CN112665503B - 一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法和测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法和测量装置，方法包括：使用安装有卫星定位接收天线的农机具进行地面作业，通过卫星定位接收天线获取农机具的作业位置数据；对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，并采用高斯投影正算将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系；基于农机具作业的幅宽和最大速度，对作业位置数据集的所有位置点进行区域划分；针对每个区域，均根据区域内所有作业位置数据，采用三角剖分算法对该区域进行三角网格剖分，通过计算每个三角网格的面积得到该区域的面积；累加所有区域的面积获得农机具的作业总面积。本发明适用于全地形的面积测量，且测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于农机作业面积测量技术领域，具体涉及一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法和测量装置。
背景技术
精准农业是农业现代化发展的主要方向，精准农业包括农机精准作业。农机精准作业主要包括：精准耕种、精准施药肥、精准灌溉及精准收获。农机精准作业的作业量监测与农机精准作业质量分析通常都涉及到农机作业面积的测量，例如农机作业面积与化肥、农药的使用量结合，实现农机精准施肥、施药作业质量分析。因此，农机作业面积的精准测量对农业现代化发展有着重要的意义。
现有的农机作业面积测量设备主要分为手持和车载式。
手持式农机作业面积测量设备，主要包括：皮尺、全站仪等专业设备及基于卫星导航定位系统的面积测量仪。(1)皮尺通过测量农机作业区域边长计算求得作业面积，此测量方法只适用于规则且小面积的农田；(2)全站仪等专业设备采用电子测距和电子测角技术实现农田面积测量，此测量方法计算复杂、成本高且需要专业技术的操作人员，因此不适合农机作业面积的测量；(3)基于卫星导航定位系统的面积测量仪通过记录农机作业区域边界计算农机作业面积，需要工作人员手持测量仪围绕农机作业区域行走一周，增加工作量，并且测量精度与工作人员的行走速度有较大关系，此测量方法不稳定。
车载式农机作业面积测量设备，主要为记录农机作业面积的卫星定位终端。因此车载式农机作业面积测量设备的测量方法主要包括：包络线法、轨迹与幅宽乘积法及栅格积分法。(1)包络线法农机作业面积测量采用车载式卫星定位设备和软件测算出作业区域的多边形面积作为农机作业面积，这种测量方法简单，但是无法准确计算地形起伏的丘陵山区农机作业面积测量；(2)轨迹与幅宽乘积法基于车载式卫星定位设备和软件获取农机作业轨迹的基础上，利用轨迹长度与幅宽乘积求得农机作业面积，这种测量方法简单，但是此方法不能解决重复作业的问题；(3)栅格积分法首先根据农机作业轨迹计算作业边界，按照一定边长对作业区域进行栅格分割，将作业位置点分别映射到对应的栅格中，最后通过统计作业位置点落在栅格中的个数与每个栅格面积的乘积得到农机作业面积。此方法有效解决重复作业问题，但是计算精度受栅格边长选择和农机作业速度的影响较大，并且当作业区域较大时计算量过大。
发明内容
基于现有的农机作业面积测量方法存在的技术问题，本发明提供一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法，适用于全地形的面积测量，且测量精度高。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法，包括以下步骤：
步骤1，使用安装有卫星定位接收天线的农机具进行地面作业，通过卫星定位接收天线获取农机具的作业位置数据；
步骤2，对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，并采用高斯投影正算将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系；
步骤3，基于农机具作业的幅宽和最大速度，对作业位置数据集的所有位置点进行区域划分；
步骤4，针对每个区域，均根据区域内所有作业位置数据，采用三角剖分算法对该区域进行三角网格剖分，通过计算每个三角网格的面积得到该区域的面积；累加所有区域的面积获得农机具的作业总面积。
进一步的，步骤4中，采用改进的三角剖分算法对每个区域进行三角网格剖分，具体剖分方法为：
步骤4.1，确定包络三角形；
步骤4.1.1，将区域内所有作业位置数据分别按照平面空间坐标系的横坐标和纵坐标排序；
步骤4.1.2，以其中最小横坐标值xmin和最小纵坐标值ymin构成的点(xmin,ymin)作为矩形对角线第一点，以其中最大横坐标值xmax和最大纵坐标值ymax构成的点(xmax,ymax)作为矩形对角线第二点，构建得到矩形；
步骤4.1.3，以二分之一矩形的对角三角形为基础，根据相似三角形定理将其扩大一倍，得到直角三角形A的斜边经过点(xmax,ymax)；
步骤4.1.4，对直角三角形A的底边和高进行扩展，扩展的原则始终保持扩展三角形的底边长度大于高，得到直角三角形B；
步骤4.1.5，将直角三角形B沿高对称复制，一起形成包络该区域所有作业位置点的包络三角形；
步骤4.2，网格剖分；
将包络三角形的三边保存至边缓存数组中；
