一种基于北斗定位的地块面积测量装置与方法与流程

本发明属于农业技术领域，涉及一种面积测量仪，特别为涉及一种基于北斗定位的地块面积测量装置与方法。

背景技术：

在各种地块上作业时，作业面积都是一种关键的数据。比如绿化面积测量，草坪维护计价，农田作业面积测量计价等，一般情况下，通常根据经验数据粗略估计，或者人工用米尺手动测量计算。但是在地块形状不规则或者数据精度要求较高的情况下，人工测量费时费力并且较难达到要求的精度。

目前市面上常见的面积测量装置，其功能主要是针对农田的面积测量及计价。比如，2010年3月17日授权公开的cn101672639a的发明专利公开了一种基于gps农田作业面积测量系统及测量方法，手持绕测量面积一周，根据gps定位坐标点计算面积并显示，这种方法目前已经广泛应用于面积测量领域。基于此方法，为节省时间提高作业效率，2014年5月14日公开的cn103791879a的发明专利公开了一种基于gps面积测量仪的面积测量方法，将手持式gps面积测量仪通过伸缩杆铰接在收割机上，收割机第一圈沿农田边缘收割，在作业的同时测量出农田面积，省去手持测量的时间，但是该方法灵活性不够，在遇到障碍或者边缘不规则无法按照边缘行走时，仍需手持测量。

随着我国自主的北斗卫星定位系统的日趋成熟完善，在亚太地区已经能够提供实时的经纬度、高程等导航定位信息，精度与gps相当，因基于北斗的定位测量方法也逐渐应用在卫星定位导航的各个方面。2016年12月21日公开的发明专利cn106248040a发明专利就公开了一种基于北斗gps双模定位的农田面积测量装置，采用双模定位的方法避免了单gps定位系统易受环境影响的情况。但是北斗卫星定位系统仍然是作为gps系统的辅助而存在的，目前市面上很少有面积测量仪是完全依靠北斗卫星定位系统实现的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于北斗定位的地块面积测量装置与方法，依靠北斗定位实现地块边缘位置点的精确定位，并通过定位结果进行面积计算，同时具备计价器的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于北斗定位的地块面积测量装置(如图1所示)，组成包括北斗信号接收模块、单片机模块、语音播报模块、交互式触摸屏模块以及电源模块；所述单片机分别与北斗信号接收模块、语音播报模块、交互式触摸屏模块相连；

所述北斗信号接收模块由北斗内置天线、北斗信号接收模块以及外围电路组成；所述电源模块由蓄电池供电，通过电压转换模块为北斗信号接收模块、单片机、语音播报模块的电源接口提供稳定电压；所述交互式触摸屏实时显示当前坐标点，可通过屏幕修正存在明显误差的坐标点，在计价模式下通过交互式触摸屏输入作业单价进行计价；所述语音播报模块在行进方向发生改变时提示当前方向发生改变，在测量结束时自动播报面积测量结果及计价结果；所述单片机实时接收北斗信号接收模块发送的经纬度数据进行进一步的滤波处理去除异常点，获得较为准确的经纬度数据，面积测量时，直接将结果输出到交互式触摸屏上显示，计价模式时，除了显示播报测量面积，单片机接收屏幕输入的单价信息，乘以面积后显示计价结果在屏幕上，并通过语音播报模块进行语音播报。

装置外部设有按键，控制电源开关，选择测量模式。

作为本发明的进一步说明，所述电源模块包括蓄电池、电压转换模块，通过所述电压转换模块转换输出指定电压，将输出电压连接到北斗信号接收模块、单片机、语音播报模块的电源接口。

作为本发明的进一步说明，所述外部按键与单片机io口连接，实现电源的控制及测量模式的选择。

作为本发明的进一步说明，所述交互式触摸屏采用lcd显示单元，通过所述lcd显示单元输入参数与指令。

作为本发明的进一步说明，所述单片机采用stm32f407，芯片连接有触摸屏驱动器，驱动器连接到交互式触摸屏。

作为本发明的进一步说明，所述语音播报模块包括语音模块和扬声器，所述语音模块通过io口与单片机连接，由单片机控制输出语音提示。

作为本发明的进一步说明，所述测量模式包括自动/手动的面积测量模式和计价模式，面积测量模式下，lcd屏显示面积测量结果，计价模式下，通过lcd屏幕输入相应单价乘以测量面积进行计算。

