1，rp2，rp3可使用标准经纬度计算公式进行计算，估算作业面积S＝pH*pW。采用外接矩形估算离线作业面积时，取经纬度坐标点的最外测经纬度组合成外接矩形[rp0，rp1，rp2，rp3]，根据已知地球两点经纬度计算两点距离的标准公式计算外接矩形的宽rW和高rH，估算作业面积S＝rH*rW。

S2、将定位数据转换到米勒坐标系，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

具体的，在本步骤中，将定位数据转换到米勒坐标系，首先将GPS经纬度坐标系下的数据转换到米勒坐标系，由于转换之后得到的x和y是小数，为了方便映射成图像数据，需要将小数量化成整数。如果量化精度太低会导致面积太小时计算不精确，而量化精度太高会导致计算量过大。兼顾精度和计算效率，本方法使用步骤S1中的估算作业面积进行精度量化估算。量化系数n＝100/sqrt(S)*n0，其中，n0为经验数值，n越大表示精度越高，当n取值为10时图像最低分辨精度为64平方厘米，当n取4时图像最低分辨精度为400平方厘米。本方法使用估算面积对n进行范围调控，当面积比较大时，控制映射精度不会太小，当估算面积比较小时，控制映射精度不会太大，在保证精度的前提下可以保证计算效率，因此增加约束：

当n<4时表示面积较大，n取4；

当n>10时表示面积较小，n取10；

计算得到n以后，使用mx＝round(x*n)，my＝round(y*n)，其中round是四舍六入五取偶算法，得到加权后米勒坐标映射的x、y值。

接下来，计算作业宽度d到米勒坐标系的映射，首先取第一个GPS数据点p0，然后水平延展作业宽度到pw，通过下述公式计算pw的定位坐标：

ed＝R*cos(p0.lat*π/180)，其中，R＝6371.0，p0.lat表示p0的纬度；

pw.lng＝(d/ed+p0.lng*π/180.0)*180.0/π，其中，p0.lng表示p0的经度，pw.lng表示pw的经度；

pw.lat＝p0.lat，其中，pw.lat表示pw的纬度。

将p0和pw映射到米勒加权坐标系后，计算得出其在米勒坐标系的位置mp0和mp1，进而得到米勒坐标系下的作业宽度md＝mp1.x-mp0.x。

再接下来，将经纬度定位数据序列转换到米勒坐标系。

进一步的，参照图4，所述步骤S2中，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充，包括下述步骤：

S21、按照时间顺序选取三个定位点p0、p1、p2，然后结合作业宽度md进行微作业区域计算；

具体的，如图5所示，在本步骤中，首先按照时间顺序选取三个定位点p0、p1及p2，并连接点p0、p1得到线段L0(p0，p1)，连接点p1、p2得到线段L1(p1，p2)；计算线段L0的水平夹角a，如果p0.x＝p1.x，则a＝90°，否则a＝arctan((p1.y-p0.y)/(p1.x-p0.x))，如果a<0，则a加180°；接下来根据作业宽度md计算pA、pB、pC及pD四个点坐标，满足线段L(pA，pD)、L(p0，p1)及L(pB，pC)相互平行，线段L(pA，pB)及L(pC，pD)分别垂直于L(p0，p1)，且线段L(pA，pB)的长度等于作业宽度md；再接下来根据水平夹角a顺时针方向计算得到pA，pB，pC及pD四个点坐标：pA.x＝p0.x+d/2*sin(a)，pA.y＝p0.y-d/2*cos(a)；pB.x＝p0.x-d/2*sin(a)，pB.y＝p0.y+d/2*cos(a)；pC.x＝p1.x-d/2*sin(a)，pC.y＝p1.y+d/2*cos(a)；pD.x＝p1.x+d/2*sin(a)，pD.y＝p1.y-d/2*cos(a)。

S22、对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位对微作业区域进行坡度加权填充；

具体的，在本步骤中，对微作业区域计算坡度加权值，首先取得设备传感器在p0点及p1点的水平夹角，计算微区域的平均夹角值A；然后根据夹角值A，计算微作业区域的坡度加权值为V＝1/cost(A)。如果传感器不具有水平夹角的测量功能，则坡度加权默认为1.0。本方法对每个微作业区域单独计算坡度夹角，而不是将整块区域作为一个坡度整体去处理，这样的计算可以更准确的描述实际作业环境。

