專利名稱：一種基于gps控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土地精細(xì)平整技術(shù)，特別涉及一種基于GPS控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)
量方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾的突出，改進(jìn)地面灌溉技術(shù)、提高農(nóng)田平整程度已成為當(dāng)今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的重要組成部分。平整土地可以起到提高田間地面灌溉效率和灌水均勻度的作用，是改進(jìn)地面灌溉方法的重要技術(shù)要素之一。目前在農(nóng)田平整作業(yè)方面，平地的方法主要有三種，即常規(guī)平地，激光控制平地以及GPS控制平地。常規(guī)平地方法中采用的平地設(shè)備一般包括推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)和刮平機(jī)等，該種常規(guī)的土地平整設(shè)備具有土方運(yùn)移量大、平地費(fèi)用相對(duì)較低的特點(diǎn)，適合于地面起伏較大、原始平整程度較差的農(nóng)田粗平作業(yè)，可有效改變農(nóng)田的宏觀地形。這種常規(guī)土地平整的效果主要取決于推土機(jī)和刮平機(jī)的施工精度。但是由于推土機(jī)的升降采用手工控制，操作人員不能精確地控制其抬升或下落的高度，而刮平機(jī)的鏟運(yùn)刀口與設(shè)備行進(jìn)裝置間的相對(duì)位置固定，故平地施工時(shí)刀口將隨輪胎沿地面微地形的變化上下起伏，刮平及修整田面的效果有限。因此，受常規(guī)平地機(jī)具設(shè)備自身缺陷和人工操作精度較低等不利條件的影響，當(dāng)平地效果達(dá)到一定平整程度后很難再有所提高，難以滿足農(nóng)田土地精細(xì)灌溉的要求。激光控制平地技術(shù)是利用激光束掃射形成參照平面作為非視覺(jué)操作控制手段，代替常規(guī)平地設(shè)備操作人員的目測(cè)判斷能力來(lái)自動(dòng)控制液壓平地機(jī)具刀口的升降，從而能夠大幅度提高土地的平整精度，其感應(yīng)系統(tǒng)的靈敏性至少比人工視覺(jué)判斷和拖拉機(jī)操作人員的手動(dòng)液壓控制系統(tǒng)精確10 50倍。但激光平地的作業(yè)范圍有限，當(dāng)土地長(zhǎng)度超出激光發(fā)射器的有效發(fā)射距離時(shí)，需要搬動(dòng)且重新固定發(fā)射器的位置，影響作業(yè)效率，同時(shí)，由于激光接收器的接收范圍有限，會(huì)出現(xiàn)在平地中丟失激光信號(hào)的現(xiàn)象，不適宜大范圍土地平整作業(yè)。GPS控制平地技術(shù)是利用GPS接收機(jī)和獲取測(cè)量點(diǎn)的位置信息，通過(guò)一定算法計(jì)算出預(yù)設(shè)基準(zhǔn)高程與挖填土方量，根據(jù)高程差輸出控制信號(hào)從而控制平地機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。GPS控制平地技術(shù)基本適用于全國(guó)各種地形，相對(duì)于上述兩種方法，自動(dòng)化程度較高，且不受陽(yáng)光、風(fēng)力、地勢(shì)起伏等外界因素的影響，有著較好的工作效率與發(fā)展前景。在GPS控制平地作業(yè)前，常常需要計(jì)算土方的工作量，例如，一些農(nóng)機(jī)服務(wù)機(jī)構(gòu)或農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)戶需要根據(jù)作業(yè)移運(yùn)的土方量進(jìn)行收費(fèi)等。傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法有斷面法、方格網(wǎng)法、散點(diǎn)法等。斷面法適合高差相差較大地形；方格網(wǎng)法適合平坦地區(qū)及高差相差不大的地形；散點(diǎn)法適合地形雖有起伏，但變化比較均勻的地形。理論上，方格網(wǎng)法和散點(diǎn)法都可以用來(lái)計(jì)算GPS控制平地作業(yè)的土方量計(jì)算，但是，GPS控制平地系統(tǒng)通常采用微處理器作為CPU進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，而方格網(wǎng)法和散點(diǎn)法都存在手動(dòng)測(cè)量環(huán)節(jié)，例如，散點(diǎn)法需要手動(dòng)測(cè)量處于設(shè)計(jì)標(biāo)高的地形的面積，而手工計(jì)算土方量繁瑣、復(fù)雜，并且效率低下，而且調(diào)整計(jì)算和重新計(jì)算一樣，都是簡(jiǎn)單重復(fù)性工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以這些方法難以通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算。因此，現(xiàn)有技術(shù)仍有待于改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于GPS控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)平地作業(yè)時(shí)土方量的自動(dòng)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):本發(fā)明提供一種基于GPS控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)量方法，包括以下步驟:S1、計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值均值，將所述均值作為該待測(cè)農(nóng)田的高程值；S2、將所述待測(cè)農(nóng)田分割為多個(gè)相同的矩形柵格，分別獲取所述每個(gè)柵格內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并將其均值作為所述每個(gè)柵格的高程值；S3、根據(jù)所述待測(cè)農(nóng)田的高程值和所述每個(gè)柵格的高程值，計(jì)算該待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量和填方土方量。