基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法
【专利摘要】基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，涉及农机作业面积测量技术。本发明是为了农机作业面积测量方法的精度低、效率低的问题。本发明通过使用车载GPS设备采集的作业轨迹点集合，对漂移的作业轨迹点进行过滤、坐标转换、插点和划分，最后使用基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积计算方法计算出农机的作业面积。除车载GPS设备外，本发明无需使用其他数据采集设备，降低了测量系统的复杂度并减少了设备成本。另外本发明相对于现有的作业轨迹面积测量方法具有计算复杂度低的特点，并能有效避免重复耕作对于测量结果造成的影响。本发明适用于农机作业面积测量场合。
【专利说明】
基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及农机作业面积测量技术。
【背景技术】
[0002] 农业作业的作业量监控与耕作分析通常都涉及到作业面积的测量，例如测量作业 面积来估算化肥、农药的投入量，计算投入产出比。同时，作业面积的精确测量也细化了农 业作业的监控粒度，为决策系统提供实时、精确、可靠的作业数据。因此，作业面积的精确测 量对于农业现代化与数字化有着非常重要的意义。
[0003] 现有的作业面积计算方法包括多边形地块面积测量，距离幅宽乘积面积测量与栅 格积分面积测量等方法。多边形地块面积测量采用手持土地面积测量软件测算出作业地块 的多边形面积作为作业面积，这种计算方法原理简单，但是需要人工测量地块边界，操作繁 琐，而且计算精度与测量者有较大的关系，并且无法剔除重复耕作的面积。距离幅宽乘积的 面积测量方法在GPS设备获取的作业轨迹的基础上，利用距离算法计算出整条作业轨迹的 路程，然后与农机具的幅宽相乘作为作业面积，这种算法相对于第一种算法更为精确，并且 无需额外的人工测量，更为方便，但是此种算法仍不能解决重复耕作的问题。栅格积分算法 首先根据作业轨迹计算出大致的作业边界，并按照一定的边长对作业范围进行栅格化，然 后将作业点看作孤立点，根据坐标分别映射到对应的栅格中，最后通过统计有作业点的栅 格个数乘上每个栅格的面积得到作业面积。此种算法可以有效的解决重耕问题，但是计算 精度受栅格边长选择的影响较大，并且在轨迹较为分散，作业范围较大的情况下计算量过 大，算法效率低下。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了农机作业面积测量方法的精度低、效率低的问题，从而提供一种基 于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法。
[0005] 基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，它包括以下步骤：
[0006] 步骤一、通过车载GPS设备获得大小为N点的农机作业轨迹点集合Q，N为正整数;所 述农机作业轨迹点集合Q中每个轨迹点qi包含经度ai和炜度bi，i = l，2, . . .，N，所述轨迹点 按照时间顺序排列，并将获得的数据保存在计算机存储设备中；
[0007] 步骤二、输入作业幅宽W和允许最长距离Lmax，当相邻两个轨迹点的距离大于Lmax 时，认为路径断开；
[0008] 步骤三、对步骤一获得的农机作业轨迹点集合Q进行过滤，去除漂移的坐标点，并 使用高斯-克吕格投影变换法将轨迹点从大地坐标系转换为平面坐标系( Xl，)，获得大小 为Ν'的新的轨迹点集合P，N'彡N;
[0009] 步骤四、使用步骤二获得的允许最长距离Lmax对步骤三得到的轨迹点集合P进行划 分，并对划分后的轨迹进行插点操作，得到轨迹片段集合PIP2,...，Pm，M$N'，每段的点数 为 Ni，i = l，2，...M;
[0010] 步骤五、计算每一段轨迹的面积Sl，累加得到总作业面积s。
