本发明涉及农机作业技术领域，更具体地，涉及一种农田作业面积计量方法及装置。
背景技术：
随着劳动力成本上涨和土地流转下的农业作业规模扩大，农业生产对机械化乃至机械化作业服务的迫切需求日渐凸显。作业面积是种植生产的核心指标，其是农机市场化服务背景下供需双方费用结算的基础，此外，作业面积也是农业政策性补贴结算的依据。特别是近些年农机监管手段和农业市场体系的快速发展，传统的农机购置补贴逐步转移到农机作业补贴上来，围绕着农机耕、种、管、收各环节进行作业科学管理和精准补贴。因此迫切需要实时精准的面积测量方法来进行农机作业服务和补贴费用结算，减少雇佣双方的矛盾以及保证补贴费用的有效发放。
传统的面积测量方法使用皮尺测量，为静态测量方法，耗费大量的人力和时间。随着全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)技术的不断发展，基于gps进行农机作业面积测量的方法完全不用靠人力且能实现动态测量，其可分为基于农机作业边界和基于农机作业轨迹两大类。
基于边界的面积估算方法可以测量不规则地块的面积，地块面积愈大，测量结果的精度愈高，但是该方法无法实时测量作业面积，效率较低。基于轨迹的面积测量方法实现了对单台农机的作业面积进行实时测量，例如车轮转数法、超声波法、距离测量法等，虽然实现了农机作业面积的实时测量，但在无导航重叠作业的情况下，测量精度受到较大影响。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的农田作业面积计量方法及装置。
根据本发明的一个方面，提供一种农田作业面积计量方法，包括：
基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；
对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；
对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；
将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
进一步，所述基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段，具体包括：
基于农机车载gps数据，筛选所述农机运动的轨迹点，所述轨迹点为所述gps数据中除漂移点和移动点以外的具有作业属性信息的数据；
依次连接所有的轨迹点，得到所述农机的运动轨迹线；
以相邻的两个轨迹点之间的连线作为一个基元线段，将所述运动轨迹线分割为若干基元线段。
进一步，所述基于农机车载gps数据，筛选所述农机运动的轨迹点，所述轨迹点为所述gps数据中除漂移点和移动点以外的具有作业属性信息的数据，具体包括：
基于农机车载gps数据，获取所述gps数据中的所有位置点，所述位置点至少包括位置的坐标、接收时间和作业属性；
计算所有位置点中任意位置点到第一相邻位置点之间的距离d，若所述距离d大于距离阈值d，则确认所述第一相邻位置点为飘移点；
获取所有位置点中除飘移点之外的第一剩余位置点；
获取所述第一剩余位置点中作业属性不属于预设移动点集合的第二剩余位置点；
计算所述第二剩余位置点中任意位置点到第二相邻位置点之间的时间差t，若所述时间差t大于预设时间阈值t，则确认所述第二相邻位置点为间隔点；
以所述第二剩余位置点中的间隔点为工作区域的起始点，结合所述第二剩余位置点中的其他位置点组成所述农机运动的轨迹点。
进一步，所述对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形，具体包括：
以每条基元线段为中心轴线，向两侧沿垂直方向平移缓冲距r，得到所述每条基元线段的外接矩形；所述缓冲距r为所述农机的作业幅宽的一半。
进一步，所述对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区，具体包括：
对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，以每个轨迹点为圆心，缓冲距r为半径，旋转一周得到所述每个轨迹点的缓冲区；所述缓冲距r为所述农机的作业幅宽的一半。
进一步，所述将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积，具体包括：
通过下式获取所述农机作业轨迹缓冲区b(l,r)：
其中，t(li,r)为基元线段li的外接矩形，b(pj,r)为轨迹点pi的缓冲区，r为缓冲矩，n为基元线段的总数，i，j为变量；
按照所述农机作业轨迹缓冲区的不规则多边形的顶点顺序依次求出所述不规则多边形的所有边与x轴或者y轴组成的梯形面积，以获取作业面积。
