本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)自動化測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種機耕面積自動測算方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

農(nóng)業(yè)自動化與精細農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。在這個發(fā)展的過程中，需要將大量新技術(shù)應(yīng)用其中，包括GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))技術(shù)，測量技術(shù)等。而大多數(shù)的農(nóng)業(yè)自動化和精細農(nóng)業(yè)都需要機耕面積的測算。根據(jù)實際情況，機耕面積測算的方式一般有兩種，分別是輪廓圍繞方式和軌跡方式。

輪廓圍繞方式即圍繞所需測量的地塊一周，即可得到地塊的面積。軌跡方式即跟隨機耕設(shè)備的軌跡，根據(jù)機械的工作寬度和工作軌跡計算耕作面積。輪廓圍繞方式的算法相對來說已經(jīng)比較成熟，其測量精度主要和GNSS定位精度有關(guān)，而軌跡方式目前的測量精度普遍較低，除了和GNSS定位精度有關(guān)外，由于機耕手的駕駛誤差，導(dǎo)致有漏耕和交叉重復(fù)耕作的現(xiàn)象發(fā)生，而目前的軌跡方式面積測算方法難以消除交叉重復(fù)面積，這也影響了最終的測算精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決以上方法中存在的問題，本發(fā)明提供了一種新型機耕面積自動測算方法、裝置及系統(tǒng)。

本發(fā)明技術(shù)方案提供一種機耕面積自動測算方法，包括以下步驟，

步驟1，設(shè)機耕工作寬度為W，GNSS接收機天線安裝于耕具中心位置，隨耕作機械運動，記錄經(jīng)過的軌跡坐標(biāo)；

步驟2，確定軌跡坐標(biāo)中X的最大值Xmax、X的最小值Xmin、Y的最大值Ymax和Y的最小值Ymin；則地塊的X方向最大寬度為Xmax-Xmin，Y方向最大寬度為Ymax-Ymin；根據(jù)預(yù)設(shè)的整數(shù)D值，初始化一個二維的數(shù)組M，第一維的大小比地塊的X最大寬度大D，第二維的大小比地塊的Y最大寬度大D；數(shù)組M中各元素初始值為0；

步驟3，按照記錄的軌跡坐標(biāo)時間順序，取兩個相鄰的坐標(biāo)連線作為中線，長度記為L，以已知的機耕工作寬度W為寬度，生成一個矩形；

設(shè)上一個記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₀，Y₀)，當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₁，Y₁)，則

軌跡長度

軌跡方向角度α＝arctg(Y₁-Y₀)/(X₁-X₀)

該軌跡的耕作范圍形成一個矩形，四個頂點分別為A,B,C,D，坐標(biāo)(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)、(X_D，Y_D)分別如下，

步驟4，連接A,B,C,D四個點，得到矩形的四個邊；將該矩形的四個邊的X坐標(biāo)減去(Xmin-D/2)，Y坐標(biāo)減去(Ymin-D/2)，進行平移；然后將X、Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成數(shù)組M的第一維和第二維編號，置入數(shù)組M；

步驟5，將數(shù)組M中該矩形所包圍的形狀之內(nèi)的各個元素值加一；

步驟6，取下一軌跡坐標(biāo)作為新的當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)(X₁，Y₁)，返回步驟3，依次處理，直到軌跡中所有坐標(biāo)處理完畢，進入步驟7；

步驟7，令當(dāng)前數(shù)組M內(nèi)的元素值代表相應(yīng)被耕作過幾次，統(tǒng)計數(shù)組M中大于0的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到耕作的有效面積準(zhǔn)確值；統(tǒng)計數(shù)組M中大于1的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到交叉重復(fù)耕作的面積；

