收割機(jī)面積測量儀的功能原理及應(yīng)用
農(nóng)田面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一。田塊的大小直接決定了種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的投入量，也是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行田間作業(yè)計(jì)算工時(shí)和收費(fèi)的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的農(nóng)田面積大多使用皮尺測量，簡單實(shí)用，但只適合于小面積的矩形田塊，對于大面積的田塊，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易出差錯，并且難以測量不規(guī)則田塊的面積。GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)的經(jīng)度、緯度、高程等導(dǎo)航和定位信息，是支撐精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的核心技術(shù)之一。利用GPS 的定位功能，能夠測量農(nóng)田各個點(diǎn)的坐標(biāo)，從而為通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算農(nóng)田的距離、面積等數(shù)據(jù)提供了可能。本研究采用低成本的 GPS 模塊研制了便攜式面積測繪儀，實(shí)現(xiàn)對任意形狀區(qū)域的面積進(jìn)行快速的 GPS 定位測繪，使用便捷、準(zhǔn)確，價(jià)格低，在土地建設(shè)、規(guī)劃及農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)等方面應(yīng)用前景廣闊。
1農(nóng)收割機(jī)面積測量儀的研制
1.1 GPS 定位信息的獲取
全球定位系統(tǒng) GPS 可以向全球的用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候、高精度的三維位置、速度和時(shí)間信息。在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，GPS 定位系統(tǒng)主要用于農(nóng)田中大范圍、高精度、高密度的定位，能對測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位或?qū)ψ鳂I(yè)機(jī)械精確導(dǎo)航。全球定位系統(tǒng)主要由空間星座、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備三大部分組成。空間部分由 24 顆衛(wèi)星組成，分布在 6 個軌道面內(nèi)，每個軌道面上均勻分布4顆衛(wèi)星。GPS 衛(wèi)星的主要功能是接收地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，執(zhí)行監(jiān)控命令，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向用戶發(fā)送定位信息。地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站組成，包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站，其主要功能為對 GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，確定衛(wèi)星的軌道，推算出各衛(wèi)星的星歷、鐘差、導(dǎo)航電文等信息，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)。用戶設(shè)備主要由 GPS 接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，GPS 接收機(jī)的主要任務(wù)是接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，獲取必要的定位信息及觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后解算出自身的位置、速度、實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航等功能。通過 GPS 接收機(jī)就可以獲得 GPS 的定位信息。常用的 GPS 接收機(jī)可分為測量、導(dǎo)航、掌上機(jī)、OEM 板等多種類型，其性能和價(jià)格差別很大。本研究采用低成本的 GPS 模塊進(jìn)行定位，通過讀取相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)即可得到所需的定位信息，然后將經(jīng)緯度字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)字，再進(jìn)一步計(jì)算距離或面積。
1.2 面積計(jì)算方法
收割機(jī)面積測量儀沿農(nóng)田的邊界繞行一周，可測量到由多個點(diǎn)組成的一組定位數(shù)據(jù)，按時(shí)間次序依次記為（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn），其中 X 表示經(jīng)度，Y 表示緯度。將這些點(diǎn)依次連接成線，則構(gòu)成有n 個頂點(diǎn)的多邊形，為了簡化計(jì)算，我們將地球視為正球體。由于農(nóng)田測量中的距離較短，面積較小，通常小于 1 km2，因此由于簡化帶來的誤差可忽略不計(jì)。取地球半徑為 6 371 116 m，將采集點(diǎn)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)：
式中：R—地球半徑，x—經(jīng)度 /m，y—緯度 /m由于 x、y 的數(shù)值較大，如果直接來計(jì)算面積，會導(dǎo)致極大的計(jì)算誤差。因此將第一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以相對偏移量構(gòu)成新的坐標(biāo)系，對于多邊形圖形，可采用梯形法計(jì)算面積，進(jìn)而得到整個多邊形的面積。
1.3 收割機(jī)面積測量儀的設(shè)計(jì)