步骤4.3，逐点插入法建立三角形网格；
步骤4.3.1，将区域内所有作业位置点按横坐标从小到大排序，得到作业位置点序列；令i＝2；
步骤4.3.2，取作业位置点序列中的第i-1个作业位置点Di-1，将其与边缓存数组中的每条边的端点相连，并将相连得到的三角形放入到暂时三角形列表中；
步骤4.3.3，将暂时三角形列表中的三角形遍历画外接圆，判断三角形外接圆与作业位置点序列中的第i个作业位置点Di之间的关系：若作业位置点Di在三角形外接圆右侧，则该三角形为剖分小三角形，将其从暂时三角形列表中删除，保存至剖分三角形列表中；若作业位置点Di在三角形外接圆外侧，此时不对该三角形进行判断，依旧保存在暂时三角形列表中，待第i+1个作业位置点Di+1插入后再作判断；若作业位置点Di在三角形外接圆内侧，则将该三角形的三条边加入到边缓存数组中，并将该三角形从暂时三角形列表中删除；
步骤4.3.4，令i＝i+1，返回步骤4.3.2，直到i＝N，暂时三角形列表中的所有三角形构成农机具作业位置在平面空间坐标系的三角剖分连接关系；其中N为区域内所有作业位置点的数量；
步骤4.4，空间三角剖分；
在步骤4.3得到的农机具作业位置在平面空间坐标系的三角剖分连接关系中，引入农机具作业位置的海拔数据，形成农机具作业位置点的空间三角剖分。
进一步的，步骤2对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，具体为：获取农机具作业地面所在地区的经纬度及海拔数据，提取其中的最大经度Lmax、最小经度Lmin、最大纬度Bmax、最小纬度Bmin、最高海拔Hmax和最低海拔Hmin；将每个农机具的作业位置数据(L,B,H)，均与Lmax、Lmin、Bmax、Bmin、Hmax及Hmin进行比较，若L>Lmax或L<Lmin或B>Bmax或B<Bmin或H>Hmax或H<Hmin，则该农机具的作业位置数据存在定位误差，将其从作业位置数据集中剔除。
进一步的，步骤2在将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系后，再进一步对作业位置数据集中存在漂移定位误差的作业位置数据和静止的作业位置数据进行剔除，具体为：
步骤2.1，设卫星定位接收天线的数据采集周期为t，农机具作业的最小和最大行驶速度分别为vmin、vmax，卫星定位接收天线的定位精度为b；
步骤2.2，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断三个作业位置点中两两相邻作业位置点的距离之和d1+d2，与最大距离阈值2vmaxt+3d的大小关系：
若d1+d2≤2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中的第二个和第三个均不存在漂移定位误差；
若d1+d2>2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中存在漂移定位误差点，再进一步判断确定存在漂移定位误差的作业位置点：若vmaxt-2b<d1<vmaxt+2b且d2>vmaxt+2b，则第三个作业位置点存在漂移定位误差；若d1>vmaxt+2b且vmaxt-2b<d2<vmaxt+2b，则第二个作业位置点存在漂移定位误差；
其中，d1为相邻三个作业位置点中的第一个和第二个作业位置点之间的距离，d2为相邻三个作业位置点中的第二个和第三个作业位置点之间的距离；
步骤2.3，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断第二个作业位置点是否为静止位置点：若d1+d2<2vmint，则第二个作业位置点为静止位置点，将所有相邻的静止位置点求平均值作为该点的作业位置数据；
步骤2.4，遍历所有的相邻三个作业位置点，将存在漂移定位误差的作业位置点和静止位置点从作业位置数据集中剔除。
进一步的，步骤2中，将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系的计算公式为：
式中：B为位置点的纬度，l为位置点的经度，l0为中央子午线经度，N为子午圈曲率半径；a0、a3、a4、a5、a6均为运算中间量；
其中，所有角度都为弧度，l″＝l-l0，
为弧度秒；
N＝6399 698.902-[21 562.267-(108.973-0.612 cos B2)cos B2]cos B2，
a0＝32 140.404-[135.3302-(0.7092-0.004 cos B2)cos B2]cos B2，
a4＝(0.25+0.002 52 cos B2)cos B2-0.041 66，
a6＝(0.166 cos B2-0.084)cos B2，
a3＝(0.333 3333+0.001123 cos B2)cos B2-0.166 6667，
a5＝0.0083-[0.1667-(0.196 8+0.004 cos B2)cos B2]cos B2。
进一步的，步骤3所述的对作业位置数据的所有位置点进行区域划分，具体为：
步骤3.1，设农机具工作位置点的坐标值为(x,y,h)；其中x为农机具作业位置点经过高斯正投影后横坐标的值，y为农机具作业位置点经过高斯投影后纵坐标的值，h为农机具作业位置点的海拔高度值；
步骤3.2，将所有农机具工作位置点所在的三维空间Q划分成边长为Ln的空间正方体，且
f为卫星定位接收天线的数据采集频率，Vmax为农机具作业的最大行驶速度，则每个空间正方体内至少包括1个农机具作业位置点；
