董 康 劉文國 孟志軍 付衛(wèi)強(qiáng) 武廣偉

1 山東省水利勘測設(shè)計(jì)院測繪中心，山東 濟(jì)南，250013

2 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京，100097

農(nóng)田面積是農(nóng)田基本建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和農(nóng)機(jī)作業(yè)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，同時也是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行田間作業(yè)計(jì)算工時和收費(fèi)的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的農(nóng)田面積測量方法大多為使用皮尺測量或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，雖然簡單實(shí)用，但只適合測量小面積的矩形田塊，對于大面積田塊的測量，使用傳統(tǒng)方法則費(fèi)時費(fèi)力，測量誤差較大，并且很難實(shí)現(xiàn)不規(guī)則田塊的面積測量。

GPS能夠提供實(shí)時的位置信息，是支撐精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的核心技術(shù)之一［1?4］。利用GPS定位設(shè)備可以采集農(nóng)田地塊邊界上各個特征點(diǎn)的坐標(biāo)，再通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算農(nóng)田面積，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田地塊面積的測量［5?13］。一些商品化的手持型GPS定位設(shè)備具有面積測量功能［14?18］，但通常成本較高、操作復(fù)雜，且不具備滿足農(nóng)業(yè)實(shí)際應(yīng)用需要的作業(yè)計(jì)費(fèi)等功能。隨著目前農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)的迅速發(fā)展，需要一種簡單實(shí)用、穩(wěn)定可靠且精度較高的農(nóng)田作業(yè)面積測量設(shè)備。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種手持農(nóng)田作業(yè)面積測量終端［19］，能夠?qū)崿F(xiàn)對任意幾何形狀農(nóng)田地塊面積的快速測量。此外，針對影響農(nóng)田面積測量精度的3個因素（地塊面積、地塊形狀、GPS定位方式），進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，測試和分析了該儀器的面積測量精度。

1 手持農(nóng)田面積測量終端的設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照嵌入式硬件技術(shù)集成的思路，基于ARM11（advanced reduced in?struction set computer machine11）體系架構(gòu)的嵌入式主板，構(gòu)建基于高性能微處理器模塊、集成GPS模塊、無線傳輸模塊通用分組無線業(yè)務(wù)/碼分多址（general packet radio service/code division multiple access，GPRS/CDMA）、數(shù)字圖像獲取模塊的手持型嵌入式信息采集硬件裝置。通過嵌入式主板串行接口接入12通道GPS原始設(shè)備制造商（original equipment manufacture，OEM）板模塊實(shí)現(xiàn)位置信息采集，該GPS模塊的單點(diǎn)定位精度小于2.5 m，并支持星基增強(qiáng)系統(tǒng)（satellite based augmentation sys?tems，SBAS）、網(wǎng)絡(luò)差分等外部差分定位方式，能夠達(dá)到亞米級差分定位精度；通過嵌入式主板串行接口連接內(nèi)嵌傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）的GPRS無線傳輸模塊，以支持網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)據(jù)的接收；通過嵌入式主板上的總線接口接入互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semicon?ductor，CMOS）攝像頭模塊，以獲取農(nóng)田作業(yè)過程中的所需圖像信息。系統(tǒng)采用觸摸屏和鍵盤作為輸入，液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）作為輸出，支持RS232串行接口、通用串行總線（univer?sal serial bus，USB）接口及其他通用總線接口，具有256 MB隨機(jī)存儲器（random access memory，RAM），并支持大容量Flash存儲卡、TF（trans flash）存儲卡。通過上述設(shè)計(jì)，形成一種成本適宜、集成度高、穩(wěn)定可靠、操作便捷、通用型強(qiáng)、支持各類農(nóng)業(yè)信息快速采集與應(yīng)用的嵌入式一體化硬件裝置。此外，針對農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中潮濕、塵土等惡劣條件，設(shè)計(jì)防塵、防震、防水的三防工業(yè)級堅(jiān)固殼體，增強(qiáng)硬件系統(tǒng)的耐用性，并基于三防殼體設(shè)計(jì)硬件裝置的電路底板，為嵌入式主板及各模塊提供電源供電電路、鋰電池充電電路、電平轉(zhuǎn)換電路、集成電路總線（inter?integrated circuit，IIC）擴(kuò)展鍵盤電路、觸摸屏電路等。

圖1 硬件裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Hardware

采用專用工具Platform Builder定制適合該硬件裝置的Windows CE（Windows embedded compact）實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)。首先，根據(jù)嵌入式裝置的硬件配置，進(jìn)行包括Bootloader、板級支持包（board support package，BSP）、原始設(shè)備 適配層（original equipment manufacture adaptation layer，OAL）、操作系統(tǒng)相關(guān)組件和Platform Builder 5.0自帶應(yīng)用的選擇；然后，通過配置文件（.reg文件、.bat文件、.bib文件）對操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，并添加支持應(yīng)用程序的相關(guān)組件；最后，編譯內(nèi)核，在編譯目錄下創(chuàng)建NK.bin文件，并將其作為操作系統(tǒng)內(nèi)核。