優(yōu)選的，所述步驟SI前還包括:S0、對(duì)于平地機(jī)，測(cè)量其平地鏟的寬度，預(yù)設(shè)其接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的頻率，以確定所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)位置。優(yōu)選的，所述步驟SO進(jìn)一步包括:S01、對(duì)于平地機(jī)，測(cè)量其平地鏟的寬度L，預(yù)設(shè)其接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的頻率f，其中，所述平地鏟距離地表的高度為HL ；S02、所述平地機(jī)從待測(cè)農(nóng)田的一端開(kāi)始，沿直線在所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)行走并以所述頻率f接收GPS數(shù)據(jù)的高程值，在所述待測(cè)農(nóng)田中形成寬度為L(zhǎng)的第一矩形區(qū)域；S03、當(dāng)所述平地機(jī)到達(dá)該待測(cè)農(nóng)田的另一端時(shí)，其返回行程與其相鄰的矩形區(qū)域間隔為0，同時(shí)以所述頻率f接收GPS數(shù)據(jù)的高程值，并重復(fù)步驟S03，直至所述平地機(jī)在所述待測(cè)農(nóng)田中行走完畢，所述待測(cè)農(nóng)田被依次分成多個(gè)寬度為L(zhǎng)的矩形區(qū)域；S04、將所述待測(cè)農(nóng)田中接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的點(diǎn)作為其測(cè)量點(diǎn)。優(yōu)選的，所述步驟SI進(jìn)一步包括:所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值為該測(cè)量點(diǎn)接收到的GPS數(shù)據(jù)的高程值與所述平地鏟距離地表高度^的差值；所述待測(cè)農(nóng)田的高程值Hara為所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值均值。優(yōu)選的，所述步驟S2進(jìn)一步包括:S21、預(yù)設(shè)矩形長(zhǎng)度M，設(shè)置所述第一矩形區(qū)域中第一個(gè)接收到GPS數(shù)據(jù)高程值的測(cè)量點(diǎn)為起始點(diǎn)；從所述起 始點(diǎn)開(kāi)始，將該第一矩形區(qū)域分割為多個(gè)寬度為L(zhǎng),長(zhǎng)度為M的矩形柵格；S22、當(dāng)分割所述待測(cè)農(nóng)田中剩余矩形區(qū)域時(shí)，依次獲取該矩形區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)，并判斷所述測(cè)量點(diǎn)到已分割的相鄰矩形區(qū)域的相鄰邊的投影是否在所述已分割的相鄰矩形區(qū)域內(nèi)，若是，則以該測(cè)量點(diǎn)為起始點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)的所述矩形區(qū)域分割為多個(gè)寬度為L(zhǎng)，長(zhǎng)度為M的矩形柵格；若不是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟S22 ；S23、分別獲取所述每個(gè)柵格內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)GPS數(shù)據(jù)的高程值并計(jì)算其均值，該均值為所述每個(gè)柵格的高程值。優(yōu)選的，所述步驟S3進(jìn)一步包括:S31、計(jì)算所有柵格高程值小于待測(cè)農(nóng)田高程值Hara的和，記作Σ H’f ;S32、根據(jù)所述步驟S31的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp ；S33、計(jì)算所有柵格高程值小于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和，記作Σ Hf ;計(jì)算所有柵格高程值大于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和，記作Σ Hc ；S34、根據(jù)所述步驟S33的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量和填方土方量。優(yōu)選的，所述步驟S32中計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的公式為:
權(quán)利要求
1.一種基于GPS控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值均值，將所述均值作為該待測(cè)農(nóng)田的高程值； S2、將所述待測(cè)農(nóng)田分割為多個(gè)相同的矩形柵格，分別獲取所述每個(gè)柵格內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并將其均值作為所述每個(gè)柵格的高程值； S3、根據(jù)所述待測(cè)農(nóng)田的高程值和所述每個(gè)柵格的高程值，計(jì)算該待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量和填方土方量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟SI前還包括: SO、對(duì)于平地機(jī)，測(cè)量其平地鏟的寬度，預(yù)設(shè)其接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的頻率，以確定所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟SO進(jìn)一步包括: S01、對(duì)于平地機(jī)，測(cè)量其平地鏟的寬度L，預(yù)設(shè)其接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的頻率f，其中，所述平地鏟距離地表的高度為^; S02、所述平地機(jī)從待測(cè)農(nóng)田的一端開(kāi)始，沿直線在所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)行走并以所述頻率f接收GPS數(shù)據(jù)的高程值，在所述待測(cè)農(nóng)田中形成寬度為L(zhǎng)的第一矩形區(qū)域； S03、當(dāng)所述平地機(jī)到達(dá)該待測(cè)農(nóng)田的另一端時(shí)，其返回行程與其相鄰的矩形區(qū)域間隔為0，同時(shí)以所述頻率f接收GPS數(shù)據(jù)的高程值，并重復(fù)步驟S03，直至所述平地機(jī)在所述待測(cè)農(nóng)田中行走完畢，所述待測(cè)農(nóng)田被依次分成多個(gè)寬度為L(zhǎng)的矩形區(qū)域； S04、將所述待測(cè)農(nóng)田中接收GPS數(shù)據(jù)的高程值的點(diǎn)作為其測(cè)量點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟SI進(jìn)一步包括: 所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值為該測(cè)量點(diǎn)接收到的GPS數(shù)據(jù)的高程值與所述平地鏟距離地表高度氏的差值； 所述待測(cè)農(nóng)田的高程值Hara為所述待測(cè)農(nóng)田內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值均值。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S2進(jìn)一步包括: S21、預(yù)設(shè)矩形長(zhǎng)度M，設(shè)置所述第一矩形區(qū)域中第一個(gè)接收到GPS數(shù)據(jù)高程值的測(cè)量點(diǎn)為起始點(diǎn)；從所述起始點(diǎn)開(kāi)始，將該第一矩形區(qū)域分割為多個(gè)寬度為L(zhǎng),長(zhǎng)度為M的矩形柵格； S22、當(dāng)分割所述待測(cè)農(nóng)田中剩余矩形區(qū)域時(shí)，依次獲取該矩形區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)，并判斷所述測(cè)量點(diǎn)到已分割的相鄰矩形區(qū)域的相鄰邊的投影是否在所述已分割的相鄰矩形區(qū)域內(nèi)，若是，則以該測(cè)量點(diǎn)為起始點(diǎn)，將其對(duì)應(yīng)的所述矩形區(qū)域分割為多個(gè)寬度為L(zhǎng)，長(zhǎng)度為M的矩形柵格；若不是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟S22 ； S23、分別獲取所述每個(gè)柵格內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)GPS數(shù)據(jù)的高程值并計(jì)算其均值，該均值為所述每個(gè)柵格的高程值。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S3進(jìn)一步包括: S31、計(jì)算所有柵格高程值小于待測(cè)農(nóng)田高程值Haw的和，記作ΣH’f; S32、根據(jù)所述步驟S31的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp； S33、計(jì)算所有柵格高程值小于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和，記作Σ Hf ;計(jì)算所有柵格高程值大于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和，記作Σ Hc ； S34、根據(jù)所述步驟S33的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量和填方土方量。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟S32中計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的公式為:
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S34中計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量Σ C的公式為:Σ C=ML Σ He 計(jì)算所述待測(cè)農(nóng)田的填方土方量Σ F的公式為:Σ F=ML Σ Hf 其中，所述M、L分別為所述矩形柵格的長(zhǎng)和寬，所述Σ H。為所有柵格高程值大于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和，所述Σ Hf為所有柵格高程值小于待測(cè)農(nóng)田的預(yù)期高程值Hexp的和。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于GPS控制平地系統(tǒng)的土方量測(cè)量方法，包括S1、計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并計(jì)算待測(cè)農(nóng)田內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的高程值均值，將所述均值作為該待測(cè)農(nóng)田的高程值；S2、將所述待測(cè)農(nóng)田分割為多個(gè)相同的矩形柵格，分別獲取所述每個(gè)柵格內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)GPS數(shù)據(jù)的高程值，并將其均值作為所述每個(gè)柵格的高程值；S3、根據(jù)所述待測(cè)農(nóng)田的高程值和所述每個(gè)柵格的高程值，計(jì)算該待測(cè)農(nóng)田的挖方土方量和填方土方量；本發(fā)明充分考慮了實(shí)際作業(yè)中的作業(yè)質(zhì)量、土壤種類、含水量等各種條件，使得基于GPS控制平地作業(yè)的挖方和填方土方量均能快速測(cè)量，適宜自動(dòng)化編程操作，同時(shí)降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01C5/00GK103196403SQ20131009265
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者劉剛, 司永勝, 王瀧, 李宏鵬, 孟慶寬 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)