进一步，基于所有的梯形面积求和得到辛普森面积，获取所述辛普森面积的绝对值为所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
根据本发明的另一个方面，还提供一种农田作业面积计量装置，包括：
基元线段模块，用于基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；
外接矩形模块，用于对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；
轨迹缓冲区模块，用于对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；以及
作业面积模块，用于将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
根据本发明的另一个方面，还提供一种电子设备，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，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明农田作业面积计量方法及其任一可选实施例的方法。
根据本发明的另一个方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行本发明农田作业面积计量方法及其任一可选实施例的方法。
本发明提出一种农田作业面积计量方法，根据农机车载gps数据获取运动轨迹线，进而计算缓存区，从而获得农机作业的作业面积。本发明将基于曲线拓扑的缓冲区改进算法应用到基于农机运行轨迹的面积计算中，不仅克服了线要素缓冲区构建过程中存在的各类平行线失真现象，其计算结果也符合农机作业的实际情况，其测量误差能够满足农机作业面积测量精度的需求。
附图说明
图1为本发明实施例一种农田作业面积计量方法流程示意图；
图2为本发明实施例轨迹点筛选流程示意图；
图3为本发明实施例基于曲线拓扑的缓冲区改进算法示意图；
图4为本发明实施例一种辛普森面积计算原理示意图；
图5为本发明实施例一种电子设备的框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例一种农田作业面积计量方法流程示意图，如图1所示的农田作业面积计量方法，包括：
s100，基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；
所述农机车载gps数据为农机作业轨迹数据，包含农机运动的位置点信息，其位置点包括漂移点、移动点、轨迹点和间隔点。本发明实施例根据轨迹点进行处理。
s200，对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；
s300，对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；
本实施例步骤s200和s300之间没有先后执行的顺序关系，可以任意先后执行或同时执行。
s400，将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
具体的，由于农机作业特点，其作业轨迹是由若干条轨迹线段组成。当在轨迹两端时，农机不进行作业。因此，本发明基于曲线拓扑的缓冲区算法进行改进，除轨迹中第一段的起始点和最后一段的终止点外，其余的节点均生成缓冲区。
本发明实施例的算法原理如下：基于数据筛选后得到的农机的运动轨迹线；根据轨迹点将运动轨迹线分割成若干条基元线段，然后每条基元线段生成外接矩形；除了第一段的起始点和最后一段的终止点外，所有的轨迹点生成缓冲区；最后将基元线段的外接矩形与节点缓冲区合并，得到完整的农机作业轨迹缓冲区。
本发明实施例提出了一种新的农机作业面积的矢量缓冲区算法。该算法基于农机作业轨迹，根据基于曲线拓扑的线要素缓冲区对农机作业面积的进行实时测量，在无导航重叠作业的情况下，测量精度较稳定。
在一个可选的实施例中，步骤s100，所述基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段，具体包括：
基于农机车载gps数据，筛选所述农机运动的轨迹点，所述轨迹点为所述gps数据中除漂移点和移动点以外的具有作业属性信息的数据；
依次连接所有的轨迹点，得到所述农机的运动轨迹线；
以相邻的两个轨迹点之间的连线作为一个基元线段，将所述运动轨迹线分割为若干基元线段。