步驟8，用數(shù)組M中的第一維編號作為X坐標(biāo)，第二維編號作為Y坐標(biāo)，根據(jù)元素值表示耕作情況。

而且，長度單位為分米，面積單位為平方分米。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種機耕面積自動測算裝置，包括微處理器、存儲器、顯示模塊、通訊模塊、GNSS接收機和GNSS天線，微處理器分別連接GNSS接收機、存儲器、顯示模塊和通訊模塊，GNSS接收機連接GNSS天線。

而且，耕作機械運作起來以后，微處理器控制通訊模塊獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，并送給GNSS接收機，GNSS接收機將經(jīng)過差分之后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，微處理器按照時間順序?qū)④壽E坐標(biāo)數(shù)據(jù)存入存儲器中；微處理器根據(jù)存儲的軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行處理。

所述機耕面積自動測算裝置，用于執(zhí)行上述機耕面積自動測算方法。

本發(fā)明還相應(yīng)提供一種機耕面積自動測算系統(tǒng)，包括以下單元，

第一單元，用于設(shè)機耕工作寬度為W，GNSS接收機天線安裝于耕具中心位置，隨耕作機械運動，記錄經(jīng)過的軌跡坐標(biāo)；

第二單元，用于確定軌跡坐標(biāo)中X的最大值Xmax、X的最小值Xmin、Y的最大值Ymax和Y的最小值Ymin；則地塊的X方向最大寬度為Xmax-Xmin，Y方向最大寬度為Ymax-Ymin；根據(jù)預(yù)設(shè)的整數(shù)D值，初始化一個二維的數(shù)組M，第一維的大小比地塊的X最大寬度大D，第二維的大小比地塊的Y最大寬度大D；數(shù)組M中各元素初始值為0；

第三單元，用于按照記錄的軌跡坐標(biāo)時間順序，取兩個相鄰的坐標(biāo)連線作為中線，長度記為L，以已知的機耕工作寬度W為寬度，生成一個矩形；

設(shè)上一個記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₀，Y₀)，當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₁，Y₁)，則

軌跡長度

軌跡方向角度α＝arctg(Y₁-Y₀)/(X₁-X₀)

該軌跡的耕作范圍形成一個矩形，四個頂點分別為A,B,C,D，坐標(biāo)(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)、(X_D，Y_D)分別如下，

第四單元，用于連接A,B,C,D四個點，得到矩形的四個邊；將該矩形的四個邊的X坐標(biāo)減去(Xmin-D/2)，Y坐標(biāo)減去(Ymin-D/2)，進行平移；然后將X、Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成數(shù)組M的第一維和第二維編號，置入數(shù)組M；

第五單元，用于將數(shù)組M中該矩形所包圍的形狀之內(nèi)的各個元素值加一；

第六單元，用于取下一軌跡坐標(biāo)作為新的當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)(X₁，Y₁)，命令第三單元工作，依次處理，直到軌跡中所有坐標(biāo)處理完畢，命令第七單元工作；

第七單元，用于令當(dāng)前數(shù)組M內(nèi)的元素值代表相應(yīng)被耕作過幾次，統(tǒng)計數(shù)組M中大于0的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到耕作的有效面積準(zhǔn)確值；統(tǒng)計數(shù)組M中大于1的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到交叉重復(fù)耕作的面積；

第八單元，用于用數(shù)組M中的第一維編號作為X坐標(biāo)，第二維編號作為Y坐標(biāo)，根據(jù)元素值表示耕作情況。

而且，長度單位為分米，面積單位為平方分米。

本發(fā)明采用一種新穎的填充式面積測算技術(shù)方案，結(jié)合GNSS接收機差分(可以使用實時動態(tài)差分法RTK或者連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)CORS等手段)方式，消除了傳統(tǒng)方法無法處理交叉重復(fù)耕作的誤差，提高了軌跡方式測算面積的精度，并可以直觀顯示漏耕和交叉重復(fù)耕作的具體位置，對機耕質(zhì)量提高也有幫助。本發(fā)明實現(xiàn)簡單，成本低廉，同時能夠提高測算結(jié)果精度，對于我國的農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展有重要作用，具有重大的市場價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中用相鄰的軌跡坐標(biāo)和耕作寬度形成耕作矩形的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中數(shù)組M與實際耕作情況的關(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中的裝置結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。

