[0001] 本发明涉及农业智能化技术领域，尤其涉及一种智能化农机、农机作业面积测量装置及农机作业面积测量方法。

[0002] 随着农业机械化、现代化、智能化的发展，智能农机技术广受关注。在农机跨区进行耕种管收作业时，作业面积作为关键数据至关重要。在精细农业中，作业面积也是一个很重要的指标，不仅决定了种子、农药、化肥等资源的投入量，还用于确定最终作业工作量和最终收费。但是农机作业地形具有极大的复杂性，很多地块面积无法准确测量统计，导致农民的相关利益受损，政府部门也无法准确统计地块面积进而影响到决策和管理。

[0003] 传统的作业面积测量方法属于静态测量方法，一种是小面积的矩形状作业区域，可以采用钢尺或凭经验进行作业面积测量，简单实用；另一种是对于大面积和不规则图形地块的测量，需要借助于罗盘仪、经纬仪、全站仪等测绘仪器，但过程繁琐，需要耗费大量人力和时间，并且易出差错。

[0004] 针对大面积和不规则地块，有学者研究基于农机运行轨迹的动态作业测量方法，如车轮转数法、距离测量法和超声波法等。但是当农机作业地面不平整、地表条件恶劣或作业重叠显著时,这些方法的测量精度受到很大影响，不能满足要求。

[0005] 随着全球卫星定位系统(比如北斗卫星定位、GPS卫星定位)的日趋成熟，相关厂商或研究机构也提出了许多基于卫星定位技术的农田边界测量的面积估算方法，根据提供的经度、纬度、高程等导航和定位信息对面积进行测量。各种农机的作业轨迹通常为Z字形循环作业，或回字形环绕作业。当前已有的基于GPS轨迹的农机作业面积测量方法虽然实现了对农机的作业面积进行动态实时测量，但是仍然存在着无法处理作业重叠现象或者对不规则地块效果不理想、作业类型单一等不足，易造成计算混淆或重复计算，导致测量面积与实际面积存在较大误差。

[0041] 以下结合实施例，对本发明作进一步具体描述，但不局限于此。

[0042] 在复杂农机作业环境条件下，快速准确测量作业面积等关键数据至关重要，是实现农机智能化管理及农业精细化的重要基础。

[0043] 为实现快速准确的农机作业面积测量，本发明基于卫星定位技术实时获取农机运行的经纬度信息，得到农机运行轨迹；从所述农机运行轨迹中移除非作业时记录得到的经纬度位置点，从而得到农机作业轨迹；由于农机作业轨迹通常为折返的Z形轨迹或者环绕的回字形轨迹，并不一定形成封闭的轨迹，所以还需要针对农机作业轨迹形成的轨迹图形进行图形识别获得作业区域的轮廓线，对农机作业轨迹中未记录的位置点进行补全，从而得到作业区域边界线。所述作业区域边界线上的每一个位置点对应着一对经纬度信息点。

[0044] 进一步地，针对具有封闭边界线的作业区域，采用选取一个或多个测量基准点的方式，计算获得作业区域面积。为解决计算误差的问题，在进行作业区域面积计算时，可以采用多点全域多次计算取平均的方式，也可以采用多点多子域求和计算的方式。

[0045] 例如，可以在作业区域边界线上和/或作业区域边界线所包含的区域内，取2-10个经纬度位置点作为测量基准点，优选的可以选择5个测量基准点。以每个测量基准点为中心，按照一定的角度间隔(取值范围为1度到6度)划分多个作业子区域，该测量基准点与作业区域边界线上的两个位置点按照设定角度间隔构成一个三角形，从而获得多个小三角形，分别计算每个小三角形的面积，通过累加这些小三角形面积，得到基于该测量基准点的作业区域面积。也就是说，确定多少个测量基准点，就可计算得到同等数目的作业区域面积值。最后，比较不同测量基准点情况下计算的作业区域面积值，设定误差阈值，如果所有作业区域面积值都在误差范围内，则将均值面积作为最终的作业区域面积；如果某个测量基准点对应的面积无法满足误差要求，则舍去这个区域面积，将符合误差要求的所有区域面积的均值面积作为作业区域面积。