本发明实施例基于矢量缓冲区算法进行作业面积的计量，关键在于农机运行轨迹的识别和面积计算算法的研究。由于农机作业班次内具有不同的作业状态，获得的数据并不全是农机在田间作业而产生的轨迹数据，比如漂移点和移动点就不属于田间作业产生的轨迹，间隔点属于下一个作业区域的起点，如果将这些点都计算在内，会导致计算的作业面积误差增大。
因此准确判断农机在田间作业的轨迹点具有重要的意义。在此基础上，将改进后的能避免传统算法平行线失真现象的基于曲线拓扑的线要素缓冲区生成算法应用到基于农机运行轨迹的面积计算中，实现面积的实时准确测量。
下面给出了矢量缓冲区算法的具体步骤：
步骤1：设定一个距离阈值d；
步骤2：取相邻两点pi-1，pi，计算两点之间的距离d；
步骤3：如果d>d，则判定pi为漂移点，其不记录在作业轨迹内；
步骤4：判别pi作业属性r，若r∈φ，则pi为移动点，其不记录在作业轨迹内；
步骤5：设定一个时间长度t；
步骤6：取相邻两点pi-1，pi，计算获取两点的时间差t；
步骤7：如果t>t，则pi为间隔点，以pi为起始点进入下一个作业区域；
步骤8：根据步骤3、步骤4、步骤7所得的结果，生成农机作业轨迹l；
步骤9：假设农机作业轨迹l上有n+1个轨迹点p1，p2，…，pn+1，轨迹节点集p为
步骤10：根据步骤9的节点集p，按照时间顺序依次连接各节点生成基元线段l1，l2，…，ln，其基元线段集l为：
步骤11：除第一段的起始点和最后一段的终止点外，以其余每个节点pi为圆心，缓冲距r为半径，构造节点缓冲区b(pj,r)，w为农机具作业幅宽，其中缓冲距
步骤12：以每段基元线段li为中心轴线，构造基元线段外接矩形t(li,r)；
步骤13：将节点缓冲区b(pj,r)和线段的外接矩形t(li,r)求交合并，得到农机作业轨迹线的缓冲区b(l,r)，其数学表达式为：
步骤14：利用辛普森面积公式计算缓冲区多边形的面积。一个由n个顶点组成的多边形的辛普森面积为：
步骤15：缓冲区多边形面积a为其辛普森面积s的绝对值，即：
a＝|s|(6)
基于上述实施例，所述基于农机车载gps数据，筛选所述农机运动的轨迹点，所述轨迹点为所述gps数据中除漂移点和移动点以外的具有作业属性信息的数据，具体包括：
基于农机车载gps数据，获取所述gps数据中的所有位置点，所述位置点至少包括位置的坐标、接收时间和作业属性；
计算所有位置点中任意位置点到第一相邻位置点之间的距离d，若所述距离d大于距离阈值d，则确认所述第一相邻位置点为飘移点；
获取所有位置点中除飘移点之外的第一剩余位置点；
获取所述第一剩余位置点中作业属性不属于预设移动点集合的第二剩余位置点；
计算所述第二剩余位置点中任意位置点到第二相邻位置点之间的时间差t，若所述时间差t大于预设时间阈值t，则确认所述第二相邻位置点为间隔点；
以所述第二剩余位置点中的间隔点为工作区域的起始点，结合所述第二剩余位置点中的其他位置点组成所述农机运动的轨迹点。
本发明实施例中所述第二剩余位置点中的位置点为农机运动的轨迹点。对于每一个作业区域，农机进行作业有一个起始点；本发明实施例判断起始点的方法是根据时间来判断：当轨迹点中的一个轨迹点与上一个轨迹点的时间差达到预设时间阈值，即判断所述一个轨迹点为起始点，即本发明实施例中的间隔点，可通过间隔点来判断农机是否进入下一个作业区域。
请参考图2，图2为本发明实施例轨迹点筛选流程示意图。本发明实施例农机车载gps数据中的置点至少包括位置的坐标、接收时间和作业属性，其中所述作业属性为耕深。
针对漂移点、移动点、轨迹点和间隔点这四类点的特性，本发明实施例根据如下判别方法进行判断：
1)漂移点
由gps定位误差产生的的漂移点筛选方法具体如下：
①设定一个距离阈值d；
②取相邻两点pi-1，pi，计算两点之间的距离d；
③如果d>d，则判定pi为漂移点。
2)移动点
移动点的判别方法主要是根据其属性信息。即假设pi的作业属性为r，若r∈φ，则pi为移动点。
3)轨迹点
数据中除漂移点和移动点以外的具有作业属性信息的数据即为轨迹点。
4)间隔点
根据数据的接收时间信息来判定间断点。具体判别方法如下：
①设定一个时间长度t；
②取相邻两点pi-1，pi，计算获取两点的时间差t；
③如果t>t，则pi为间隔点，以pi为起始点进入下一个工作区域。
本发明实施例通过图2的流程，按照时间顺序依次取相邻两点进行数据筛选。基于该筛选过程，得到所有作业轨迹点，据此生成农机作业的准确轨迹，用于农机作业面积的计算。
在一个可选的实施例中，步骤s200，所述对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形，具体包括：
以每条基元线段为中心轴线，向两侧沿垂直方向平移缓冲距r，得到所述每条基元线段的外接矩形；所述缓冲距r为所述农机的作业幅宽的一半。
在一个可选的实施例中，步骤s300，所述对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区，具体包括：