步骤3.3，统计每个空间正方体内包括的农机具作业位置点数量，即为农机具作业位置点密度；对其中农机具作业位置点数量小于1的空间正方体，将其中的农机具作业位置点剔除；
步骤3.4，在三维空间Q内搜索连通域，得到的每个连通域都为区域划分得到的1个区域；其中，每个连通区域中的每个空间正方体中包括的农机具作业位置点数量，均大于预设的农机具作业位置点数量阈值。
一种基于三角剖分的农机作业面积测量装置，包括卫星定位接收天线、天线定位支架、存储器和处理器；所述天线定位支架用于将所述卫星定位接收天线固定于农机具的顶端，所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机指令，具体执行上述任一技术方案所述的方法。
进一步的，所述装置包括2个卫星定位接收天线，分别与农机具左右两端对齐。
进一步的，所述天线定位支架包括可拆卸的横梁，所述横梁上设有用于距离测量的刻度线；所述卫星定位接收天线在所述横梁上的位置活动可调。
进一步的，卫星定位接收天线用于接收北斗卫星定位数据。
进一步的，所述双天线定位支架包括：北斗卫星导航信号接收天线支撑杆(2)、北斗卫星导航信号接收天线的固定套(3)、北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓(4)、北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的紧固螺栓(5)、北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的固定套(6)、北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱(7)、北斗卫星导航双天线定位支架支撑住的强磁底座(8)、北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁(9)、北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接螺栓(10)、北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接套(11)；
北斗卫星定位接收天线(1)通过螺纹与北斗卫星导航信号接收天线支撑杆2相连，北斗卫星定位接收天线支撑杆(2)通过螺纹与北斗卫星导航信号接收天线的固定套(3)相连，北斗卫星导航信号接收天线的固定套(3)的另一端设有螺纹孔，北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓(4)通过螺纹孔旋紧至北斗卫星导航双天线支架刻度尺横梁(9)，通过挤压将北斗卫星导航信号接收天的固定套(3)固定至北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁(9)的合适位置，使北斗卫星定位接收天线(1)与农机具的一端对齐；
北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱的固定套(6)顶端设有螺纹孔，北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的紧固螺栓(5)通过螺纹孔旋紧至北斗卫星导航双天线支架刻度尺横梁(9)，通过挤压将北斗卫星导航双天线支架的支撑柱的固定套(6)固定至北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁(9)的合适位置；北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱(7)的上端通过螺纹与北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱的固定套(6)相连，北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱(6)的下端通过螺纹与北斗卫星导航天线定位支架支撑柱的强磁底盘(8)相连，通过北斗卫星导航天线定位支架支撑柱的强磁底盘(8)与农机具铁质材质的顶棚紧密吸合，使得北斗卫星导航双天线定位支架固定于农机具的顶端。
有益效果
本发明具有以下技术效果：
(1)采用三角剖分面积计算方法，对不同形状的农机作业区域及起伏作业区域的适应性好，测量精度高，有效克服农机重复作业对农机作业面积计算的影响，同时准确测量丘陵山区农机作业面积；
(2)测量方法不需要人为干预，自动化程度高，提高农机作业面积统计与监管效率；
(3)农机作业位置点可靠，通过预处理和阈值条件判断，有效克服农机作业位置点的定位误差及静止点的干扰；
(4)采用双天线固定装置两点支撑安装北斗导航卫星接收天线，提高安装的稳定性。且双天线固定装置的宽度可调节，使得卫星接收天线两端与农机具两端对齐，能够准确获取农机具作业边界点，提高农机作业面积计算精度。
附图说明
图1是本实施例所述方法的工作流程图；
图2是本实施例所述卫星接收天线的安装示意图；
图3是本实施例所述北斗卫星导航双天线及固定支架；
图4是本实施例所述的带刻度线的横梁；
图5是本实施例的作业位置点示意图；
图6是本实施例的区域分割示意图；
图7是本实施例在地形起伏区域的三角剖分示意图；
图8是本实施例包络三角形的形成图；
图9表示包络三角形外接圆；
图10表示点与包含其的三边组成的三角形；