[0011] 步骤三中，使用高斯-克吕格投影变换将轨迹点从大地坐标系转换为平面坐标系 (xi，yi)，具体为：
[0013]式中：e、e '分别为地球椭圆的第一、二偏心率，L为转换为弧度的坐标经度，B为转 换为弧度的坐标炜度，Lo为坐标所在的高斯-克吕格投影分带的中央子午线到本初子午线 的弧度，Y〇为坐标所在的高斯-克吕格投影分带的Y基准坐标。
[0014] 步骤四中，使用步骤二获得的允许最长距离Lmax对步骤三得到的轨迹点集合Ρ进行 划分，并对划分后的轨迹进行插点操作，得到轨迹片段集合PIP2, ...，Pm，具体为：
[0015] 依次计算步骤三得到的坐标点集合P中相邻两点距离^，l〈i彡Ν'，对于现有轨 迹Pj，j〈M，如果H<Zmax，则将?^作为最后一个点插入到Pj中，并以Pi为起点开始构建轨 迹 Pj+i;
[0016] 距离的计算方法为：
[0018] 轨迹划分完毕后，对其进行插值操作。
[0019] 插值操作的具体方法是：
[0020] 对于给定长度L和第i段轨迹中相邻轨迹点Pij和pi(j+1)，i彡M，j〈Ni，
[0021] 若工< py/;;w+1)，则按照每两个插值点间距离不超过L的规则在Plj和p lG+1)之间插入
个点。
[0022] 步骤五中，在计算每一段轨迹的面积si的过程中，剔除轨迹交叠的轨迹点，累加得 到总作业面积S，具体为：
[0023] 对于步骤四得到的插值后的轨迹片段匕中的一点PU，依次遍历其之前的相邻点plk 和口地+1)(1〈1^-1)小1^[^0<+1)坐标不同；以/^/^+1)为长，幅宽1为宽小1^[^0< +1)点分别作 为宽边的中点构造矩形Ak;判断Plj点是否位于矩形Ak内，若 Plj位于某个Ak内，则标记Plj为内 部并跳出此次遍历，否则标记PU为外部；
[0024]令pik= (xi，yi)，pi(k+i) = (X2，y2)，pij = (x，y)，判断pij在Ak内的依据为：
如果$矣x2且少丨矣少2
[0026]当me [0，1]且nG [-1,1]时，认为pij点位于矩形Ak内；
[0027]得到的Plj贡献的作业面积^^为：
如果/?y在矩形内 如果/^^和/?都在矩形外 如果在矩形内且&在矩形外
[0029] 最终将所有的轨迹的面积相加，得到最终总作业面积S: Ari U
[0030] s：j - Sfj (/'= 1，2, ).，S - '^Λs：j 〇 J=1 !=1
[0031] 本发明有效的利用了作业轨迹的几何特点，能够利用作业轨迹信息快速计算出作 业面积，同时可以在一定程度上剔除重复耕作的面积，具有实现简单，计算量小，精确度高 的特点。
【附图说明】
[0032] 图1是本基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积计算方法的工作流程图； [0033]图2是农机作业轨迹示意图；
[0034]图3是农机作业轨迹划分示意图；
[0035]图4是构造矩形以及判断轨迹点是否在构造矩形内示意图；
[0036]图5是三种不同情况下轨迹点贡献的面积计算示意图；
【具体实施方式】
[0037]【具体实施方式】一、结合图1至图5说明本【具体实施方式】，基于耕作轨迹等效矩形累 加的农机作业面积测量方法，它包括以下步骤：
[0038]步骤一、通过车载GPS设备获得大小为N点农机作业轨迹点集合Q，Q中每个轨迹点 qi包含经度ai和炜度bi(i = l，2, . . .，N)，轨迹点按照时间顺序排列，并将获得的数据保存在 计算机存储设备中；
[0039] 步骤二、输入作业幅宽W和允许最长距离Lmax，当相邻两个轨迹点的距离大于L max 时，认为路径断开；
[0040] 步骤三、对步骤一获得的作业轨迹点集合Q进行过滤，去除漂移的坐标点，并使用 高斯-克吕格投影变换将轨迹点从大地坐标系转换为平面坐标系( Xl，)，获得大小为N'（N' <N)的新的轨迹点集合P;
[0041] 步骤四、使用步骤二获得的允许最长距离Lmax对步骤三得到的轨迹点集合P进行划 分，并对划分后的轨迹进行插点操作，得到轨迹片段集合PIP2,.. .，Pm(M<N'），每段的点数 为Ni(i = l，2, · · ·Μ);
