肖 敬， 劉 卉， 魏學禮， 陳競平， 王 培， 孟志軍

(1.首都師范大學信息工程學院，北京 100048； 2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

隨著智能農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智能感知設備、移動嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用逐步被拓寬[1]。通過使用各種自動化、智能化的監(jiān)控設備和網(wǎng)絡技術(shù)獲取基于時空信息的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)[2]、農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)[3]和作物生長數(shù)據(jù)[4]，不僅可以有效降低人力消耗和人為因素對農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響，而且通過采用大數(shù)據(jù)分析，能夠為科學種植、科學管理提供決策支持[5]。

目前，國內(nèi)關(guān)于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的相關(guān)研究主要集中在農(nóng)作物與土壤光譜分析[6]、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟類型劃分[7]、農(nóng)產(chǎn)品安全的監(jiān)督和預警[8-9]等方面。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，軌跡相關(guān)研究主要集中在交通數(shù)據(jù)[10]、動物遷徙數(shù)據(jù)[11]、用戶出行數(shù)據(jù)[12]等方面的數(shù)據(jù)挖掘分析。針對農(nóng)機運動軌跡數(shù)據(jù)的研究甚少。

本研究基于農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)所記錄的農(nóng)機運動軌跡數(shù)據(jù)，采用時空立方體的分析方法，研究農(nóng)機田間作業(yè)軌跡與道路行駛軌跡的分割算法，并采用馬修斯相關(guān)性系數(shù)及正確率進行算法的量化評估。

1 農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)

1.1 概述

農(nóng)機深松作業(yè)是指用拖拉機等動力機械牽引深松機，打破犁底層堅硬土壤，通過疏松土壤而改善耕層結(jié)構(gòu)以提高蓄水保墑和抗旱防澇能力的一種機械化整地技術(shù)[13]。在《全國農(nóng)機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃(2016—2020年)》中指出，2016年全國規(guī)劃實施農(nóng)機深松整地1 000萬hm2，2017年規(guī)劃 1 100萬hm2，2018、2019、2020年規(guī)劃1 270萬hm2。國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心針對農(nóng)機深松作業(yè)的監(jiān)管需求研制了農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)。

農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管服務系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)思想開發(fā)的，系統(tǒng)設計為4層架構(gòu)：(1)感知層為安裝在農(nóng)機上的車載智能終端設備，用來獲取農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)；(2)網(wǎng)絡層主要依托移動GPRS(通用分組無線服務技術(shù))網(wǎng)絡、移動3G(第三代移動通信技術(shù))網(wǎng)絡和Internet公網(wǎng)上傳采集到的農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)；(3)支撐層主要由中心服務器、應用服務器、數(shù)據(jù)服務器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、基礎地理信息管理軟件和安全監(jiān)控設備等組成；(4)應用層是基于Web瀏覽器的農(nóng)機深松監(jiān)管與服務軟件系統(tǒng)，協(xié)助監(jiān)管部門對深松作業(yè)進行綜合管理與數(shù)據(jù)分析。

農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)感知層的車載智能終端設備集成了GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位模塊、GPRS數(shù)傳模塊及作業(yè)參數(shù)傳感器等。通過解析GNSS模塊的NMEA-0183語句及傳感器輸出語句，獲取農(nóng)機作業(yè)時間、經(jīng)度、緯度、速度、作業(yè)深度等時空數(shù)據(jù)及作業(yè)屬性數(shù)據(jù)。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊每隔4 s將上述監(jiān)測信息回傳到遠程服務器。

1.2 農(nóng)機運動軌跡分布特征

農(nóng)機田間作業(yè)速度一般在10 km/h以內(nèi)，《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》規(guī)定：拖拉機在寬闊、視野良好的道路上行駛時最高時速不超過30 km/h。農(nóng)機田間作業(yè)和道路行駛的運動軌跡具有不同的時空分布特征。田間作業(yè)時，農(nóng)機通常以較低的作業(yè)速度進行地塊區(qū)域內(nèi)時空往復運動，作業(yè)軌跡具有顯著的時空聚類特征[14]。相比較而言，農(nóng)機在道路行駛過程中，運動軌跡呈現(xiàn)離散的線性特征。依據(jù)農(nóng)機運動軌跡的上述時空分布特征，進行田間作業(yè)與道路行駛軌跡分割方法的研究。

2 農(nóng)機運動軌跡預處理

首先，解析農(nóng)機運動軌跡數(shù)據(jù)，獲取時空數(shù)據(jù)及作業(yè)屬性數(shù)據(jù)；然后，采用通用橫軸墨卡托投影(universal transverse Mercator projection，簡稱UTM)，將GNSS大地坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標[15]。此外，還須進行異常數(shù)據(jù)清理。