图11表示三角形画外接圆。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本实施例提供一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法，通过北斗卫星定位系统和安装于双天线固定支架两端的卫星定位接收天线获得农机具作业位置点，基于一种作业位置误差点剔除、作业区域划分、三角空间剖分方法，实现农机具作业面积计算，参考图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1，使用安装有卫星定位接收天线的农机具进行地面作业，通过卫星定位接收天线获取农机具的作业位置数据。
本实施例中，农机具安装有两个卫星定位接收天线，是农机具获取作业位置数据的主要传感器，通过接受多颗北斗导航卫星发射的信号计算获取农机具作业位置点的经纬度及高度数据。采用宽度可调的双天线定位支架，将两个卫星定位接收天线固定于农机具的顶端，如图2所示，可用于调节两个卫星定位接收天线之间的距离，使两个卫星定位接收天线分别与农机具左右两端对齐，这样可以精准测量农机具作业边界点，测量点可覆盖农机具作业的所有位置点。而传统单天线测量方式只测量农机具作业的中心点，以中心点为农机作业位置点进行计算，当农机在农田边界作业时，会丢失1/2机具宽度的作业位置点，因此农机作业面积计算值小于实际值，降低农机作业面积计算精度。
图3所示的是北斗卫星导航双天线定位支架，包括：北斗卫星导航信号接收天线支撑杆2、北斗卫星导航信号接收天线的固定套3、北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓4、北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的紧固螺栓5、北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的固定套6、北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱7、北斗卫星导航双天线定位支架支撑住的强磁底座8、北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁9、北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接螺栓10、北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接套11。
北斗卫星导航信号接收天线1通过螺纹与北斗卫星导航信号接收天线支撑杆2相连，北斗卫星接收天线支撑杆2通过螺纹与北斗卫星导航信号接收天线的固定套3相连，北斗卫星导航信号接收天线的固定套3的另一端设计一个M5螺纹孔，北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓4通过M5螺纹孔旋紧至北斗卫星导航双天线支架刻度尺横梁9，通过挤压将北斗卫星导航信号接受天的固定套3固定至北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁9的合适位置，保证北斗卫星导航信号接收天线1与农机具的一端对齐。北斗卫星导航信号接收天线1、北斗卫星导航信号接收天线支撑杆2、北斗卫星导航信号接收天线固定套3及北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓4采用螺纹连接，拆装简单，方便移动北斗卫星导航接收天线1的位置。
北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱的固定套6顶端设计一个M5螺纹孔，北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的紧固螺栓5通过M5螺纹孔旋紧至北斗卫星导航双天线支架刻度尺横梁9，通过挤压将北斗卫星导航双天线支架的支撑柱的固定套6固定至北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁9的合适位置。北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱7的上端通过螺纹与北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱的固定套6相连，北斗卫星导航双天线定位支架的支撑柱7的下端通过螺纹与北斗卫星导航天线定位支架支撑柱的强磁底盘8相连，由于拖拉机顶棚采用铁质材料制成，8与拖拉机顶棚紧密吸合，使得北斗卫星导航双天线定位支架固定于拖拉机。
使用两个相同的北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁9，分别放入北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接套11中，刻度尺横梁进入北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接套两厘米。北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接套11上端设计一个M8螺纹孔，北斗卫星导航双天线定位支架横梁连接螺栓10通过M8螺纹孔旋紧至北斗卫星导航双天线支架刻度尺横梁，通过挤压将两个北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁连接起来。