本發(fā)明實施例提供的填充式面積測算方法包括以下步驟：

設(shè)以下長度單位均為分米，面積單位為平方分米。為了在精度和占用資源之間取得一個平衡，并考慮GNSS定位的實際精度，長度單位取整數(shù)分米，具體實施也可采用其他單位。為了能夠方便數(shù)組的建立，一般應(yīng)取整數(shù)。

1，設(shè)機耕工作寬度為W，GNSS接收機天線安裝于耕具中心位置，隨耕作機械運動，記錄經(jīng)過的軌跡坐標(biāo)。

實施例將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為局部平面直角坐標(biāo)系，東西向為X，東向為正，南北向為Y，北為正。

2，求得軌跡坐標(biāo)中X的最大值Xmax，X的最小值Xmin，Y的最大值Ymax，Y的最小值Ymin。則地塊的X方向最大寬度為Xmax-Xmin，Y方向最大寬度為Ymax-Ymin。初始化一個二維的數(shù)組M，第一維的大小比地塊的X最大寬度(以分米計)大D，D為一個整數(shù)，例如D＝50，第二維的大小比地塊的Y最大寬度(以分米計)也大D，目的是容納耕作寬度，一般的耕作寬度不會超過10米。數(shù)組M中各元素初始值為0。

3，將記錄的軌跡坐標(biāo)按照時間順序，以每兩個相鄰的坐標(biāo)連線作為中線，相應(yīng)長度記為L，以已知的機耕工作寬度W為寬度，生成一個矩形。

參見圖1，假定上一個記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₀，Y₀)，當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₁，Y₁)，則：

軌跡長度

軌跡方向角度α＝arctg(Y₁-Y₀)/(X₁-X₀) 公式2

該軌跡的耕作范圍形成一個矩形，其四個頂點分別為A,B,C,D，其坐標(biāo)(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)、(X_D，Y_D)分別為：

4，連接A,B,C,D四個點，得到矩形的四個邊。將該矩形的四個邊的X坐標(biāo)減去(Xmin-D/2)，例如D＝50，則需要將X坐標(biāo)減去(Xmin-25)，Y坐標(biāo)也同樣減去(Ymin-D/2)，即進行平移，目的是落入數(shù)組M的范圍。然后將X，Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成數(shù)組M的第一維和第二維編號，置入數(shù)組M(具體實施時用通用的計算機圖形學(xué)方法即可實現(xiàn)，本發(fā)明不予贅述)。

5，將數(shù)組M中該矩形所包圍的形狀之內(nèi)的各個元素值加一，也就是進行一次填充(具體實施時用通用的計算機圖形學(xué)方法即可實現(xiàn)，本發(fā)明不予贅述)。

6，將當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)(X₁，Y₁)作為新的(X₀，Y₀)，取下一軌跡坐標(biāo)作為新的當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)(X₁，Y₁)，返回步驟3，依次將時間上相鄰的軌跡坐標(biāo)按照上述的方法處理，直到軌跡中所有坐標(biāo)處理完畢，進入步驟7。

7，此時，數(shù)組M內(nèi)的元素值代表了耕地內(nèi)的耕作狀況。元素值為0的，表示未被耕作，元素值大于0的，表示被耕作過，元素值等于幾，就表示被耕作過幾次。參見圖2，空白處未被耕作，M中元素值為初始值0，耕作過一次對應(yīng)的元素為1，耕作過兩次對應(yīng)的元素為2。

統(tǒng)計數(shù)組M中大于0的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積(由于此處每格的長度為1分米，因此單位面積為平方分米)，即得到耕作的有效面積準(zhǔn)確值。進一步地，可以統(tǒng)計數(shù)組M中大于1的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積(由于此處每格的長度為1分米，因此單位面積為平方分米)，即得到交叉重復(fù)耕作的面積。