[0046] 例如，还可以在作业区域边界线所包含的区域，划分为2-10个作业子块，优选的可以选择5个作业子块，在每个作业子块内，确定一个或多个测量基准点，以及作业子块的边界线。以每个测量基准点为中心，按照一定的角度间隔(取值范围为1度到6度)划分多个作业子区域，该测量基准点与作业子块边界线上的两个位置点按照设定角度间隔构成一个三角形，从而获得多个小三角形，分别计算每个小三角形的面积，通过累加这些小三角形面积，得到基于该测量基准点的作业区域面积。也就是说，确定多少个测量基准点，就可计算得到同等数目的作业子块面积值。最后，比较不同测量基准点情况下计算的作业子块面积值，设定误差阈值，如果所有作业子块面积值都在误差范围内，则将均值面积作为作业子块面积；如果某个测量基准点对应的面积无法满足误差要求，则舍去这个面积，将符合误差要求的计算结果的均值面积作为作业子块面积。在确定各个作业子块面积后，将各个作业子块面积进行累加即可获得准确的作业区域面积。

[0047] 在确定上述的测量基准点时，可以采用对最大经度间隔和最大纬度间隔进行均分交叉的方式确定，将各个经纬均分的交叉点作为测量基准点。

[0048] 在农机作业实际过程中，农机作业宽度通常较宽，卫星定位装置通常较小，其安装位置可以居中、居左、居右，从而导致农机作业轨迹并不一定与地块边缘一致，两者存在一定误差。进一步地，为了进一步减小测量误差，可以对作业区域边界线进行优化，可以预先设置或者通过人机交互界面输入等方式确定边界误差，可以根据实际作业情况，将所述作业区域边界线按照所述边界误差值进行外推从而扩大所述作业区域，或者按照所述边界误差值进行内缩从而缩小所述作业区域。

[0049] 在精确测量得到作业区域面积之后，结合作业价格就可以精准确定作业费用，可以公平合理快速的进行农机手与农户之间的结算。同时，一方面可以将所述作业区域面积信息和作业费用信息发送给农户，做到公平透明；另一方面也可以将所述作业区域的地理信息、面积信息、作业类型、作物种类、作业费用、作业时间等相关信息上报给农业管理平台或者农业管理部门。

[0050] 基于上述技术方案的思路，本发明在具体实施时，可以采用一种农机作业面积测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0051] S101，实时采集经纬度数据，记录农机运行轨迹；

[0052] 其中，采集经纬度数据可以采用GPS全球定位技术或者北斗定位技术或者移动通信基站定位技术。

[0053] S102，移除所述农机运行轨迹中发生偏移的经纬度信息点,确定农机作业轨迹；

[0054] 其中，所述发生偏移的经纬度信息点通常是指非作业期间发生移动的位置点，例如农机需要在地块两端调整位置，或者作业期间需要重新装填种子或农药而离开作业区，或者收割作物时需要卸载收获物等。对于发生偏移的经纬度信息点，可以采用速度判别法，农机在作业时和非作业时通常行驶速度会不同，通过农机运行轨迹上不同点的速度值，可将速度值超过速度均值的位置点作为发生偏移的经纬度信息点进行去除。同时，作业时的农机通常不会出现重复轨迹，因此，位置重叠的位置点也可以作为发生偏移的经纬度信息点进行去除。

[0055] S103，对所述农机作业轨迹进行图形识别，将所述农机作业轨迹图形的轮廓线确定为作业区域边界线；

[0056] 其中，农机作业轨迹通常为来回折返的Z形轨迹或者环绕的回字形轨迹，无法形成封闭的轨迹，因而进一步还需要对农机作业轨迹形成的图形进行图形识别。对于比较规则的矩形地块可以简单的根据经纬度的边界值简单确定出矩形地块的四个拐点位置，进而可以连线确定矩形地块的边界线。但实际农田环境复杂多变，并不存在理想的规则边界，因而采用图形识别方法，确定出农机作业轨迹所形成的图形的轮廓线，可以适用于各种复杂地块的面积计算，一方面可以精确确定作业区域边界，另一方面，也可以补全作业轨迹中所缺失的地块边界点的经纬度信息，是后续精确面积计算的基础。