其中，两个北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁上，均设计有刻度线如图4所示，每两个刻度线之间的距离为五厘米，已知每个小格之间的距离，可以通过北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁量取农机具的实际宽度，为北斗卫星导航信号接收天线在北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁上固定提供准确数据参考。
在使用农机具作业前，先将北斗卫星导航双天线固定于北斗卫星导航双天线定位支架上，然后将北斗卫星导航双天线定位支架安装于农机架上，采集农机具作业数据。
将北斗卫星导航双天线固定于北斗卫星导航双天线定位支架上具体为：首先使用北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁量取农机具宽度，然后将两个北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁拼接。在已知农机具宽度情况下，在北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁上选取北斗卫星导航信号接收天线安装位置，通过北斗卫星导航信号接收天线支撑杆紧固螺栓4挤压将北斗卫星导航信号接收天线至北斗卫星导航双天线定位支架刻度尺横梁9上。
将北斗卫星导航双天线定位支架安装于农机架上具体为：将固定好北斗卫星导航双天线的北斗卫星导航双天线定位支架通过北斗卫星导航双天线定位支架支撑柱的强磁底座8安装于拖拉机顶棚上。
当农机进行田间工作时接通北斗卫星导航接收机板卡电源，北斗卫星导航双天线采集农机具作业位置数据，并上传至服务器端进行保存，北斗卫星导航双天线测量农机具作业位置点如图5所示。
步骤2，对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，并采用高斯投影正算将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系。
(1)首先将作业位置数据集中的较大定位误差点剔除：
已知农机具使用者居住省市，获得农机具作业所在省市。通过查询农机具所在省市的经纬度及海拔数据，获得该省市的经纬度及海拔数据，提取其中的最大经度Lmax、最小经度Lmin、最大纬度Bmax、最小纬度Bmin、最高海拔Hmax和最低海拔Hmin；将每个农机具的作业位置数据(L,B,H)，均与Lmax、Lmin、Bmax、Bmin、Hmax及Hmin进行比较，若L>Lmax或L<Lmin或B>Bmax或B<Bmin或H>Hmax或H<Hmin，则该农机具的作业位置数据存在较大定位误差，将其从作业位置数据集中剔除。
(2)高斯投影正算，将农机具作业位置点由大地坐标系转换到平面空间坐标系：
地球表面为曲面，要实现农机作业面积精准测算，采用高斯正算将农机作业农田由曲面展开形成平面坐标系，减少计算误差。通过高斯投影正算将农机农机具作业位置经纬度坐标由椭球面投影到高斯平面坐标。采用克拉索夫斯基椭球参数，高斯投影计算公式见式(1)：
式中：B为位置点的纬度，l为位置点的经度，l0为中央子午线经度，N为子午圈曲率半径；a0、a3、a4、a5、a6均为运算中间量；
其中，所有角度都为弧度，l″＝l-l0，
为弧度秒；
N＝6399 698.902-[21 562.267-(108.973-0.612 cos B2)cos B2]cos B2，
a0＝32 140.404-[135.3302-(0.7092-0.004 cos B2)cos B2]cos B2，
a4＝(0.25+0.002 52 cos B2)cos B2-0.041 66，
a6＝(0.166 cos B2-0.084)cos B2，
a3＝(0.333 3333+0.001123 cos B2)cos B2-0.166 6667，
a5＝0.0083-[0.1667-(0.196 8+0.004 cos B2)cos B2]cos B2。
(3)进一步对作业位置数据集中存在漂移定位误差的作业位置数据和静止的作业位置数据进行剔除，包括以下步骤：
步骤2.1，设卫星定位接收天线的数据采集周期为t，农机具作业的最小和最大行驶速度分别为vmin、vmax，卫星定位接收天线的定位精度为b；
步骤2.2，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断三个作业位置点中两两相邻作业位置点的距离之和d1+d2，与最大距离阈值2vmaxt+3b的大小关系：
若d1+d2≤2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中的第二个和第三个均不存在漂移定位误差；
若d1+d2>2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中存在漂移定位误差点，再进一步判断确定存在漂移定位误差的作业位置点：若vmaxt-2b<d1<vmaxt+2b且d2>vmaxt+2b，则第三个作业位置点存在漂移定位误差；若d1>vmaxt+2b且vmaxt-2b<d2<vmaxt+2b，则第二个作业位置点存在漂移定位误差；