8，用數(shù)組M中的第一維編號作為X坐標(biāo)，第二維編號作為Y坐標(biāo)，并以不同顏色代表不同元素值，可直觀表示正常耕作、重復(fù)耕作、漏耕等耕作情況。

具體實施時，以上流程可基于軟件方式實現(xiàn)自動運行流程。進一步地，本發(fā)明提供了從采集、存儲到處理的全套裝置，包括微處理器、存儲器、顯示模塊、通訊模塊、GNSS接收機和GNSS天線，微處理器可采用MCU，存儲器可采用FLASH。參見圖3，本發(fā)明填充式面積測算方法可采用以下裝置實現(xiàn)：

1，帶有載波相位差分功能的GNSS接收機(可以是RTK方式或者是CORS方式)以及配套天線。實施例使用Hemisphere的ECLIPSE P203單頻低成本GNSS接收機。

2，微處理器MCU，實施例使用STM32F105

3,存儲器FLASH，實施例使用了W25Q32

4，通訊模塊，用于和CORS服務(wù)器通信，實施例使用MC75i

5，顯示裝置，實施例使用320240E LCD模塊

微處理器MCU分別連接GNSS接收機、存儲器FLASH、顯示模塊和通訊模塊，GNSS接收機連接GNSS天線。

基于以上裝置，運行實施實施例所提供流程的工作過程舉例如下：

假設(shè)耕作寬度W為40分米，該值是公式3中的必要參數(shù)，直接影響計算出的矩形坐標(biāo)的四個角的坐標(biāo)。

1，耕作機械運作起來以后，微處理器MCU控制通訊模塊從CORS獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，并送給GNSS接收機，GNSS接收機將經(jīng)過差分之后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給微處理器MCU，微處理器MCU按照時間順序?qū)④壽E坐標(biāo)數(shù)據(jù)存入FLASH中；

2，整個地塊耕作完畢后，MCU做從本步驟到步驟8的工作。將FLASH中所有的坐標(biāo)進行比較，得到該地塊的X,Y方向最大值和最小值，單位使用分米，以確定數(shù)組M的大小。方法是，

例如，假設(shè)該地塊X方向最大值為Xmax＝500分米，最小值為Xmin＝150分米，Y方向最大值為Ymax＝400分米，最小值Ymin＝20分米，則X方向長度為Xmax-Xmin＝350分米，Y方向長度為Ymax-Ymin＝380分米，數(shù)組M的第一維大小設(shè)置為350+50＝400，第二維大小設(shè)置為380+50＝430，即可將該地塊分割成1分米乘以1分米的單位面積，每個元素對應(yīng)一個單位面積，并可容納因為耕作寬度造成的邊界擴大。

初始化數(shù)組M，元素值全部置零。

3，將軌跡坐標(biāo)順序取出，將相鄰的兩個坐標(biāo)作為矩形的中線生成矩形，然后將X坐標(biāo)減去Xmin，Y坐標(biāo)減去Ymin.

例如，取出的兩個坐標(biāo)為(480,300)，(495,305),則根據(jù)公式2和公式3，可以得到生成的矩形的四個角坐標(biāo)為：

(474，319)，(489，324)，(501，286)，(486，281)

4，由于四個點的X或者Y坐標(biāo)可能超出數(shù)組M的大小，因此，將矩形的四個角的X坐標(biāo)減去(Xmin-25),Y坐標(biāo)減去(Ymin-25)，平移進數(shù)組M的范圍內(nèi)。

例如針對剛才的一組坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理，X坐標(biāo)超出數(shù)組M的大小(474>400，489>400，501>400，486>400)平移之后的矩形四個角坐標(biāo)：

(349，324)，(364，329)，(376，291)，(361，286)