1.2 GPS差分定位實(shí)現(xiàn)方式

在農(nóng)田作業(yè)面積測量中，米級GPS單點(diǎn)定位精度并不十分理想，尤其是對于面積較小的農(nóng)田地塊，會影響到地塊面積的測量計(jì)算結(jié)果，因此采用差分方式能夠有效提高GPS定位精度。常用的差分方式有如下幾種：

1）SBAS衛(wèi)星差分方式是利用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)。目前，全球發(fā)展的衛(wèi)星差分系統(tǒng)有覆蓋美洲大陸的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（wide area augmentation system，WAAS）、覆蓋歐洲大陸的歐洲星基增強(qiáng)系統(tǒng)（European geosta?tionary navigation overlay service，EGNOS）、覆蓋亞洲大陸的日本星基增強(qiáng)系統(tǒng)（multi?functional trans?port satellite?based augmentation system，MSAS）等。目前，中國東部的一部分GPS用戶可以使用MSAS，但是受到地域限制，且可靠性較差，往往不能滿足應(yīng)用要求。

2）自主差分方式是由GPS用戶自行建立的可以覆蓋數(shù)十千米的GPS差分參考站，根據(jù)基站和流動站設(shè)備的情況，選擇通過電臺、全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）方式收發(fā)差分改正數(shù)據(jù)，建立自主差分系統(tǒng)。

3）連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站（continuously operating reference station，CORS）系統(tǒng)基站差分方式。CORS系統(tǒng)是一個利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將一個或若干個固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站組合起來的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r、自動地向不同類型、不同需求的用戶提供經(jīng)過檢驗(yàn)的載波相位或偽距GPS觀測值、差分改正數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)的GPS服務(wù)項(xiàng)目等。

本文設(shè)計(jì)的嵌入式一體化硬件裝置能夠支持以上3種差分定位方式。

1.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

基于定制開發(fā)的Windows CE實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)多邊形面積測量原理，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了農(nóng)田作業(yè)面積測量應(yīng)用軟件?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的CORS基站連接配置界面和農(nóng)田面積測量界面如圖2所示。

圖2 應(yīng)用軟件界面Fig.2 Interfaces of the Application Software

該農(nóng)情信息采集軟件可在用戶開始測量后自動記錄用戶的作業(yè)軌跡，在用戶結(jié)束農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)后自動生成農(nóng)田地塊，并計(jì)算地塊數(shù)量與每個地塊的面積。根據(jù)設(shè)定的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)單價，計(jì)算和輸出農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)費(fèi)用明細(xì)。用戶可在結(jié)束測量后對已測量地塊輸入對應(yīng)的機(jī)械作業(yè)信息，軟件將地塊測量空間信息與作業(yè)信息以文件形式進(jìn)行記錄，便于后期對該區(qū)域進(jìn)行農(nóng)業(yè)分析。

2 面積測量終端精度實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該農(nóng)田面積測量終端的精度，在國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地選取實(shí)際農(nóng)田地塊進(jìn)行面積測量精度檢測實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)面積測量原理，影響農(nóng)田面積測量精度的主要因素為地塊面積、地塊形狀和GPS定位精度。因此，本文設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：地塊面積因素取4個水平級別（500 m2、2 500 m2、5 000 m2、10 000 m2）；地塊形狀因素取3個水平級別（方形地塊、條狀地塊、不規(guī)則形狀地塊）；GPS測量方式取3個水平級別（單點(diǎn)定位方式、SBAS衛(wèi)星差分方式、CORS基站差分方式），其中，SBAS衛(wèi)星差分方式采用的是日本MSAS的差分改正數(shù)據(jù)，CORS基站差分采用的是國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地的CORS單基站差分系統(tǒng)的差分改正數(shù)據(jù)。

農(nóng)田地塊面積測量精度的相對誤差δ計(jì)算公式如下：

式中，a為手持農(nóng)田面積測量終端的實(shí)際測量值；A為地塊標(biāo)準(zhǔn)面積，實(shí)驗(yàn)中以美國Trimble公司的GPS?RTK 5700雙頻GPS接收機(jī)所測算的地塊面積值為地塊標(biāo)準(zhǔn)面積。在動態(tài)條件下，該GPS設(shè)備的平面測量精度可達(dá)到±1 cm+1×10?6m，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)挑選一系列符合條件且周邊不存在較大障礙物的農(nóng)田地塊，以免影響GPS定位精度。本文選取的11個地塊形狀如圖3所示，圖中地塊標(biāo)識數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)面積（單位：m2）。由于面積約為10 000 m2的較大不規(guī)則地塊少，故未進(jìn)行此水平級別的地塊面積測量實(shí)驗(yàn)。在測量地塊面積前，對每個地塊邊界進(jìn)行劃線界定，以保證同一地塊沿同一路徑進(jìn)行重復(fù)測量。首先，使用Trimble GPS?RTK 5700測量各個地塊邊界并計(jì)算地塊標(biāo)準(zhǔn)面積。然后，采用手持農(nóng)田面積測量終端在不同GPS定位方式下測量地塊邊界。對于同一地塊，利用Trimble GPS?RTK 5700和手持農(nóng)田面積測量終端分別進(jìn)行兩次重復(fù)測量，以保證數(shù)據(jù)可靠。