[0042] 步骤五、根据本基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积计算方法计算每一段 轨迹的面积si(i = l，2, . . .Μ)，累加得到总作业面积S，计算过程中剔除轨迹交叠的轨迹点， 保证计算结果的准确性。
[0043]其中，在步骤三中，首先判轨迹点是否在中国国境内，允许的坐标炜度范围为： [3.86° N，53.55° N]，允许的坐标经度范围为：[73.66°E，135.05° E]。若轨迹点未处在此范围 内，则认为坐标点存在较大漂移，予以剔除。使用高斯-克吕格投影变换对轨迹点进行坐标 转换可以方便后续的计算，其转换公式为：
[0045]进一步的，在步骤四中，依次计算步骤三得到的坐标点集合P中相邻两点距离 Ι?^ρ, (K/</V)。对于现有轨迹Pj( j〈M)，如果/n, < ，则将Pi-^为最后一个点插入到 Pj中，并以Pi为起点开始构建轨迹Pj+i。距离的计算方法为：
[0047]轨迹划分完毕后，对其进行插值操作，提高结果精度。具体插值方法为，对于给定 长度L和第i段（i <M)轨迹中相邻轨迹点Pij，Pi(j+1) (j〈Ni)，若A < /n+1，，则按照每两个插 值点间距离不超过L的规则在Plj和ρι?+1)之间插入
个点。最坏情况下，共需要计算 个点。
[0048]
进一步的，在步骤五中，对于步骤四得到的插值后的轨迹片段匕中的一点pu(j〈 Ni)，依次遍历其之前的相邻点pik和pi(k+i)(l〈k〈j-l)，pik和pi(k+i)坐标不同。以/?α. +1)为 长，幅宽W为宽，Pik和pi(k+i)点分别作为宽边的中点构造矩形Ak。判断pij点是否位于矩形Ak 内，若Pij位于某个Ak内，则标记pij为内部;并跳出此次遍历，否则标记pij为外部。
[0049]令pik=(xi，yi)，pi(k+i) = (X2，y2)，pij = (x，y)，判断pij在Ak内的依据为：
[0051]当me [0，1]且nG [-1,1]时，认为pij点位于矩形Ak内。
[0052]得到的Plj贡献的作业面积^^为：
[0054] 最终将所有的轨迹的面积相加即可得到最终总作业面积S: ^ Μ
[0055] (/ = 1,2,.Μ), Λ' = Τ]λ·, /=1
[0056]发明原理：图2是农机作业轨迹示意图，在实际作业过程中，车载GPS设备每隔固定 时间t便会获取一次当前经炜度αι=(&1，Μ，其中ai表示经度，匕表示炜度。粗略来说，当使 用十进制表示的经炜度精确到小数点后七位时，定位精度可以达到米级。
[0057]经过步骤三处理后的作业轨迹与幅宽W共同构成了作业区域，而本申请所求的作 业面积即为此作业区域面积。
[0058] 定位过程中可能会出现定位点漂移或未定位的现象，在计算作业面积前，通过步 骤三，本专利首先去除偏离实际作业较大的作业点，减小计算误差。同时车辆可能在不同的 地块进行作业，为了减小算法每次遍历的计算量，有必要对不同地块的作业轨迹进行切分。 这里通过步骤四，采用了 Lmax作为切分的阈值。当按照时间先后顺序排列的作业轨迹点中相 邻两点的距离大于Lmax时，断开路径，如图3所示。
[0059] 在对作业轨迹完成预处理后，使用步骤五计算作业面积。对于任意一条轨迹片段， 从第二个点开始，计算此点与其前一点的构造矩形A k。图4是构造示意图。矩形稍长方向的 中线β和与中线垂直的矩形的一条宽边的一半S作为正交基，则两条正交基的坐标原点 Pi(k+1)到轨迹上的其他任意点Pij表示的向量/>,a_+1|jpy都可以用这个正交基表示。如果Pij在Ak 内，则和?的投影长度应i亥小于1。
