量数据、处理测量数据、计算土地面积、核算费用等功能，其中计算土地面积尤为 重要，是整个程序的关键。本程序设计的思想为：先获取飞机采集数据点，再从这些数据点 中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数来模拟其边界曲线，进而可以求取模拟边 界的面积等参数。下面来介绍整个程序的实现： 软件部分程序流程图如图12所示。
[0037] 1.程序初始化 程序初始化用来设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等。程序实现如下： movegui (gcf, ' center') ; %设置界面居中显示 set (handles. s_edit, ' string' , 0); set (handles. vl_edit, ' string' , 0); set (handles. v2_edit, ' string' , 0); set (handles. v_edit, ' string' , 0); 其中S为计算的地块面积，Vl为工本单价，V2为人工劳务费，v为总费用，设置它们的 初始值均为〇。
[0038] 2.获取飞机返回的测量数据 测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数据， 数据格式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量地块的经纬度坐 标数据；第四列数据全置为〇,同时得到数据矩阵rss，程序实现如下 ：
[filename, pathname]=Uigetfile({... '*·*'，' All Files (*·*)'；}，·· · '选取excel数据文件'）； if isequal([filename, pathname], [0,0]); return else global rss %声明全局变量rss str = fullfiIe(pathname, filename); rss = xlsread(str) ; %将读取的数据存放在矩 阵rss中 end 3. 用chalineO函数来获取数据的边界点 chaline()函数要事先定义才能调用。由chaline()函数得到边界点的行号，从而得 到边界点坐标，程序实现如下： global rss chaline (rss) %返回边界点行号 chaline (rss, 1) %绘制不意图 A=ans; %将边界点行号保存在变量A中 n=length(A); %得到边界点坐标 X=zeros(I, η); Y=zeros(1, η); for i=l:n X ⑴=rss(A(i), 2); Y ⑴=rss(A(i), 3); end 4. 用三次样条函数来模拟其边界曲线 土地形状决定算法的复杂程度，计算边界规则土地面积较容易实现，主要是边界不规 则土地面积的计算。对于边界不规则土地面积的计算，采用三次样条插值的方法，此方法为 目前计算不规则图形面积精确度最高的方法。
[0039] 三次样条函数的数学思想是已知一系列离散点的坐标：A，M，z2…別〇0〈 M 〈z2〈…〈z/7) ;/0，jd, /2…构造一个插值函数 51 U)应满足：（1) 51 Ui)= _Fi(i= 0 1 2. /7) ; (2)区间[A B]上S U)具有二阶连续导数，曲线具有良好的光滑性； (3)在每个子区间[4 zi+Ι]内S U)的表达式S (i)是Z的三次多项式 51 (i) = J i+沿>+ CYz2 +仍>3 ( i= 0，I，2，…，/?),并要求它满足下列条件： (1)插值条件：51 Ui) = _Fi; ( i= 0, 1 , 2,…，/? ) ;(2)连接条件：5tri-0) = 51 Ui+ 0) ; y Ui-〇) = fUi+0) ; Ui-〇) = Ui+〇) ;(3)边界条件：给定边界点的 一阶或二阶导数值。利用已知点的坐标和条件（1) (2) (3)可以组成关于 i= 1，2, 3. .. /7)的线性方程组，此方程组有4/7个未知数和4/7个方程。根据样条插值 理论和线性方程组理论，该线性方程组一定有解。一旦^U)确定，就可对其像普通函数 一样进行运算。尽管三次样条插值具有良好的收敛性、稳定性，又有二阶光滑度，但它要求 MZ〈…〈迎，这对于地块的边界线来说，无论是横、纵坐标都不可能满足单调性这 个条件的。理论上，把一条封闭（不打结）的曲线分成两条能够满足该条件的曲线，就会为 实际工作会带来不少麻烦。在这里借用数学上参数方程的思想来克服这个困难。利用参数 ?的单调性，取（中?0〈 ?1〈 ?2〈···〈 ?/?，利用MATLAB中三次样条插值函数spline对?和 纵坐标Z，对?和横坐标7分别插值，程序实现如下： X= [X X(1 )]； Y= [Υ Y(1 )]； N=Iength(X); t=l:N; ti=l:(N-1)/100000:N; xi=spline (t, X, ti); yi=spline (t, Y, ti); area=polyarea (xi, yi) ; % 计算面积 s=area*lll*lll; %经纬度坐标计算的面积与实际地形面积的换算 set (handles. s_edit, ' string' , s); points=[X;Y]; fnplt (cscvn (points)) ; % 绘出边界曲线 title ('农药喷洒区域'） axis square; 该程序段主要是来计算地块的面积，并模拟出地块的边界图形，以便和实际地形进行 对比。