圖3 不同形狀的試驗(yàn)地塊Fig.3 Fields with Different Shapes

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

利用Trimble Geomatics Office軟件將Trimble GPS?RTK 5700測量的地塊邊界特征點(diǎn)大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，并進(jìn)行農(nóng)田地塊標(biāo)準(zhǔn)面積計(jì)算。手持農(nóng)田面積測量終端可以實(shí)時輸出所測面積值。根據(jù)式（1）計(jì)算各地塊在不同GPS定位模式下的面積測量相對誤差，對同一地塊的重復(fù)面積測量計(jì)算結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。比較3種GPS定位方式下不同形狀地塊面積測量結(jié)果的相對誤差值，如圖4所示。

表1 面積測量相對誤差Tab.1 Relative Errors of Area Measurement

圖4 3種GPS定位模式下各地塊的面積測量相對誤差Fig.4 Relative Errors of Area Measurement of Different Fields Under Three GPS Positioning Modes

1）地塊面積對測量精度的影響。由圖4可以看出，在3種GPS定位方式下，各種形狀的地塊面積測量精度均具有相同的變化趨勢，即隨著被測地塊面積的增大，面積測量值的相對誤差逐漸減?。划?dāng)被測地塊面積超過5 000 m2時，面積測量相對誤差變化曲線趨于平緩，各種形狀的地塊面積測量相對誤差均小于3%，已經(jīng)達(dá)到實(shí)際農(nóng)田生產(chǎn)資料投入和收費(fèi)的精度要求。

2）地塊形狀對測量精度的影響。由圖4可以看出，地塊形狀因素對面積測量的精度同樣具有重要的影響。比較3種形狀的地塊面積測量精度，發(fā)現(xiàn)整體上方形地塊的面積測量精度最高，不規(guī)則地塊次之，條狀地塊精度最差。測量5 000 m2以下的小面積地塊時，相同面積級別的條狀地塊的測量相對誤差比方形地塊的測量相對誤差高1.48%~4.22%。但隨著地塊面積增大，不同形狀地塊的測量精度差異逐漸縮小。

3）GPS定位方式對測量精度的影響。如圖5所示，對比不同GPS定位方式對各地塊面積測量精度的影響，可以得出如下結(jié)論：

圖5 不同地塊面積下各定位方式的相對誤差Fig.5 Relative Errors of Different Positioning Methods Under Different Field Areas

當(dāng)被測地塊面積大于500 m2并小于5 000 m2時，CORS基站差分方式和SBAS衛(wèi)星差分方式下的面積測量精度較高，相對誤差均小于5%，而在單點(diǎn)定位方式下的面積測量相對誤差較大。但是CORS基站差分方式和SBAS衛(wèi)星差分方式之間的面積測量精度差異很小。當(dāng)被測地塊面積大于等于5 000 m2時，所有定位方式下的面積測量相對誤差均小于3%。

因此，被測地塊面積大于等于5 000 m2時，使用單點(diǎn)定位或差分方式均可；測量地塊為5 000 m2以下的較小地塊時，則最好使用CORS基站差分或SBAS衛(wèi)星差分定位方式，以保證面積測量精度。

3 結(jié)束語

1）本文設(shè)計(jì)的嵌入式一體化手持農(nóng)田面積測量終端支持單點(diǎn)定位、CORS基站差分、SBAS衛(wèi)星差分等多種不同GPS定位方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對任意幾何形狀農(nóng)田地塊面積的快速測量，并支持實(shí)時計(jì)算和輸出農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)費(fèi)。

2）手持農(nóng)田作業(yè)面積測量終端的測量精度受地塊面積、地塊形狀、GPS定位方式等因素影響。在地塊面積影響因素方面，隨著被測地塊面積的增大，面積測量精度提高；在地塊形狀影響因素方面，方形地塊的面積測量精度最高，不規(guī)則地塊的面積測量精度次之，條狀地塊的面積測量精度最差；在GPS定位方式影響因素方面，兩種GPS差分定位方式下的面積測量精度顯著優(yōu)于單點(diǎn)定位方式。綜合3種影響因素，對面積大于等于5 000 m2的任意形狀農(nóng)田地塊進(jìn)行面積測量時，無論采用何種GPS定位方式，相對誤差均小于3%，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用精度要求；當(dāng)被測地塊面積在2 500 m2左右時，差分模式下的面積測量相對誤差均小于5%，優(yōu)于單點(diǎn)定位精度，宜優(yōu)先采用差分模式。