进一步的，把作业经过的区域以像素为单位对微作业区域进行坡度加权填充，用以区分是否是作业过的区域。使用像素填充后，不必再考虑复杂形状的重叠几何计算，只需要查看某个像素是否被填充即可。本方法不需要完整图像初始化，而是采用一种带索引的KV存储结构存储像素值，可以把查询算法复杂度降低到O(logn)，其中，K为坐标，V为坡度加权值。由于填充点坐标是二维的，不利于通过索引加快处理速度，可将其映射到一维平面k＝g(x，y)，k表示一维数据。其中，一种简单的方法是把x、y连接起来，例如x＝3998，y＝1765，可将其转换成为k＝3998.1765，映射方法g()包括但不仅限于此种方法。

接下来可采用水平扫描法快速填充形状。如图6所示，由于需要填充的是凸四边形，所以使用水平线扫描时，最多只会存在两个不同的和四边形相交的点，将这两个点直接的像素进行加权填充即可。具体填充方法是：首先计算填充四边形的外接矩形，获得最小的x、y坐标minX、minY，以及最大的x、y坐标maxX、maxY。接下来给定直线y＝yi从minY到maxY，逐行计算与直线L(pA，pB)、L(pB，pC)、L(pC，pD)及L(pD，pA)的交点；给定直线L(pi，pj)，xi＝(yi-pi.y)/(pj.y-pi.y)*(pj.x-pi.x)+pi.x，其中i，j∈[A,B,C,D]，如果pj.y-pi.y＝0，则把pi.y减去一个很小值，保证除数不为0。

基于上述，四条直线会计算出四个交点，因为需要填充的形状是凸多边形，所以最多只有两个交点，当求出的x小于minX或大于maxX时，表示落在外接矩形之外可以直接丢弃，把落入[minX，maxX]中所有的交点排序得到Z会是以下几种情况：

1)[]表示无相交；

2)[P]表示相交顶点；

3)[PQ]表示正常穿透；

4)[PPQ]表示左边线相交；

5)[PQQ]表示右边是交点；

6)[PPQQ]表示左右右边是交点。

若Z为空或者只有一个元素，不做任何处理，否则左右去重得到[P，Q]。给定xi∈[P，Q]，y＝yi进行扫描，通过函数g()构造得到一维数据k，查找像素存储中是否有键值k对应的数据，如果数据不存在直接填入坡度加权值，如果不空则说明该点曾经被填充过，此时保留最大的坡度加权值。给定yi∈[minY，maxY]，扫描所有有效行，按上述方法进行区域像素填充。

S23、计算第一直线L(p0，p1)与第二直线L1(p1，p2)的斜率差值K，依据斜率差值K进行转弯补偿处理；

具体的，在本步骤中，依据斜率差值K进行转弯补偿处理，如果K值比较小表明没有大的方向变化，两个连续的微填充区域可以自然连接起来，如果K值比较大则表明两个微填充区域之间存在较大的空隙，需要把空隙进行填充。更具体来说，若K值小于设定值，不需要转弯补偿填充；若K值大于设定值，表明P1点存在转弯，则首先以p1为圆心、md/2为半径进行圆填充，具体填充过程为：首先以p1为圆心、md/2为半径进行圆内填充；然后计算圆外接矩形minX＝p1.x-d/2，maxX＝p1.x+d/2，minY＝p1.y-d/2，maxY＝p1.y+d/2；给定yi∈[minY，maxY]，逐行水平扫描计算和圆的交点；计算点xy到圆心的欧氏距离差t＝(d/2)*(d/2)-(yi-p1.y)*(yi-p1.y)，如果t≤0，表示在圆外或者定点切线上，不进行处理，否则计算水平直线和圆的交点xP，xQ，其中xP＝-sqrt(t)+p1.x，xQ＝sqrt(t)+p1.x；接下来，给定yi、xi从P到Q并依照步骤S22中的方法进行填充。

S24、选取新的定位点p1、p2、p3，重复步骤S21～S23中的过程，直至所有定位数据点计算完毕。

采用本实施例的上述方法还原后的作业区域如图7所示。

S3、计算图像填充比，根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积S′；

具体的，在本步骤中，计算图像填充比，首先将步骤S1中估算区域的rp0、rp1及rp2转换到米勒坐标系中依次成为mrp0、mrp1及mrp2，如图8所示；计算米勒坐标系中对应的作业宽度mw＝mpr1.x-mrp0.x，高度mh＝mrp2.y-mrp0.y，面积ms＝mw*mh；遍历kv存储结构，对里面所有值进行求和得到加权像素和rs，最终计算得到作业面积S′＝S*rs/ms。