其中，d1为相邻三个作业位置点中的第一个和第二个作业位置点之间的距离，d2为相邻三个作业位置点中的第二个和第三个作业位置点之间的距离；
步骤2.3，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断第二个作业位置点是否为静止位置点：若d1+d2<2vmint，则第二个作业位置点为静止位置点，将所有相邻的静止位置点求平均值作为该点的作业位置数据；
步骤2.4，重复步骤2.2和步骤2.3，遍历所有的相邻三个作业位置点，将存在漂移定位误差的作业位置点和静止位置点从作业位置数据集中剔除。
步骤3，基于农机具作业的幅宽和最大速度，对作业位置数据集的所有位置点进行区域划分；主要包括：
步骤3.1，设农机具工作位置点的坐标值为(x,y,h)；其中x为农机具作业位置点经过高斯正投影后横坐标的值，y为农机具作业位置点经过高斯投影后纵坐标的值，h为农机具作业位置点的海拔高度值；
其中农机具作业位置点经过高斯正投影后的三维空间坐标系为：以中央子午线的投影为纵坐标轴X，规定X轴向北方向为正；以赤道的投影为横坐标轴Y，规定Y轴向东方向为正；Z轴与X、Y轴构成右手定则，组成三维空间坐标系。
步骤3.2，将所有农机具工作位置点所在的三维空间Q划分成边长为Ln的空间正方体，且
f为卫星定位接收天线的数据采集频率，Vmax为农机具作业的最大行驶速度，则每个空间正方体内至少包括1个农机具作业位置点；
步骤3.3，统计每个空间正方体内包括的农机具作业位置点数量，即为农机具作业位置点密度；该密度计算方法可以降低计算复杂度；
由于农机具从一块区域转场至另一块区域作业的转场线路，为非作业流程，因此需要将该转场路线从作业位置数据中剔除，以提高作业面积测量的准确性。由于农机具转场的行驶速度远大于作业速度最大值，因此对转场路线数据的剔除方法为：对其中农机具作业位置点数量小于1的空间正方体，将其中的农机具作业位置点剔除。在本实施例中，设定密度阈值为1，密度值小于1为低密度位置数据，密度值大于1为高密度位置数据。将低密度位置数据从单元格内剔除掉。
步骤3.4，在三维空间Q内搜索连通域，得到的每个连通域都为区域划分得到的1个区域；其中，每个连通区域中的每个空间正方体中包括的农机具作业位置点数量，均大于预设的农机具作业位置点数量阈值。
本实施例中，农机具作业位置点聚类是由密度相近的立体单元格组成的连通区域。聚类首先从确定密度的立体单元格中任意选取单元格作为起始点，密度值都小于1的空间正方体单元格称为密度相近单元格，或密度值都大于1的空间正方体单元格称为密度相近单元格。按照密度对空间单元格进行分类，提取高密度的空间单元格，以包含农机作业位置点且X坐标值最小的空间单元格为起点，按照X坐标值由小至大遍历相互挨着的空间单元格，直到遍历的单元格四周没有高密度单元格为止，则这些高密度单元格构成一个集合，即为一块农机作业区域。遍历所有农机具作业位置，完成农机作业区域的分割，如图6所示。
对农机具作业区域进行划分，可以实现自动识别农机作业位置点和非农机作业位置点；如果不对农机作业区域进行划分，在进行接下来的三角剖分计算时，引入非作业点使得三角剖分面积值大于实际值。
步骤4，针对每个区域，均根据区域内所有作业位置数据，采用三角剖分算法对该区域进行三角网格剖分，通过计算每个三角网格的面积得到该区域的面积；累加所有区域的面积获得农机具的作业总面积。
本实施例中，采用改进的三角剖分算法对每个区域进行三角网格剖分，具体剖分方法为：
步骤4.1，确定包络三角形；
步骤4.1.1，将区域内所有作业位置数据分别按平面空间坐标系的横坐标和纵坐标排序；
步骤4.1.2，参考图8所示，以其中最小横坐标值xmin和最小纵坐标值ymin构成的点(xmin,ymin)作为矩形对角线第一点，以其中最大横坐标值xmax和最大纵坐标值ymax构成的点(xmax,ymax)作为矩形对角线第二点，构建得到矩形；
步骤4.1.3，以二分之一矩形的对角三角形为基础，根据相似三角形定理将其扩大一倍后的直角三角形A的斜边经过点(xmax,ymax)；其中，二分之一矩形的定义是将矩形横轴方向的上下两条边的中点连线，将矩形分为两部分，选取右侧二分之一矩形。对角三角形的形成是以右侧二分之一矩形的左上顶点和右下顶点连线，将右侧二分之一矩形分成两个三角形，选取左下三角形得到。
步骤4.1.4，对直角三角形A的底边和高进行扩展，扩展的原则始终保持扩展三角形的底边长度大于高，得到直角三角形B；本实施例中，以直角三角形A顶点中横坐标最大的点为起点，沿着纵坐标负方向距离起点一个单位长度距离确定E点，接下来以E为起点，沿着横坐标正方向距离E点两个单位长度距离去顶F点。直角三角形A顶点中纵坐标最大点与F点连线形成扩展后直角三角形的斜边，过F点做与横坐标平行的直线与直角三角形高的延长线相交形成扩展三角形，即为得到的直角三角形B。
步骤4.1.5，将直角三角形B沿高对称复制，一起形成包络该区域所有作业位置点的包络三角形；该包络三角形，相对于后续剖分得到的各小三角形而言是最大三角形，相对于所有作业位置点而言是包络所有作业位置点的最小三角形。
步骤4.2，网格剖分；
将包络三角形的三边保存至边缓存数组中；为便于计算机程序运行，作为三角剖分的初始步骤，该步骤具体为：将包络三角形放入到暂时三角形列表中，对暂时三角形列表中的三角形遍历外接圆，如图9所示：判断区域内所有作业位置点是否都在包络三角形的外接圆内，若否，则包络三角形不是剖分小三角形，从暂时三角形列表中删除包络三角形；
步骤4.3，逐点插入法建立三角形网格；
步骤4.3.1，将区域内所有作业位置点按横坐标从小到大排序，得到作业位置点序列；令i＝2；
