一种基于几何方式统计农机工作面积的方法与流程

本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种基于几何方式统计农机工作面积的方法。

背景技术：

目前，在农业工作中的自动化比例越来越高，各种农机也是越来越多，那么当农机在田地里作业的时候，它所真正工作覆盖到的土地是农户最关心的内容，比如是否有哪块地漏喷了，这对作业的影响还是很大的。因为农机所覆盖的宽度是固定的，那么根据农机所走过的轨迹，原则上就可以计算出这台农机实际上工作的区域。目前已有的一些计算方法都是基于网格化方式来进行的，就是将田地划分为1米或几米见方的网格，当农机在网格上工作时，就认为这块土地已经被覆盖了。这种方式在大型农机工作的情况下问题不大，但随着无人植保的发展，这种网格化的方式就显得不够精确了。

无人机与传统拖拉机等农机不同，它是飞行在空中，并且飞行速度远大于普通农机，受风力和定位精度的影响较大，虽然可以应用RTK等方式将定位精度提高到厘米级别。但飞机在飞行过程中，仍然会被其它一些因素干扰，无法按照原有的规划飞出一条完美的轨迹。另外在一些复杂的环境下，自动飞行的风险过大，比如障碍太多，无法自动飞行，在这种条件下，仍需要飞手手动控制无人机进行作业。这样一来，无人机轨迹的变化就会就会更不准确。这时，网格化的统计方法就体现出不足了。因为网格化统计方式的精确度完全依赖于网格的精度，如果网格太大，那么就达不到精度要求；如果网格太小，精度虽然可以保证，但是网格数会以级数方式增长，在普通的便携设备上处理这么大的数据就显得力不从心了。

有鉴于此，研发设计出一种可避免网格化方式弊端的农机工作面积统计方法是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，从而提供了一种基于几何方式统计农机工作面积的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于几何方式统计农机工作面积的方法。该方法包括以下步骤：

1）将农机上传的定位点数据进行过滤处理，然后将过滤处理后留下的点依次连接，形成多条连续直线段，所述定位点数据包括位置信息和工作状态信息；

2）将简化的多条连续线段中的每条线段分别根据农机作业的宽度W生成一个四边形，每个四边形的两条对边a和b与对应的线段平行，未剔除点的起始点和结尾点的四边形边分别垂直于起始点与第二点所构成的线段和结尾点与倒数第二点所构成的线段；

3）将获取的多个四边形进行逻辑运算以获取一个多边形n，所述多边形n即为农机最终的工作的区域；

4）计算所述多边形n的面积Sn。

进一步地，所述步骤（1）将定位点数据进行过滤处理具体包括以下步骤：

1.1）将农机上传的定位点数据中的停止位置点进行剔除；

1.2）将完成步骤1.1）后的定位点数据中的非工作点进行剔除；

1.3）将完成步骤1.2）后的定位点数据中的漂移点进行剔除。

更进一步地，所述步骤1.1）具体包括：将距离小于设定阈值的前后两点合并为一个点。

更进一步地，所述步骤1.2）具体包括：将农机回传的工作状态下的定位点保留，未工作状态下的定位点剔除。

更进一步地，所述步骤1.3）具体包括：

1.3.1）将设定时间内已剔除停止位置点和非工作点的农机定位点中的首尾两点连一条直线L，计算其间所有点到直线L的距离，并找到最大距离值D_max，若D_max<=D_阈，则剔除中间所有点，保留首尾两点；