作为本发明的进一步说明，所述面积测量模式分为自动测量和手动测量，当地块形状不规则时选择自动测量进行连续定位测量，绘制地块形状，当地块形状为规则形状时可以选择手动测量，在地块各个拐点进行定点测量，提高测量效率。

作为本发明的进一步说明，自动测量时，当坐标点的方向发生大于45度的明显改变时，所述单片机通过所述语音模块播报提示当前行进方向发生改变，并将当前坐标点在所述交互式触摸屏上用红点加亮显示，如果实际方向并没有发生改变，那么由人工通过所述交互式触摸屏手动修正该点。

作为本发明的进一步说明，测量过程中，通过比对实时行进轨迹和交互式触摸屏上的坐标点及实时绘制的轨迹路线，轨迹发生明显偏移时，通过触摸屏选中坐标点，当坐标点高亮显示时，该点可修改，通过上下左右平移该坐标点，修正该点，移动时轨迹路线实时调整，直至符合实际行进轨迹，点击屏幕空白处确认坐标点的修正。行进过程中以及测量完成时均可通过移动坐标点来修正行走轨迹。

基于上述测量装置，本发明的地块面积测量方法如下：

s1选定起始点后，启动装置开始测量，沿着地块边缘行进，行进过程中，单片机不断接收定位信号，将异常经纬度数据对应的坐标点剔除后，在屏幕上显示坐标点，并将已经测定的坐标点连接绘制成线。

s2行进过程中方向发生改变时，单片机接收到信号确定坐标点后，会立即通过语音播报模块进行提示，如果实际行进方向未发生改变，可及时手动修正。

s3行进过程中当屏幕上显示的坐标点与实际行进路线发生明显偏移时，可暂时停止行进，手动移动偏移的坐标点直到符合实际轨迹路线；如图5所示，(a)表示人工修正前的轨迹图形(b)表示修正后的轨迹图形。

s4测量完成后，形成闭合轨迹图，当轨迹图与实际测量地块的图形有明显出入时，此时通过移动屏幕上的坐标来修正图形。

s5面积测量模式下，轨迹图形绘制完成后，自动计算地块面积，并将测量结果直观显示在交互式触摸屏上，同时语音播报当前面积测量结果。

s6面积测量完成后，如果有计价需要，点击计价模式，通过触摸屏控制光标输入单价进行计算，屏幕实时显示计价结果，并语音播报。

本发明提供了一种基于卡尔曼滤波处理定位过程中异常经纬度数据坐标点的方法，方法如下：

1、首先建立卡尔曼滤波模型，步骤如下

1)建立动力学方程和观测方程：

式(1)为动态方程，式(2)为观测方程，符号‘^’表示估计值，k表示观测时刻，xk+1表示k+1时刻的预测值，zk+1表示k+1时刻的观测值，φk+1,k状态转移矩阵，hk+1为观测矩阵，wk为过程噪声，qk为动态噪声，vk为量测噪声，rk为观测噪声vk的协方差阵。

2)根据观测矩阵hk、观测值协方差阵rk和误差协方差阵pk得到增益矩阵，

3)计算预测值，更新协方差阵，

4)最后更新预测值，

式中，符号‘-’表示预测，通过递推估计依次代入上述方程式可得到滤波后的值

2、利用上述卡尔曼滤波模型剔除异常经纬度坐标点，如图2所示，具体操作步骤如下：

1)确定初始位置：在测量起始点至少进行10次有效的点采集，对采集到的经纬度数据进行过滤处理，经度过滤阈值lonfilter和纬度过滤阈值latfilter由上述北斗信号接收模块的性能确定。设连续测量起始点的位置数据15次，依次记为d1，d2…d15，从d1开始对其余数据进行交叉比较，得到差值δd12＝|d1-d2|，δd13＝|d1-d3|…。当存在差值超过过滤阈值时，则该数据判为疑似错点，怀疑值加一，当怀疑值超过有效测量次数的半数时，该点被判定为错点，该位置数据被剔除。遍历位置数据剔除掉所有的错点后，将剩余位置数据的算数平均值记为有效的初始位置数据p0。

2)确定相邻位置点更新的阈值：设t时刻的位置最佳估计值为pt，t-1时刻的最佳估计值为pt-1，将t时刻的最佳估计值与t-1时刻的最佳估计值作差并取绝对值，得到t-1到t时刻的单位时间内的变化值δpt,t-1＝|pt-pt-1|，将从0时刻开始的每一单位时间变化值取平均得到相邻时刻变化平均值记为δpt。