現(xiàn)在四個角的坐標(biāo)都在數(shù)組M的大小范圍內(nèi)。

5，填充平移后的矩形，將數(shù)組M中，元素位置位于步驟5中四個坐標(biāo)圍成的矩形的內(nèi)部的元素值加1。

例如針對步驟5中的示例坐標(biāo)，數(shù)組M中值為1的元素形成了一個以M(349，324)，M(364，329)，M(376，291)，M(361，286)為頂點的矩形。該矩形中的元素個數(shù)就是以軌跡(480,300)，(495,305)的耕作面積。

6，返回步驟3，重復(fù)步驟3-6，直到軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)全部處理完。此時，數(shù)組M中的元素有的仍然為零，有的是1，有的可能大于1。

7，統(tǒng)計數(shù)組M中大于零的元素個數(shù)，即為已經(jīng)耕作過的面積(單位是平方分米)。統(tǒng)計數(shù)組M中大于1的元素個數(shù)，即為重復(fù)耕作的面積(單位是平方分米)。

8，將數(shù)組M按照元素值繪制成平面圖，不同顏色代表不同的值，可清晰看到重復(fù)耕作以及漏耕位置的情況。具體實施時，可從MCU輸出到顯示模塊實現(xiàn)展示。

具體實施時，還可以采用模塊化方式實現(xiàn)本發(fā)明的流程。本發(fā)明實施例還相應(yīng)提供一種機耕面積自動測算系統(tǒng)，包括以下單元，

第一單元，用于設(shè)機耕工作寬度為W，GNSS接收機天線安裝于耕具中心位置，隨耕作機械運動，記錄經(jīng)過的軌跡坐標(biāo)；

第二單元，用于確定軌跡坐標(biāo)中X的最大值Xmax、X的最小值Xmin、Y的最大值Ymax和Y的最小值Ymin；則地塊的X方向最大寬度為Xmax-Xmin，Y方向最大寬度為Ymax-Ymin；根據(jù)預(yù)設(shè)的整數(shù)D值，初始化一個二維的數(shù)組M，第一維的大小比地塊的X最大寬度大D，第二維的大小比地塊的Y最大寬度大D；數(shù)組M中各元素初始值為0；

第三單元，用于按照記錄的軌跡坐標(biāo)時間順序，取兩個相鄰的坐標(biāo)連線作為中線，長度記為L，以已知的機耕工作寬度W為寬度，生成一個矩形；

設(shè)上一個記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₀，Y₀)，當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)為(X₁，Y₁)，則

軌跡長度

軌跡方向角度α＝arctg(Y₁-Y₀)/(X₁-X₀)

該軌跡的耕作范圍形成一個矩形，四個頂點分別為A,B,C,D，坐標(biāo)(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)、(X_D，Y_D)分別如下，

第四單元，用于連接A,B,C,D四個點，得到矩形的四個邊；將該矩形的四個邊的X坐標(biāo)減去(Xmin-D/2)，Y坐標(biāo)減去(Ymin-D/2)，進行平移；然后將X、Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成數(shù)組M的第一維和第二維編號，置入數(shù)組M；

第五單元，用于將數(shù)組M中該矩形所包圍的形狀之內(nèi)的各個元素值加一；

第六單元，用于取下一軌跡坐標(biāo)作為新的當(dāng)前記錄的軌跡坐標(biāo)(X₁，Y₁)，命令第三單元工作，依次處理，直到軌跡中所有坐標(biāo)處理完畢，命令第七單元工作；

第七單元，用于令當(dāng)前數(shù)組M內(nèi)的元素值代表相應(yīng)被耕作過幾次，統(tǒng)計數(shù)組M中大于0的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到耕作的有效面積準(zhǔn)確值；統(tǒng)計數(shù)組M中大于1的元素的個數(shù)，然后乘以單位面積，得到交叉重復(fù)耕作的面積；

第八單元，用于用數(shù)組M中的第一維編號作為X坐標(biāo)，第二維編號作為Y坐標(biāo)，根據(jù)元素值表示耕作情況。

需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的。因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。