[0057] 进一步地，还可包括对作业区域边界线进行优化的步骤，可以预先设置或者通过人机交互界面输入等方式确定边界误差，根据实际作业情况，将所述作业区域边界线按照所述边界误差值进行外推从而扩大所述作业区域，或者按照所述边界误差值进行内缩从而缩小所述作业区域。

[0058] S104，确定一个或多个测量基准点，基于所述测量基准点与作业区域边界线计算作业区域面积。

[0059] 其中，进行作业区域面积计算时，基于测量基准点和作业区域边界线，可以采用多点全域多次计算取平均的方式，也可以采用多点多子域求和计算的方式，该两种面积计算方式可以参见前述方法。所述测量基准点是在作业区域边界线上的位置点，或者所述作业区域内的位置点。优选的，所述测量基准点是所述作业区域内的经度范围均分与纬度范围均分交叉的位置点。

[0060] 基于上述农机作业面积测量方法，本发明在具体实施时还可通过农机作业面积测量装置来实现。该农机作业面积测量装置安装在农机上，可以安装在农机内部或外部，也可以居左或居右或居中安装。优选的安装在GPS模块在农机外部，其他模块在农机内部居中位置。

[0061] 如图2所示，该农机作业面积测量装置，包括：位置信息接收模块、位置信息存储模块、位置信息处理模块、用户交互模块，其中：

[0062] 所述位置信息接收模块，用于从卫星或基站实时接收并采集经纬度数据，将所述经纬度数据发送给位置信息处理模块及位置信息存储模块；

[0063] 所述位置信息处理模块，用于根据所述经纬度数据确定农机运行轨迹并在移除发生偏移的经纬度信息点后，得到农机作业轨迹；用于对所述农机作业轨迹进行图形识别，将所述农机作业轨迹图形的轮廓线确定为作业区域边界线，根据选定的一个或多个测量基准点与作业区域边界线计算作业区域面积；

[0064] 位置信息存储模块，用于存储下述信息中的一种或它们的组合：所述经纬度数据、农机移动轨迹、农机作业轨迹、作业区域边界线、作业区域面积；

[0065] 用户交互模块，用于接收用户输入数据或指令，并将所述数据或指令发送给位置信息处理模块，接收位置信息处理模块返回的结果呈现给用户。具体而言，例如可以接收用户的测量开始和结束指令，边界误差参数等。

[0066] 其中，所述位置信息接收模块包括下述芯片之一或它们的组合：全球卫星定位GPS芯片、北斗导航定位芯片、移动通信基站定位芯片。

[0067] 所述农机作业面积测量装置，进一步还可包括：

[0068] 通信模块，用于一方面将所述作业区域面积信息和费用信息发送给农户侧终端(例如手机)，另一方面也可以将所述作业区域的地理信息、面积信息、作业类型、作物种类、作业费用、作业时间中的一种信息或多种信息的组合上报给农业管理平台或者农业管理部门的集中管理服务器。

[0069] 如图3所示，所述位置信息处理模块包括如下单元：

[0070] 作业区域边界识别单元，用于从根据实时采集的经纬度数据生成的农机运行轨迹中移除发生偏移的经纬度信息点,确定农机作业轨迹；用于对所述农机作业轨迹进行图形识别，将所述农机作业轨迹图形的轮廓线确定为作业区域边界线；

[0071] 作业面积计算单元，用于确定一个或多个测量基准点，基于所述测量基准点与从作业区域边界识别单元获得的作业区域边界线计算作业区域面积；

[0072] 误差处理单元，用于对作业面积计算单元根据各个测量基准点计算得到的作业区域面积进行误差处理，得到最终的作业区域面积；

[0073] 计价单元，用于根据计价单位及误差处理单元校准后的作业区域面积得到作业费用；

[0074] 信息收发单元，用于对包括作业区域面积、作业费用的信息与通信模块进行通信。

[0075] 其中，所述作业面积计算单元进行作业区域面积计算时，基于测量基准点和作业区域边界线，可以采用多点全域多次计算取平均的方式，也可以采用多点多子域求和计算的方式。所述测量基准点是在作业区域边界线上的位置点，或者所述作业区域内的位置点。优选的，所述测量基准点是所述作业区域内的经度范围均分与纬度范围均分交叉的位置点。