δp0参考正常成人行走速度设置，δpt与定位频次同步更新。相邻位置点阈值记为δpt±a，a为正常行走时每时刻变化值差值的最大值，由人工重复多次测量确定。

3)初始位置p0及初始参考阈值δp0确定完毕后开始测量。

4)将上述确定的初始位置p0代入卡尔曼滤波模型结合当前1时刻的观测位置p′1计算得到1时刻滤波后位置p″1。

5)确定比例系数k：记δp′1＝|p′1-p0|，δp′1为观测位置数据与初始位置数据的差值绝对值。将δp′1与初始参考阈值δp0±a比较，δp′1在参考阈值范围内，那么观测位置在与滤波后位置加权求和时的系数k可取较大值，否则观测值属于非正常值，系数k取小值。

6)根据上述k值，对观测位置和滤波后位置加权求和得到最佳估计值，确定为1时刻的位置。

7)更新2时刻的参考阈值δp1±a。

8)t时刻时，将t-1时刻时的位置pt-1代入，依照步骤4)计算得到t时刻的滤波后位置p″t。

9)重复步骤5)，比较t时刻的位置变化值δp′t与t时刻参考阈值δpt-1±a，确定比例系数k。

10)重复步骤6)，根据上述k值确定t时刻位置pt。

pt＝k·pt′+(1-k)·p″t(10)

11)更新t+1时刻参考阈值δpt±a。

12)重复上述步骤8)、9)、10)、11)直至测量结束。

本发明提供了一种地块面积为不规则曲线图形的面积计算方法，根据图形坐标确定不规则区域的最小外切矩形，如图3-4所示，则该矩形面积可表示为所求的不规则图形面积s0和由矩形边及不规则图形边界组成的四个区域面积之和，将四个边界区域依次记为s1，s2，s3，s4。

那么，假设最小外切矩形的长宽为a，b，则矩形面积s＝s0+s1+s2+s3+s4。

所以，s0＝s-(s1+s2+s3+s4)＝ab-(s1+s2+s3+s4)(11)

分别计算s1，s2，s3，s4的面积，即可得到所求不规则区域s0的面积。计算s1，s2，s3，s4的方法步骤如下，以s1为例：

1、s1为区域1的面积，区域1由两条直角边和一条曲线斜边围成，以两条直角边分别作x轴和y轴建立直角坐标系。

2、当曲线斜边上的点坐标x和y是一对一时，即曲线段在上述直角坐标系下可表示为y＝f(x)时，先对斜边曲线段进行划分，以曲线上的凹点或凸点为分割点划分曲线段，设该段曲线有n个分割点，则将区域1划分为n+1个近似曲边直角梯形。

3、对第k条曲线段依次进行拟合，

1)当拟合结果为直线时直接计算直角梯形的面积，

式中，0<k≤n+1，共n+1个分割图形，yk+1和yk为分割点的y轴坐标，表示梯形的上下边的长度，xk和xk+1为分割点的x轴坐标，xk+1-xk表示梯形高。

2)当拟合为曲线时，设拟合曲线为f(x)，用定积分求该分割区域面积，

其中，0<k≤n+1，xk和xk+1为该曲边梯形的底边端点的x轴坐标。

4、依次计算n+1个小区域的面积，则可得到区域1的面积s1，

s1＝s11+s12+s13+…+s1(n+1)(14)

同理可得s2，s3，s4，代入式(9)得到所求不规则区域面积s0。

上述过程中，当s1的曲线段不能表示为y＝f(x)时，则对该曲线段进一步的分割，使其在局部区域内存在y和x一对一对应，进一步将s1划分为若干个小区域，依次对小区域重复上述3、4，得到每个小区域的面积，进而得到s1。

本发明提供了一种基于北斗卫星定位的地块面积测量装置与方法，该测量方法和装置用途广泛，不仅可以应用于农田作业面积测量，还可以应用于小区、公园绿化面积、建筑面积测量以及各种面积测量，尤其是各种不规则地块的面积测量。

本发明公开了一种基于北斗卫星定位的地块面积测量装置与方法，所述装置具备功能有：能够实时显示当前卫星搜星数以及信号强度；手持该装置围绕待测地块一周，连续不间断的对行进过程的坐标点定位，定位坐标发生明显的方向改变时语音提示并且在交互式触摸屏上标红该点，同时可手动对明显的偏差坐标点手动调整至合适位置；地块形状绘制完成后，单片机控制单元自动输出面积并播报，轨迹图形与实际不一致时可通过人工调整坐标点的方式修正坐标点重新绘制轨迹图形；可在交互式触摸屏上输入单价，实现计价器功能。