1.3.2）若D_max> D_阈，则以D_max点为界，将这组点分成两部分，对每一部分重复步骤1.3.1）过程，直到所有点都满足要求。

进一步地，所述步骤2）中每个四边形的边a与对应线段之间的距离D1大于或等于或小于边b与对应线段之间的距离D2，且D1+D2=W。

进一步地，所述步骤3)具体包括：将获取的多个四边形进行相并运算以获取一个多边形n，所述多边形n即为农机最终的工作区域。

进一步地，在所述步骤4)之后还包括获取农机未工作区域m的步骤5），所述步骤5）具体包括：将预先测得整个地块形状f与步骤3）中获取的多边形n进行相减运算。

进一步地，还可以包括获取农机重复工作区域p的步骤6），所述步骤6）具体包括：将步骤（2）中获取的所有四边形进行相交运算。

进一步地，所述步骤4)中Sn多通过下列公式获得：

其中，Sn为多边形计算出的面积，x_k为多边形第k个顶点的横坐标值，y_k为多边形第k个顶点的纵坐标值，n为多边形的顶点数。

本发明通过将定位点数据过滤后进行多边形分段拟合，然后再对多边形进行逻辑运算以获取各种统计数据，采用该种几何方式进行农机工作面积统计，避免了采用网格化方式中网格太大带来的精度低以及网格太小带来的数量大计算繁琐的问题，节省了计算时间和内存空间，提高了精度和工作效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于几何方式统计农机工作面积的方法流程图；

图2为本发明一种实施例的定位点数据过滤方法流程图；

图3为本发明一种实施例的定位漂移点的剔除方法流程图；

图4为本发明一种实施例的农机上传的定位点轨迹图；

图5为本发明一种实施例的农机上传的定位点经过数据过滤后的轨迹图；

图6为本发明一种实施例的农机上传的定位点经过数据过滤后的其中两条连续线段轨迹生成的四边形图；

图7为本发明另一种实施例的基于几何方式统计农机工作面积的方法流程图；

图8为本发明又一种实施例的基于几何方式统计农机工作面积的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，附图仅为示例性说明，并未按照严格比例绘制，而且其中可能有为描述便利而进行的局部放大、缩小，对于公知部分结构亦可能有一定缺省。

图1示意了本发明一种实施例的基于几何方式统计农机工作面积的方法流程，如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

在步骤101中，将农机上传的定位点数据进行过滤处理，然后将过滤处理后留下的点依次连接，形成多条连续直线段。其中，定位点数据包括位置信息和工作状态信息，农机上传的定位点轨迹可参见图4，过滤处理后的定位点轨迹可参见图5。

在步骤102中，将步骤101中简化的多条连续线段中的每条线段分别根据农机作业的宽度W生成一个四边形，每个四边形的两条对边a和b与对应的线段平行，未剔除点的起始点和结尾点的四边形边分别垂直于起始点与第二点所构成的线段和结尾点与倒数第二点所构成的线段。两条线段中间的多边形边是两条线段的角平分线。经过分段拟合之后，就可得到多个代表农机工作区域的四边形，a1，a2，a3……,an。

在步骤103中，将步骤102中获取的多个四边形进行逻辑运算以获取一个多边形n，该多边形n即为农机最终的工作的区域。比如图6所示的两条连续线段分别形成一个四边形，两个四边形构成一个多边形。

在步骤104中，计算步骤103中多边形n的面积Sn。

其中，本发明实施例步骤102中每个四边形的边a与对应线段之间的距离D1大于或等于或小于边b与对应线段之间的距离D2，且D1+D2=W。如图6示意了D1= D2的情况。D1和D2的距离也可根据实际情况而定，也可以是左右不完全相同，而且与农机前进方向有关。

步骤103中具体可将获取的多个代表农机工作区域的四边形a1，a2，a3……,an进行并运算，那么得到的最终的多边形就是农机所工作的形状n, n=a1∪a2∪a3……∪an。

步骤104中计算多边形n的面积Sn可通过下列公式获得：

其中，Sn为多边形计算出的面积，x_k为多边形第k个顶点的横坐标值，y_k为多边形第k个顶点的纵坐标值，n为多边形的顶点数。本发明实施例中的x_k和y_k都是直角坐标系下的值，是由农机上传的经纬度坐标值进一步转化而来。地球是一个球面，可以把农机工作的区域当成一个平面来处理，在工作区域内任意取一个点作为参考点，设为原点（0,0），其它点相对改点的偏移（以米为单位）作为它的新坐标，就可得到一个以米为单位的新的坐标系。