[0060] 接下来的步骤用于去除路径的重耕面积。图5是三种不同情况下的面积示意图。若 坐标点落在已计算轨迹内，则不计算此点面积。若此点在已计算轨迹外，而且其前一点也在 轨迹外，说明此段轨迹与现有轨迹可能不重复，总面积中加入此部分面积。此两点间的距离 越长，造成的误差越大，所以在步骤四中对轨迹进行插点操作，就是为了提高轨迹分辨率， 减小对于重耕的错误判断造成的误差。若此点在已计算轨迹外，但其前一点在已计算轨迹 内，则选取已计算轨迹中距离此点最近的点，计算它们之间的面积加入到总面积中。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，其特征是:它包括以下步骤： 步骤一、通过车载GPS设备获得大小为N点的农机作业轨迹点集合Q，N为正整数;所述农 机作业轨迹点集合Q中每个轨迹点qi包含经度ai和炜度bi，i = l，2, . . .，N，所述轨迹点qi按 照时间顺序排列，并将获得的数据保存在计算机存储设备中； 步骤二、输入作业幅宽W和允许最长距离Lmax，当相邻两个轨迹点的距离大于Lmax时，认 为路径断开； 步骤三、对步骤一获得的农机作业轨迹点集合Q进行过滤，去除漂移的坐标点，并使用 高斯-克吕格投影变换法将轨迹点从大地坐标系转换为平面坐标系(Xl，yi)，获得大小为Y 的新的轨迹点集合P，M <N; 步骤四、使用步骤二获得的允许最长距离Lmax对步骤三得到的轨迹点集合P进行划分， 并对划分后的轨迹进行插点操作，得到轨迹片段集合P^P2, ... ，每段的点数为 Ni,i = l,2,. . .M； 步骤五、计算每一段轨迹的面积S1，累加得到总作业面积S。2. 根据权利要求1所述的基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，其特 征在于步骤三中，使用高斯-克吕格投影变换将轨迹点从大地坐标系转换为平面坐标系 (XiJi)，具体为：式中：e、e'分别为地球椭圆的第一、二偏心率，L为转换为弧度的坐标经度，B为转换为 弧度的坐标炜度，Lo为坐标所在的高斯-克吕格投影分带的中央子午线到本初子午线的弧 度，Yo为坐标所在的高斯-克吕格投影分带的Y基准坐标。3. 根据权利要求1所述的基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，其特 征在于步骤四中，使用步骤二获得的允许最长距离L max对步骤三得到的轨迹点集合P进行划 分，并对划分后的轨迹进行插点操作，得到轨迹片段集合P1,P 2,...，Pm，具体为： 依次计算步骤三得到的坐标点集合P中相邻两点距离^,KiSf，对于现有轨迹 Pj，j<M，如果<Zmix，则将Pi-i作为最后一个点插入到Pj中，并以Pi为起点开始构建轨 迹 Pj+i; 距离的计算方法为：轨迹划分完毕后，对其进行插值操作。4.根据权利要求3所述的基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，其特 征在于插值操作的具体方法是： 对于给定长度L和第i段轨迹中相邻轨迹点Pij和pi(j+1)，i彡M，j<Ni， 若Z</^,Y,+ri，则按照每两个插值点间距离不超过L的规则在PldPp lU + 1)之间插入b.很烟仪利安求3所述的基于耕作轨迹等效矩形累加的农机作业面积测量方法，其特 征在于步骤五中，在计算每一段轨迹的面积Si的过程中，剔除轨迹交叠的轨迹点，累加得到 总作业面积S，具体为： 对于步骤四得到的插值后的轨迹片段Pj中的一点PU，依次遍历其之前的相邻点Plk和 Pi(k+i) (I <k< j-1)，pik和Pi(k+i)坐标不同；以/W^+1)为长，幅宽W为宽，Pik和Pi(k+i)点分别作 为宽边的中点构造矩形Ak;判断Plj点是否位于矩形Ak内，若P lj位于某个Ak内，则标记Plj为内 部并跳出此次遍历，否则标记PU为外部；当mG [〇，1]且nG [-1,1]时，认为Pij点位于矩形Ak内； 得到的PU贡献的作业面积Slj为：最终将所有的轨迹的面积相加，得到最终总作业面积S:
【文档编号】G01B21/28GK106017400SQ201610551043
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】尹振东, 张瑞鹏, 吴芝路, 郭铁成, 杨柱天
【申请人】哈尔滨工业大学