本发明的有益效果：

1、该基于北斗定位的地块面积测量装置与方法，采用北斗独立定位，充分发挥了北斗卫星在农业领域的作用；在单片机通过数据预处理、卡尔曼滤波等方法对定位数据进行优化，提高定位的精度；通过交互式触摸屏可直观的显示定位坐标点、行进轨迹以及地块形状，坐标点可手动修正；语音播报模块在行进轨迹方向发生偏转时提示，可有效避免粗大误差，降低面积测量误差；对于不规则地块的面积测量，本发明能够准确定位地块边缘的坐标点，并可人工进行复核修正，对于不规则地块边缘形状的绘制更加贴合实际形状，同时面积计算采取分割曲线分割的方法，使曲线拟合程度更高，与实际曲线误差更小，使得面积测量精度更高。

2、本发明采用我国自主研发的北斗卫星定位系统，具有完全的知识产权，能够长时间有效安全定位，受自然环境影响较小，在保证精度的同时，系统的安全性、可靠性得到提高。

3、本发明可以应对各种室外面积测量需要，包括农田作业面积测量，小区、公园绿化面积测量等，应用范围广。

4、本发明操作简单，开机即用，无需复杂的人工操作，只需手持装置绕测量地块一周，即可完成测量，对操作人员没有专业的知识要求，方便各种测量人员的需要。

5、本发明组成结构简单，无需任何外接设备，采用蓄电池供电，可独立工作。

附图说明

图1为本发明基于北斗卫星定位的地块面积测量装置组成框图

图2为本发明基于卡尔曼滤波处理异常跳点的算法框图

图3为本发明不规则轨迹图形面积计算时外切矩形示意图

图4为本发明不规则图形外部区域分割示意图

图5为本发明手动修改坐标效果示意图；

(a)表示人工修正前的轨迹图形(b)表示修正后的轨迹图形

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的基于北斗卫星定位的地块面积测量装置，包括北斗信号接收模块、单片机、交互式触摸屏、外部按键、语音播报模块和电源模块等。北斗信号接收模块接收北斗卫星信号；单片机采用stm32f407，基于armcortexm4内核，具有丰富的外设接口，主频达168mhz，能够迅速处理大量的数据，进行复杂运算，满足该装置对大量数据处理以及实时性的要求；交互式触摸屏显示测量结果，并接收外部触摸输入信号；外部按键根据实际测量需要选择测量模式；语音播报模块自动播报测量结果，并在测量过程中提示转向点；电源模块采用24v蓄电池供电，通过电压转换模块稳压输出12v，5v电压，为单片机、北斗信号接收模块等供电；

所述北斗信号接收模块直接与单片机stm32f407连接，采集实时测量点的定位数据。

所述交互式触摸屏直接与单片机stm32f407连接，接收单片机发送的结果数据，并显示实时坐标点和边缘轨迹，当有外部触摸信号输入时，将信号传输到单片机识别处理。

所述外部按键直接与单片机相连，单片机按键输入信号，确定测量模式。

所述语音播报模块直接与单片机stm32f407连接，用来在测量过程中进行相关提示，测量完成后播报测量结果。

外部按键选择自动测量模式，对于确定测量地块起始点要求选择交界点，即地块边缘方向发生改变的点，便于测量。

本发明提供的地块面积测量方法如下：

s1选定起始点后，启动装置开始测量，沿着地块边缘行进，行进过程中，单片机不断接收定位信号，在屏幕上显示坐标点，并将已经测定的坐标点连接绘制成线。

s2行进过程中方向发生改变时，单片机接收到信号确定坐标点后，会立即通过语音播报模块进行提示，如果实际行进方向未发生改变，可及时手动修正。

s3行进过程中当屏幕上显示的坐标点与实际行进路线发生明显偏移时，可暂时停止行进，手动移动偏移的坐标点直到符合实际轨迹路线。

s4测量完成后，形成闭合轨迹图，当轨迹图与实际测量地块的图形有明显出入时，此时通过移动屏幕上的坐标来修正图形。

s5面积测量模式下，轨迹图形绘制完成后，自动将测量结果直观显示在交互式触摸屏上，同时语音播报当前面积测量结果。

s6面积测量完成后，如果有计价需要，点击计价模式，通过触摸屏控制光标输入单价进行计算，屏幕实时显示计价结果，并语音播报。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。