步骤4.3.2，取作业位置点序列中的第i-1个作业位置点Di-1，将其与边缓存数组中的每条边的端点相连，如图10所示，并将相连得到的三角形放入到暂时三角形列表中；
步骤4.3.3，将暂时三角形列表中的三角形遍历画外接圆，如图11所示，判断三角形外接圆与作业位置点序列中的第i个作业位置点Di之间的关系：若作业位置点Di在三角形外接圆右侧，则该三角形为剖分小三角形，将其从暂时三角形列表中删除，保存至剖分三角形列表中；若作业位置点Di在三角形外接圆外侧，此时不对该三角形进行判断，依旧保存在暂时三角形列表中，待第i+1个作业位置点Di+1插入后再作判断；若作业位置点Di在三角形外接圆内侧，则将该三角形的三条边加入到边缓存数组中，并将该三角形从暂时三角形列表中删除；
步骤4.3.4，令i＝i+1，返回步骤4.3.2，直到i＝N，暂时三角形列表中的所有三角形构成农机具作业位置在平面空间坐标系的三角剖分连接关系；其中N为区域内所有作业位置点的数量；
步骤4.4，空间三角剖分；
在步骤4.3得到的农机具作业位置在高斯坐标系的三角剖分连接关系中，引入农机具作业位置的海拔数据，形成农机具作业位置点的空间三角剖分，实现对全地形的三角网格剖分，实现丘陵起伏农田作业面积测量，如图7地形起伏区域的三角剖分面。
在得到农机具作业每个区域的空间三角剖分后，计算区域中每个小三角形边长，由海伦公式计算剖分后小三角形面积，对剖分后小三角形面积求和获得农机具在该区域的作业面积。复杂农田的农机作业面积计算，求得剖分后每个小三角形的边长，由海伦公式求得剖分后每个小三角形面积Si，对剖分后的三角形面积加和求得农机具在该区域的作业面积S。
S＝∑Si
式中：Si为小三角形面积；ai、bi、ci为小三角形的三条边长；pi为小三角形的半周长。
最终累加所有区域的面积，即得到农机具的作业总面积。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于三角剖分的农机作业面积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用安装有卫星定位接收天线的农机具进行地面作业，通过卫星定位接收天线获取农机具的作业位置数据；
步骤2，对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，并采用高斯投影正算将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系；
步骤2在将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系后，再进一步对作业位置数据集中存在漂移定位误差的作业位置数据和静止的作业位置数据进行剔除，具体为：
步骤2.1，设卫星定位接收天线的数据采集周期为t，农机具作业的最小和最大行驶速度分别为vmin、vmax，卫星定位接收天线的定位精度为b；
步骤2.2，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断三个作业位置点中两两相邻作业位置点的距离之和d1+d2，与最大距离阈值2vmaxt+3b的大小关系：
若d1+d2≤2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中的第二个和第三个均不存在漂移定位误差；
若d1+d2＞2vmaxt+3b，则该三个作业位置点中存在漂移定位误差点，再进一步判断确定存在漂移定位误差的作业位置点：若vmaxt-2b＜d1＜vmaxt+2b且d2＞vmaxt+2b，则第三个作业位置点存在漂移定位误差；若d1＞vmaxt+2b且vmaxt-2b＜d2＜vmaxt+2b，则第二个作业位置点存在漂移定位误差；
其中，d1为相邻三个作业位置点中的第一个和第二个作业位置点之间的距离，d2为相邻三个作业位置点中的第二个和第三个作业位置点之间的距离；
步骤2.3，基于相邻三个作业位置点的位置关系，判断第二个作业位置点是否为静止位置点：若d1+d2＜2vmint，则第二个作业位置点为静止位置点，将所有相邻的静止位置点求平均值作为该点的作业位置数据；
步骤2.4，遍历所有的相邻三个作业位置点，将存在漂移定位误差的作业位置点和静止位置点从作业位置数据集中剔除；
步骤3，基于农机具作业的幅宽和最大速度，对作业位置数据集的所有位置点进行区域划分；
步骤4，针对每个区域，均根据区域内所有作业位置数据，采用三角剖分算法对该区域进行三角网格剖分，通过计算每个三角网格的面积得到该区域的面积；累加所有区域的面积获得农机具的作业总面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，采用改进的三角剖分算法对每个区域进行三角网格剖分，具体剖分方法为：
步骤4.1，确定包络三角形；
步骤4.1.1，将区域内所有作业位置数据分别按照平面空间坐标系的横坐标和纵坐标排序；
步骤4.1.2，以其中最小横坐标值xmin和最小纵坐标值ymin构成的点(xmin，ymin)作为矩形对角线第一点，以其中最大横坐标值xmax和最大纵坐标值ymax构成的点(xmax，ymax)作为矩形对角线第二点，构建得到矩形；
步骤4.1.3，以二分之一矩形的对角三角形为基础，根据相似三角形定理将其扩大一倍，得到直角三角形A的斜边经过点(xmax，ymax)；
步骤4.1.4，对直角三角形A的底边和高进行扩展，扩展的原则始终保持扩展三角形的底边长度大于高，得到直角三角形B；