2.1 異常位置數(shù)據(jù)清理

GNSS設備存在精度、信號漂移等問題[16]，因此在原始作業(yè)數(shù)據(jù)中存在異常位置數(shù)據(jù)。假定任意農(nóng)機軌跡點的大地坐標P(lon，lat)滿足下列等式：

lon∈[-180°，+180°]；
lat∈[-90°，+90°]。

(1)

式中：lon為軌跡點的經(jīng)度，°；lat為軌跡點的緯度，°。

根據(jù)式(1)對異常位置的農(nóng)機軌跡點進行初步數(shù)據(jù)清理。初步數(shù)據(jù)清理不能完全清除位置漂移點，通過判斷農(nóng)機連續(xù)軌跡點運動速度，進一步清理異常位置數(shù)據(jù)。

若Pi與Pi+1為時序相鄰的2個軌跡點，d(Pi，Pi+1)為軌跡點Pi與Pi+1的距離，t(Pi,Pi+1)為軌跡點Pi與Pi+1的時間間隔。則農(nóng)機運動速度v(Pi)計算公式為

(2)

在農(nóng)機正常行駛和作業(yè)過程中，其行駛速度不超過農(nóng)機技術(shù)參數(shù)中最大速度閾值vmax，則有：

v(Pi)≤vmax。

(3)

通過設置最大速度閾值可以過濾掉漂移的軌跡點。

2.2 停歇點數(shù)據(jù)清理

農(nóng)機車載智能終端設備在加電情況下持續(xù)上報數(shù)據(jù)，即使農(nóng)機處于停歇狀態(tài)也會上傳軌跡數(shù)據(jù)。這些停歇軌跡點會影響數(shù)據(jù)分類效率和效果，因此需要對農(nóng)機停歇點進行數(shù)據(jù)清理。

(4)

式中：v(Pj)表示第i個軌跡點Pj的運動速度，m/s。連續(xù)軌跡點數(shù)量k可以通過經(jīng)驗值給定。

3 農(nóng)機運動軌跡分割方法

采用時空立方體模型，通過設置時空單元的軌跡點密度閾值，分割農(nóng)機田間作業(yè)和道路行駛運動軌跡。

3.1 時空立方體模型

時空立方體(Space-Time cube，簡稱ST-Cube)是一種時空模型[16]，由Hagerstrand于1970年提出[16]，它采用二維坐標軸表示現(xiàn)實世界的平面空間，采用一維時間軸表示平面位置沿時間的變化，從而形成一個三維的立方體，詳見圖1。

在時空立方體模型中，時空單元是數(shù)據(jù)存儲的基本單元，表現(xiàn)為以空間網(wǎng)格單元為底、以時間單元為高的規(guī)則長方體。在時空立方體中，沿時間維度劃分的時間單位，記為Δt；在二維平面區(qū)域劃分的網(wǎng)格單位，記為Δs，則Δs×Δt代表了1個三維空間體，即時空單元，記為Δc。在時空立方體中，為每個時空單元進行編碼索引，可以實現(xiàn)快速遍歷所有時空單元[17]。

采用時空立方體模型，可以顯示三維時空下的農(nóng)機運動軌跡。定義一系列時空單元，使得農(nóng)機運動軌跡分布于時空單元中。

在圖1中，時空單元Δc公式如下：

Δc=Δx×Δy×Δt。

(5)

式中：Δx和Δy組成時空單元的二維網(wǎng)格單位，可以按式(6)取值：

Δx=Δy=vmax×t。

(6)

式中：t為GNSS軌跡點上傳的時間間隔，s，本研究的時間間隔為4 s。

時空單元的時間單位為Δt，如圖2所示，應該保證農(nóng)機在作業(yè)時有盡可能多的軌跡點落在時空立方體單元中，Δt應滿足：

(7)

由公式(6)、公式(7)可得：

(8)

(9)

式中：v(Pi)為第i個軌跡點Pi的運動速度，m/s；n為軌跡點數(shù)量，個。

由于農(nóng)機的運動速度不會高于最大行駛速度，因此包含運動軌跡的任意時空單元中分布著不止1個軌跡點。此外，由于農(nóng)機田間作業(yè)速度和道路行駛速度存在差異，二者軌跡在時空單元中的分布密度不同，田間作業(yè)軌跡點分布密度高，而道路行駛軌跡點分布密度低。因此，通過設置時空單元的軌跡點密度閾值，分割田間作業(yè)軌跡和道路行駛軌跡。