图9示出了本申请实施例提供的一种高精度农机作业面积计算装置结构示意图，该装置可适用于电子设备。

参照图9，本实施例的高精度农机作业面积计算装置包括：

数据采集单元1，用于采集定位数据；

作业面积估算单元2，用于利用定位数据估算作业面积；

坐标系转换单元3，用于将定位数据由经纬度坐标系转换到米勒坐标系；

作业区域填充单元4，用于在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

作业面积计算单元5，用于计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积。

具体的，如图10所示，上述装置中，所述作业区域填充单元4包括：

微作业区域计算模块41，用于在米勒坐标系中，按照时间顺序依次选取三个定位点，并结合作业宽度进行微作业区域计算；

坡度加权计算模块42，用于对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位进行坡度加权填充；

转弯补偿填充模块43，用于计算前后两个相邻定位点连接直线的斜率差值K，并依据斜率差值K进行转弯补偿填充处理。

关于本装置实施例中的各种单元、模块等，均可以作为程序模块存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元模块，以实现相应的功能，关于各程序单元模块及其组合所实现的功能，以及所达到的技术效果，可以参照上述方法实施例相应部分的描述，在此不再赘述。

图11示出了本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。如图所示，所述电子设备包括输入单元10、存储器20、处理器30及输出单元40。其中存储器20存储有可在处理器30上运行的程序指令,处理器30调用程序指令能够执行上述方法实施例中的计算方法，输入单元10、存储器20、处理器30及输出单元40相互之间可以通过通信总线进行数据交互。关于各单元及其组合所实现的功能，以及所达到的技术效果，可以参照上述方法实施例相应部分的描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所作的任何修改、改进和等同替换等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高精度农机作业面积计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集定位数据，并利用定位数据估算出估算作业面积S；

S2、将定位数据转换到米勒坐标系，在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

所述将定位数据转换到米勒坐标系，包括下述步骤：

首先将经纬度坐标系转换到米勒坐标系；

然后将作业宽度d映射到米勒坐标系，得到米勒坐标系下的作业宽度md；

接下来将经纬度定位数据转换到米勒坐标系；

所述在米勒坐标系中采用加权像素填充的方法进行作业区域填充，包括下述步骤：

S21、按照时间顺序选取三个定位点p0、p1、p2，然后结合作业宽度md进行微作业区域计算；

S22、对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位进行坡度加权填充；

S23、计算第一直线L(p0，p1)与第二直线L1(p1，p2)的斜率差值K，依据斜率差值K进行转弯补偿处理；

S24、选取新的定位点p1、p2、p3，重复S21-S23，直至所有定位点计算完毕；

S3、计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算出计算作业面积S′；

所述根据估算作业面积和图像填充比计算出 计算作业面积，包括下述步骤：

将估算作业区域的坐标点转换到米勒坐标系，计算米勒坐标系中对应的作业宽度和高度，得到面积ms；

遍历存储结构中的像素值进行求和，得到加权像素和rs；

计算出计算作业面积S′＝S*rs/ms。

2.根据权利要求1所述的一种高精度农机作业面积计算方法，其特征在于，所述采集定位数据，包括采用GPS或北斗定位设备定时采集经纬度数据以及传感器水平夹角数据。

3.根据权利要求1所述的一种高精度农机作业面积计算方法，其特征在于，所述对微作业区域计算坡度加权值，包括下述步骤：

基于设备传感器取得在p0点及p1点的水平夹角数据，计算两点的平均夹角值A；

根据夹角值A，计算微作业区域的坡度加权值为V＝1/cost(A)。

4.根据权利要求1所述的一种高精度农机作业面积计算方法，其特征在于，所述依据斜率差值K进行转弯补偿处理，包括下述步骤：

若K值小于设定值，则不需要转弯补偿填充；

若K值大于设定值，则以p1为圆心、md/2为半径进行转弯区域的水平扫描填充。

5.一种高精度农机作业面积计算装置，其特征在于，包括：

数据采集单元，用于采集定位数据；

作业面积估算单元，用于利用定位数据估算作业面积；

坐标系转换单元，用于将定位数据由经纬度坐标系转换到米勒坐标系；

作业区域填充单元，用于采用加权像素填充的方法进行作业区域填充；

作业面积计算单元，用于计算图像填充比，并根据估算作业面积和图像填充比计算作业面积；

所述作业区域填充单元包括：

微作业区域计算模块，用于在米勒坐标系中，按照时间顺序依次选取三个定位点，并结合作业宽度进行微作业区域计算；

坡度加权计算模块，用于对微作业区域计算坡度加权值，并以像素为单位进行坡度加权填充；

转弯补偿填充模块，用于计算前后两个相邻定位点连接直线的斜率差值K，并依据斜率差值K进行转弯补偿填充处理。

6.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器；

所述存储器存储有可在处理器上运行的程序指令；

所述处理器调用所述程序指令能够执行权利要求1至4中任一项所述的方法。

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