步骤4.1.5，将直角三角形B沿高对称复制，一起形成包络该区域所有作业位置点的包络三角形；
步骤4.2，网格剖分；
将包络三角形的三边保存至边缓存数组中；
步骤4.3，逐点插入法建立三角形网格；
步骤4.3.1，将区域内所有作业位置点按横坐标从小到大排序，得到作业位置点序列；令i＝2；
步骤4.3.2，取作业位置点序列中的第i-1个作业位置点Di-1，将其与边缓存数组中的每条边的端点相连，并将相连得到的三角形放入到暂时三角形列表中；
步骤4.3.3，将暂时三角形列表中的三角形遍历画外接圆，判断三角形外接圆与作业位置点序列中的第i个作业位置点Di之间的关系：若作业位置点Di在三角形外接圆右侧，则该三角形为剖分小三角形，将其从暂时三角形列表中删除，保存至剖分三角形列表中；若作业位置点Di在三角形外接圆外侧，此时不对该三角形进行判断，依旧保存在暂时三角形列表中，待第i+1个作业位置点Di+1插入后再作判断；若作业位置点Di在三角形外接圆内侧，则将该三角形的三条边加入到边缓存数组中，并将该三角形从暂时三角形列表中删除；
步骤4.3.4，令i＝i+1，返回步骤4.3.2，直到i＝N，暂时三角形列表中的所有三角形构成农机具作业位置在平面空间坐标系的三角剖分连接关系；其中N为区域内所有作业位置点的数量；
步骤4.4，空间三角剖分；
在步骤4.3得到的农机具作业位置在平面空间坐标系的三角剖分连接关系中，引入农机具作业位置的海拔数据，形成农机具作业位置点的空间三角剖分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2对作业位置数据集进行预处理，以剔除其中的误差位置数据，具体为：获取农机具作业地面所在地区的经纬度及海拔数据，提取其中的最大经度Lmax、最小经度Lmin、最大纬度Bmax、最小纬度Bmin、最高海拔Hmax和最低海拔Hmin；将每个农机具的作业位置数据(L，B，H)，均与Lmax、Lmin、Bmax、Bmin、Hmax及Hmin进行比较，若L＞Lmax或L＜Lmin或B＞Bmax或B＜Bmin或H＞Hmax或H＜Hmin，则该农机具的作业位置数据存在定位误差，将其从作业位置数据集中剔除。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，将作业位置数据集由大地坐标系投影到平面空间坐标系的计算公式为：
式中：B为位置点的纬度，l为位置点的经度，l0为中央子午线经度，N为子午圈曲率半径；a0、a3、a4、a5、a6均为运算中间量；
其中，所有角度都为弧度，l″＝l-l0，
为弧度秒；
N＝6399 698.902-[21 562.267-(108.973-0.612cosB2)cosB2]cosB2，
a0＝32 140.404-[135.3302-(0.7092-0.004cosB2)cosB2]cosB2，
a4＝(0.25+0.002 52cosB2)cosB2-0.041 66，
a6＝(0.166cosB2-0.084)cosB2，
a3＝(0.333 3333+0.001123cosB2)cosB2-0.166 6667，
a5＝0.0083-[0.1667-(0.196 8+0.004cosB2)cosB2]cosB2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述的对作业位置数据的所有位置点进行区域划分，具体为：
步骤3.1，设农机具工作位置点的坐标值为(x，y，h)；其中x为农机具作业位置点经过高斯正投影后横坐标的值，y为农机具作业位置点经过高斯投影后纵坐标的值，h为农机具作业位置点的海拔高度值；
步骤3.2，将所有农机具工作位置点所在的三维空间Q划分成边长为Ln的空间正方体，且
f为卫星定位接收天线的数据采集频率，Vmax为农机具作业的最大行驶速度，则每个空间正方体内至少包括1个农机具作业位置点；
步骤3.3，统计每个空间正方体内包括的农机具作业位置点数量，即为农机具作业位置点密度；对其中农机具作业位置点数量小于1的空间正方体，将其中的农机具作业位置点剔除；
步骤3.4，在三维空间Q内搜索连通域，得到的每个连通域都为区域划分得到的1个区域；其中，每个连通区域中的每个空间正方体中包括的农机具作业位置点数量，均大于预设的农机具作业位置点数量阈值。
6.一种基于三角剖分的农机作业面积测量装置，其特征在于，包括卫星定位接收天线、天线定位支架、存储器和处理器；所述天线定位支架用于将所述卫星定位接收天线固定于农机具的顶端，所述存储器用于存储计算机指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机指令，具体执行如权利要求1-5任一所述的方法。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置包括2个卫星定位接收天线，分别与农机具左右两端对齐。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述天线定位支架包括可拆卸的横梁，所述横梁上设有用于距离测量的刻度线；所述卫星定位接收天线在所述横梁上的位置活动可调。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，卫星定位接收天线用于接收北斗卫星定位数据。
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