收割機(jī)面積測量儀主要由 GPS 模塊、通訊接口、89S52 單片機(jī)、鍵盤及顯示等電路組成。GPS 模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號，并以 NMEA 格式輸出定位信息。GPS模塊內(nèi)部集成了GPS 接收器、內(nèi)置天線、上電復(fù)位電路、信號接口等電路，采用3～5.5 V寬范圍低壓供電，具有 12 通道 2.5 m(CEP)的定位精度，同時(shí)它的體積較�。�45 mm×45 mm×9.7 mm），極低的功耗，非常適合于便攜式電池供電的測量系統(tǒng)中。單片機(jī)是測量儀的核心部分，系統(tǒng)采用美國 Atmel 公司的AT89S52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器，具有很高的性價(jià)比，實(shí)現(xiàn) GPS 數(shù)據(jù)的接收、處理、面積的計(jì)算、顯示、存儲等功能。1.4 計(jì)算機(jī) GIS 軟件設(shè)計(jì)
收割機(jī)面積測量儀具備了32K字節(jié)大容量的EEPROM存儲器，可以保存被測地塊的GPS定位數(shù)據(jù)，通過RS-232C 接口及數(shù)據(jù)發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的分析處理。上位計(jì)算機(jī)軟件采用 Visual Basic6.0結(jié)合MapObjects 地理信息系統(tǒng)控件開發(fā)而成 。MapObjects 由美國的 ESRI 環(huán)境研究所開發(fā)，利用MO可以在通用的編程語言上實(shí)現(xiàn)主要的地理信息系統(tǒng)功能。MapObjects 能夠顯示多個地圖層的地圖、顯示點(diǎn)、線、面等特征圖形、標(biāo)注字符、SQL 語句查詢、特征統(tǒng)計(jì)等功能。上位機(jī)軟件的主要功能模塊有：數(shù)據(jù)通訊、文件操作、圖形顯示、圖形修正、文本處理、信息顯示、圖形輸出等功能。
2收割機(jī)面積測量儀的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用
2.1 收割機(jī)面積測量儀的優(yōu)點(diǎn)
2.1.1 方便快捷、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確
該收割機(jī)面積測量儀可手持測量，體積小，攜帶、操作方便。通過全球定位系統(tǒng) GPS 獲取測量面積的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)計(jì)算獲得所測多邊形或不規(guī)則形狀農(nóng)田的面積，比人工測量精度高，滿足了農(nóng)田面積精確測量的實(shí)際需要。
2.1.2 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，滿足跨區(qū)作業(yè)的需要
采用低成本的 GPS 模塊進(jìn)行定位，通過自主開發(fā)研制，購置該收割機(jī)面積測量儀所需費(fèi)用較低，非常適用于普通農(nóng)戶或農(nóng)機(jī)手跨區(qū)機(jī)收、機(jī)耕作業(yè)使用。
2.1.3 測量準(zhǔn)確，公平公正，避免矛盾
該收割機(jī)面積測量儀對農(nóng)田面積測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，尤其對不規(guī)則形狀田塊面積測量準(zhǔn)確。因此，可以避免在土地整理、規(guī)劃建設(shè)中因面積計(jì)算帶來的矛盾，也可避免農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)收費(fèi)中因面積產(chǎn)生的糾紛，使相關(guān)的生產(chǎn)管理和農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)收費(fèi)等更加的公平公正。
2.2 收割機(jī)面積測量儀的應(yīng)用
2.2.1 農(nóng)田基本建設(shè)中土地整理
通過在土地整理中相關(guān)土地面積的準(zhǔn)確測量及定位，提高土地總體規(guī)劃與土地整理專項(xiàng)規(guī)劃中對田、水、路、林、村等綜合整治的力度和精度，有利于調(diào)整土地關(guān)系，改善土地利用結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)生活條件，增加可利用土地面積和有效耕地面積，提高土地利用率和產(chǎn)出率。
2.2.2 建設(shè)土地的規(guī)劃
通過對所轄范圍土地面積的精確測量及定位，科學(xué)合理的規(guī)劃農(nóng)田、道路、林網(wǎng)、溝渠等項(xiàng)目的綜合建設(shè)，規(guī)范居民及鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)用地，改善整體環(huán)境及維持生態(tài)平衡等。
2.2.3 農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)收費(fèi)
農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)中，收割機(jī)面積測量儀可以有效防止對方經(jīng)紀(jì)人或農(nóng)戶因少報(bào)農(nóng)田面積等產(chǎn)生的少付費(fèi)等情況，并解決不規(guī)則田塊無法正確計(jì)量的困難，避免因此產(chǎn)生的矛盾和糾紛。以海寧永興合作社為例，根據(jù)收割機(jī)抽樣調(diào)查（5 臺），因上述問題農(nóng)機(jī)手少收益農(nóng)田面積在 5％～15％（以 10％計(jì)算），平均每臺收割機(jī)每年跨區(qū)作業(yè)面積166.67hm2以上，每 667 m2收費(fèi) 60～80 元（以 60 元計(jì)算），每臺收割機(jī)每年損失15000元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于購置農(nóng)機(jī)作業(yè)面積測量儀的費(fèi)用。
2.2.4 農(nóng)田總產(chǎn)量估算
通過對農(nóng)田面積的精確測量及畝產(chǎn)（歷史數(shù)據(jù)等）的計(jì)算，可以估算總產(chǎn)量，進(jìn)而對整個地區(qū)的產(chǎn)量進(jìn)行估算。同時(shí)該收割機(jī)面積測量儀的定位系統(tǒng)還有利于對不同地區(qū)的產(chǎn)量進(jìn)行分析。
3 結(jié) 語
收割機(jī)面積測量儀采用 GPS 定位，測量速度快，并能測量任意形狀田塊的面積，并能生成地塊的圖形，具有較高的測量精度，且價(jià)格低，攜帶操作方便，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、土地整理規(guī)劃和農(nóng)機(jī)作業(yè)收費(fèi)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