对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，以每个轨迹点为圆心，缓冲距r为半径，旋转一周得到所述每个轨迹点的缓冲区；所述缓冲距r为所述农机的作业幅宽的一半。
具体的，基元线段的外接矩形和轨迹点的缓冲区请参考图3，其中r为：
基于上述实施例，步骤s400，所述将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积，具体包括：
通过下式获取所述农机作业轨迹缓冲区b(l,r)：
其中，t(li,r)为基元线段li的外接矩形，b(pj,r)为轨迹点pi的缓冲区，r为缓冲矩，n为基元线段的总数，i，j为变量；
按照所述农机作业轨迹缓冲区的不规则多边形的顶点顺序依次求出所述不规则多边形的所有边与x轴或者y轴组成的梯形面积，以获取作业面积。
请参考图3，农机作业轨迹可以看作是一组首尾相连的线段组，假设农机作业轨迹上有n+1个轨迹点，即p1，p2，…，pn+1，按照时间顺序依次连接各轨迹点，分别生成基元线段l1，l2，…，ln。则农机作业空间运行轨迹线的基元线段集l为式(2)：
农机作业空间运行轨迹线的节点集p为式(1)
根据每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并后得到农机作业轨迹缓冲区b(l,r)如式(4)。式(4)所表示的是：第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外，其余的轨迹点生成缓冲区，再与基元线段的外接矩形合并，得到农机轨迹的缓冲区。
假设生成的缓冲区为不规则多边形，可利用辛普森面积公式计算缓冲区多边形的面积。如图4所示，按照多边形的顶点顺序依次求出多边形所有边与x轴或者y轴组成的梯形面积，然后求其代数和。一个由n个顶点组成的多边形的辛普森面积为式(5)
进一步，基于所有的梯形面积求和得到辛普森面积，获取所述辛普森面积的绝对值为所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
具体的，当多边形顶点呈顺时针方向排列时所得辛普森面积为正值，逆时针方向排列时辛普森面积为负值，而缓冲区多边形面积a为其辛普森面积s的绝对值，即式(6)：
a＝|s|。
综上所述，本发明实施例将基于曲线拓扑的缓冲区改进算法应用到基于农机运行轨迹的面积计算中，根据农机车载gps数据获取运动轨迹线，进而计算缓存区，从而获得农机作业的作业面积，不仅克服了线要素缓冲区构建过程中存在的各类平行线失真现象，其计算结果也符合农机作业的实际情况，其测量误差能够满足农机作业面积测量精度的需求。
本发明实施例还提供一种农田作业面积计量装置，包括：
基元线段模块，用于基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；
外接矩形模块，用于对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；
轨迹缓冲区模块，用于对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；以及
作业面积模块，用于将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
本发明实施例的装置，可用于执行图1所示的农田作业面积计量方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图5示出了本发明实施例一种电子设备的框架示意图。
参照图5，所述设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；其中，所述处理器601和存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；
所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于农机车载gps数据，获得所述农机的运动轨迹线，并按运动轨迹线上的轨迹点将所述运动轨迹线分割成若干条基元线段；对于所述若干条基元线段中的每条基元线段，生成所述每条基元线段的外接矩形；对于除第一段基元线段的起始点和最后一段基元线段的终止点外的所有轨迹点，生成每个轨迹点的缓冲区；将所述每条基元线段的外接矩形和所述每个轨迹点的缓冲区合并，获得所述农机作业轨迹缓冲区，根据所述农机作业轨迹缓冲区计算作业面积。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。