图2示意了本发明实施例的定位点数据进行过滤处理的方法流程，如图2所示，步骤101中，将农机上传的定位点数据进行过滤处理具体包括：

在步骤101-1中，将农机上传的定位点数据中的停止位置点进行剔除。当发现前后点的距离小于某一阈值（基本上就是定位精度）时，就认为此时农机没有移动，可以将两点合并成一点。这样也可减少后期对定位漂移数据进行剔除的运算量。

在步骤101-2中，将完成步骤101-1后的定位点数据中的非工作点进行剔除。在农机工作过程中，有些时候农机的移动并不伴随着工作的进行，比如无人机在换垄时是不喷洒的。那么在不工作的时候，无人机运动轨迹就可删除。这要求农机在每次回传位置数据的同时也要回传工作状态信息（比如是否喷洒）。

在步骤101-3中，将完成步骤101-2后的定位点数据中的漂移点进行剔除。在农机工作过程中，农机自身的定位（利用GPS或者北斗定位系统）会受到各种影响，在没有RTK的情况下，这个定位精度甚至可能会大于5米。因此必需要过滤这些点。因为农机基本上都是采用直线方式来行进的，因此本实施例可采用简单的直线拟合来对原始点进行过滤，设定一个漂移的阈值。在某一个点集内，找出一条直线，使得所有点距离这条直线的距离都在设定阈值内。这个点集的个数也不能太大，可以设置一个合适的范围，比如5秒内的定位点。

图3示意了本发明实施例的定位漂移点剔除方法，该方法具体包括以下步骤：

在步骤103-3-1中，将设定时间内已剔除停止位置点和非工作点的农机定位点中的首尾两点连一条直线L，计算其间所有点到直线L的距离，并找到最大距离值D_max，若D_max<=D_阈，则剔除中间所有点，保留首尾两点。

在步骤103-3-2中，若D_max> D_阈，则以D_max点为界，将这组点分成两部分，对每一部分重复步骤103-3-1过程，直到所有点都满足要求。

以一个具体实施例对本实施例中的定位漂移点剔除进行说明：假定5秒内采集的点总共9个点，第一点和第九点连接拉一条直线，第二点到第八点距离该条直线的距离值分别是：1.8，2.1，1.4，2.4，2.3，1.9，1.5。第五点为最大值 Dmax=2.4，设定阈值是2.5，Dmax<设定阈值是2.5，则将这9个点都保留。如果是第五点值是2.6，即Dmax=2.6，设定阈值是2.5，Dmax>设定阈值是2.5，则将第一点到第五点分为一组，第五点到第九点分为一组，第一点和第五点重新拉直线，第二点至第四点到该条直线的距离再与阈值2.5分别进行比较，若都在阈值范围内，则剔除第二点至第四个点，只保留第一和第五点；若不在，再按照上述方法重新拉线进行剔除或保留，直到所有点都满足要求。同样，第五点和第九点拉直线，第六点至第八点到该直线的距离再与阈值2.5进行比较，若都在阈值范围内，则剔除第六点至第八点，只保留第五点和第九点，若不在，再按照上述方法重新拉线进行剔除或保留，直到所有点都满足要求。

另外本发明还可以做出其它变化，如图7所示，在步骤104之后还可以包括获取农机未工作区域m的步骤105，步骤105具体包括：

将预先测得整个地块形状f与步骤103中获取的多边形n进行布尔运算中的相减运算。那么得到几何形状就是农机未工作区域的形状m，m=f-n。同样农机未工作形状m的面积Sm可通过上述多边形面积计算公式获得。

以及如图8所示，在步骤104之后还可以包括获取农机重复工作区域p的步骤106，步骤106具体包括：将步骤102中获取的四边形进行相交运算。p=a1∩a2∩a3……∩an。同样农机重复工作的形状p的面积Sp可通过上述多边形面积计算公式获得。

本发明上述方法可以在无人机的地面站，以及农机的实时监控软件中实现。地面站软件可以在收集农机位置数据的同时进行直线简化，这样可以节省一部分时间。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。