[0040] 5.核算总费用 计算出地块的面积s (m2)，已知工本单价Vl (元/m2)和人工劳务费用V2 (元/m2)， 即可求出该块土地喷洒农药的总费用V (元)，计算关系为V = s*vl*v2,程序实现如下： if vl == 0&&v2 ~=0 V= s氺1氺v2; set (handles, v-edit，'string'，v); elseif vl ~=0&&v2 == 0 V= s氺vl氺I; set (handles, v-edit，'string'，v); else V= s氺vl氺v2; set (handles, v-edit，'string'，v); end 6.退出程序 计算结束后可退出程序，采用问题对话框，以免误点而直接关闭程序，程序实现如下： str = questdlgC Sure to exit ?J,J Exit or not'）； if strncmpi (str，' yes'，3) close (gcf); end 2、软件运行 将上述软件中的MTLAB GH封装成.exe文件，可在没有安装MTLAB软件的电脑上运 行该软件。在PC机上运行该软件，得到软件运行的初始界面和处理数据后的界面。软件初 始界面如图13所示。
[0041] 图14中点横线围成的边界为标记的边界点形成的直线边界，实线围城的边界为 标记的边界点拟合而成的曲线边界，即为所求的边界图形；求得的面积为曲线边界图形面 积，与实际的土地面积有一定误差，这是不可避免的，在误差允许的范围内，两者可以相等； 输入工本单价和人工劳务费即可求出总费用。
[0042] 3、实验数据 实验数据如表1所示。
[0043] 表1实验数据
【主权项】
1. 智能机载测亩仪，其特征在于：整机系统由硬件部分和PC机软件部分组成；其测量 方法是，飞机绕地块作业，机载硬件每隔3-5秒采集地块经纬度数据，通过无线收发模块下 传数据，PC机获得测量数据，在PC机上运行软件，处理测量数据，计算出土地面积和相关费 用，再次通过无线收发模块将结果上传到机载硬件上显示。
2. 根据权利要求1所述的智能机载测亩仪，其特征在于：硬件部分由机载硬件模块和 PC机硬件模块组成，其中机载硬件有GPS模块、STC89C52单片机、Si4432无线收发模块、 IXD1602液晶显示屏、电源模块、三个非自锁按键；PC机硬件模块是Si4432无线收发模块。
3. 根据权利要求1或2所述的智能机载测亩仪，其特征在于：STC89C52单片机程序代 码由汇编语言编写，其流程是：开始进行初始化操作，单片机发送指令给GPS模块，控制其 采集数据；单片机检测是否有数据传来，该数据或来自GPS模块，或来自PC机Si4432无线 收发模块，若有，则接收并存储数据；单片机控制液晶显示屏显示相关数据；检测是否有外 部中断，若有，则下载数据；同时单片机将数据传送给机载无线收发模块，机载无线收发模 块再将数据下传给PC机无线收发模块。
4. 根据权利要求1或2所述的智能机载测亩仪，其特征在于：三个非自锁按键是启动、 手动下载数据、关闭。
5. 根据权利要求1所述的智能机载测亩仪，其特征在于：PC机软件部分的设计思路为， 先获取飞机采集数据点，再从这些数据点中找出边界点，然后用数学方法即三次样条函数 来模拟其边界曲线，进而求取模拟边界的面积等参数；由以下步骤组成，
1. 程序初始化 设置参数的初始值、设置运行界面居中显示等；
2. 获取飞机下传的测量数据 测量数据存放在excel表格中，软件通过读取excel表格来获取程序需要的测量数 据；
3. 用chalineO函数来获取数据的边界点 chaline ()函数要事先定义才能调用；由chaline ()函数得到边界点的行号，从而得 到边界点坐标；
4. 用三次样条函数来模拟其边界曲线 对于边界不规则土地面积的计算，用三次样条函数来模拟其边界曲线；
5. 核算总费用 计算出地块的面积s (m2)，已知工本单价Vl (元/m2)和人工劳务费用V2 (元/m2)， 求出该块土地喷洒农药的总费用V (元)，计算关系为V = S*vl*v2;
6. 退出程序 计算结束后退出程序，采用问题对话框。
6.根据权利要求1或5所述的智能机载测亩仪，其特征在于：飞机下传的测量数据格 式为：第一列为数据点的行号；第二、三列为机载硬件GPS模块测量地块的经纬度坐标数 据；第四列数据全置为〇,同时得到数据矩阵rss。
【专利摘要】智能机载测亩仪属于数字信号处理技术领域，主要用于遥控农药喷洒飞机实际作业中对任意地块面积及工时价格等参数的自动检测。实现方法：1、无人机作业时，每隔3-5s获取地块路径的GPS点信息，并通过无线模块送到主控计算机的任意地块面积自动检测系统；2、该检测系统中将路径离散坐标点通过三角形估计边界算法获得边界点，利用三次样条函数获得其边界曲线；3、用Matlab计算边界曲线所围面积，并在GUI界面显示地块轮廓图及其面积、价格等参数；4、最后可将其参数通过无线模块发送至无人机。本发明旨在解决传统测亩仪需沿被测土地边界运行和无人机实际作业运行轨迹的矛盾、传统不规则面积采用直线拟合带来的测准率差、效率低的固有缺陷。
【IPC分类】G01B21-28
【公开号】CN104634309
【申请号】CN201510086970
【发明人】李立, 魏建义, 李红安, 张继军, 李静, 屈海鹏, 吴欣慧, 申庆超, 李志瑞, 程万里, 赵路华
【申请人】安阳工学院
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月17日