[0076] 其中，所述作业区域边界识别单元，还可计算农机移动速度，可以采用速度判别法，将速度值超过速度均值的位置点作为发生偏移的经纬度信息点进行去除。所述作业区域边界识别单元，还可用于将位置重叠的位置点也作为发生偏移的经纬度信息点进行去除。

[0077] 其中，所述作业区域边界识别单元，用于对所述农机作业轨迹进行图形识别，将所述农机作业轨迹图形的轮廓线确定为作业区域边界线；农机作业轨迹通常为来回折返的Z形轨迹或者环绕的回字形轨迹，无法形成封闭的轨迹，因而采用图形识别方法，确定出农机作业轨迹所形成的图形的轮廓线，一方面可以精确确定作业区域边界，另一方面，也可以补全作业轨迹中所缺失的地块边界点的经纬度信息，是后续精确面积计算的基础。

[0078] 进一步地，所述作业区域边界识别单元，还可用于对作业区域边界线进行优化，可以预先设置或者通过用户交互模块的交互界面输入等方式确定边界误差，根据实际作业情况，将所述作业区域边界线按照所述边界误差值进行外推从而扩大所述作业区域，或者按照所述边界误差值进行内缩从而缩小所述作业区域。

[0079] 上述农机作业面积测量方法及装置中所提及的农机，可以是收割机、播种机、施肥机、农药喷洒机、农业无人机。

[0080] 基于农机作业运行轨迹点,基于多个测量基准点的实时作业面积测量方法，可以提高农机作业面积测量精度和效率。如图4所示，给出了一种收割机作业时的作业区域测量流程。

[0081] 使用的GPS为UBLOX-GPS终端，所采集的信息点是连续的周期性采集的数据点，按照通信协议，GPS经纬度数据的更新时间周期为1赫兹。发送的经纬度单位为小数点后六位，即十万分之一度，单位约为1米，GPS定位精度为1米左右，考虑到农机作业时地块的一般跨度不会太大(<10Km),误差可以作为统一的系统误差忽略，或使用统一的系统调整系数消除。

[0082] 基于多基准点的农机作业面积度量方法，对于地块面积和形状没有限制，计算方便，精度较高。具体实施方案如下：

[0083] (1)在作业的农机上安装全球定位系统GPS，以便农机作业时实时采集经纬度数据，并且上传至服务器。

[0084] (2)确定农机作业地块，采集经纬度数据，农机作业结束后，去除偏移点，补全空白位置点，确定作业区域边界线，这些边界线的经纬度信息点形成了作业区域；

[0085] (3)确定区域基准点，在区域内部均匀选取5个点作为基准点，以每个基准点为中心按照一定的角度(可以选取从1度到6度范围内的角)划分作业区域，形成多个小三角形，这些三角形构成了作业地块多边形，分别计算各个小三角形的面积；

[0086] (4)对这些小三角形面积累加，得到以某个基准点划分的作业区域的面积。

[0087] (5)比较各个基准点为中心计算的作业地块的面积值，设定误差，如果这些面积都在误差范围内，地块面积等于平均面积，如果某一种情况大于或小于误差，舍去这个面积，地块面积等于剩余面积的均值。

[0088] 本发明的农机作业区域面积测量的技术方案，提出基于多基准点计算作业面积的方法和去除偏移点的方法，克服了不同形状地块的影响，缓解了异常点造成的误差；同时，以每个基准点为中心按照一定的角度(可以选取从1度到6度范围内的角)划分作业区域，形成多个小三角形，计算简单方便。

[0089] 对河北省2016、2017年，包括小麦收割机、玉米收割机、土地深松等100多台农机作业进行测试，结果表明50％以上的作业面积测量精度达到100％，没有误差；受天气条件影响大约5％的测量精度误差较大，但最大误差没超过5％；综合所有的地块，作业面积测量值精度达到了98％以上。作业面积的计算在作业结束后即时得到。以上结果表明基于多个基准点的农机作业面积计算方法，精度和效率都很高，达到了农民的要求，同时还可通过信息上报为政府集中管理科学决策提供了可靠依据。