3.2 軌跡點分布密度

農(nóng)機田間作業(yè)時，時空單元的軌跡點分布密度公式如下：

(10)

為了分割農(nóng)機田間作業(yè)和道路行駛運動軌跡，要保證農(nóng)機在道路上以最大速度行駛時至少有1個點分布在時空單元內(nèi)。因此，農(nóng)機在道路上行駛時，時空單元的軌跡點密度ρwork>ρroad≥1(ρrood為農(nóng)機在道路行駛時，時空單元的軌跡點分布密度)。

在時空立方體模型中，軌跡點分布密度滿足：

ρ∈[ρwork,ρroad]。

(11)

為了達到更好的分類效果，時空立方體的密度間隔應該最大化[18]，因此本研究分割密度取值見公式(12)：

(12)

3.3 分割方法的評價

1975年生物化學家Matthews提出馬修斯相關(guān)性系數(shù)(Matthews correlation coefficient，簡稱MCC)，用于機器學的效果評估的正確率判斷[19]。具體公式如下：

(13)

式中：TP為將正類預測為正類數(shù)；FN為將正類預測為負類數(shù)；FP為將負類預測為正類數(shù)；TN為將負類預測為負類數(shù)。MCC的取值范圍在[-1，+1]，其取值越接近+1說明分類的效果越好。正確率a也可表示為下式：

(14)

a取值在范圍在[0，+1]，其取值越接近+1，說明分類的效果越好。

在本研究中，對于農(nóng)機田間作業(yè)與道路行駛軌跡分割方法，可采用馬修斯相關(guān)性系數(shù)進行效果評估。在分割結(jié)果中，存在以下4種情況：(1)田間作業(yè)軌跡點被正確識別為田間作業(yè)軌跡點，用TP表示；(2)田間作業(yè)軌跡點被錯誤識別為道路行駛軌跡點，用FN表示；(3)道路行駛軌跡點被正確識別為道路行駛軌跡點，用TN表示；(4)道路行駛軌跡點被錯誤識別為田間作業(yè)軌跡點，用FP表示。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 數(shù)據(jù)分割處理

從2015年1月至2016年8月新疆塔城地區(qū)的農(nóng)機深松作業(yè)數(shù)據(jù)中，隨機選取8臺農(nóng)機作業(yè)軌跡作為樣本數(shù)據(jù)集，進行田間作業(yè)與道路行駛軌跡數(shù)據(jù)分割試驗。首先需要對樣本數(shù)據(jù)進行異常位置及停歇點軌跡清理。數(shù)據(jù)預處理后獲得干凈的農(nóng)機軌跡，構(gòu)建時空立方體，進行農(nóng)機田間作業(yè)與道路行駛軌跡數(shù)據(jù)分割，分割算法的參數(shù)設置見表1。基于時空立方體分割的ID8農(nóng)機軌跡數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

4.2 分割結(jié)果評價

為了評估分割方法的有效性和正確率，采用遙感衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)，疊加農(nóng)機軌跡點數(shù)據(jù)，進行目視解譯。以農(nóng)機ID8為例，分割結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4和圖5為同一區(qū)域的不同尺度遙感地圖，其中圖4的比例尺為1 ∶250，圖5的比例尺為1 ∶125。分別統(tǒng)計TP、FN、TN、FP 4種情況下的軌跡點數(shù)量，從表2可以看出，道路行駛軌跡更容易被誤判為田間作業(yè)軌跡(FP)，并計算MCC和正確率。從表2還可以看出，分割算法的正確率均在95%以上，正確率的均值達到 97.98%，MCC的均值也達到82.10%。

表1 分割算法的參數(shù)

5 結(jié)論

(1)本研究采用時空立方體模型，通過建立時空立方體密度與農(nóng)機作業(yè)速度、機具幅寬和GNSS上傳時間間隔等變量之間的定量關(guān)系，探討通過時空立方體密度閾值分割農(nóng)機作業(yè)軌跡與道路行駛軌跡。

表2 分割結(jié)果統(tǒng)計

(2)選取農(nóng)機實際田間作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)，采用遙感衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)目視解譯法，驗證軌跡分割算法的效果。結(jié)果表明，本算法正確率的均值達到97.98%，MCC的均值也達到 82.10%。在此基礎上，可以通過研究農(nóng)機田間作業(yè)軌跡計算地塊面積與農(nóng)機作業(yè)效率、重疊和遺漏量，可通過研究道路轉(zhuǎn)移軌跡進一步分析農(nóng)機作業(yè)調(diào)度問題，減少農(nóng)機道路轉(zhuǎn)移時間。