基于RTK差分GPS的平地机作业质量评估

王新忠+王少农+庄卫东+王熙

摘要：为了取得平地机作业质量数据，评估RTK差分GPS平地机作业质量效果，對853农场约0.3 hm2水田进行了搅浆平地试验。先使用了传统的农田作业质量评估方法来对其进行简单的初步评估，为了得到更加准确的评估数据，再使用了精确的农田质量评估方法。评估结果表明，使用RTK差分GPS平地机进行农田平地作业，能够满足农田平整精度要求。

关键词：全球定位系统；农田平地机；作业质量评估

中图分类号：S222.5；P228.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6588-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.066

农田表面平整度差是导致农田灌溉用水利用率较低、水资源浪费严重的关键因素。农田土地平整不仅可以增加有效耕地面积，还能方便机械化耕作，改善农业生产条件[1]。水田土地平整目的是将小块的水田整合成大块的新水田和进行旱改水作业，能够增加土地的利用率和劳动生产率[2]。GPS（Global positioning system）全球定位系统技术能够获取地表任何点的定位信息，具有定位测量速度快、工作效率高等突出特点。GNSS-RTK差分定位技术是基于GNSS载波相位观测值的实时动态测量技术，为用户实时提供厘米级高精度的三维坐标定位信息，利用GNSS-RTK差分高程信息进行田间平整作业。

随着黑龙江垦区精准农业技术装备的发展，黑龙江垦区大规模购进装有高精度GPS接收机的拖拉机，而垦区大部分农场建有GPS固定差分站。GPS-RTK差分农田平地机自动控制系统能够兼容国际上大部分GPS接收机，用户只需购买自动控制系统与拖来机上的原装GPS接收机进行连接，即可进行平地作业，而无需重复购买价格昂贵的GPS接收机，充分利用了黑龙江垦区现有资源，节约了成本，有利于进行大规模推广应用。

黑龙江八一农垦大学研制了GPS-RTK差分农田平地机，能够自动接收高精度的GPS-RTK差分高程信息，进行平地机高程自动控制，解决了使用普通平地机平地手动控制、平地效果差、效率低等问题。为了确定GPS-RTK差分农田平地机进行作业后的地块平整度是否符合国家《高标准农田建设标准》，本研究使用三维地形曲面图评估方法对GPS-RTK差分农田平地机的作业质量进行了评估。

1 土地平整前后的初步评估

为了保证平地机平地作业精度，在进行平地作业之前，测量作业地块最高点和最低点的位置，并做相应的记录，求出平均高程值，为GPS-RTK差分农田平地机作业提供数据支持。

使用平地机水田作业时应尽量避免在水中进行测量。水田地块灌水后，不仅会造成测量环境泥泞，加大测量难度，还会对土壤表面进行冲刷，渗透到土壤之中，造成地形的改变，而且水面的折射和反射可能会造成测量数据的误判，影响平地精度。因此，在灌水之前完成相关数据的测量，再进行灌水和水田搅浆平地作业。常用的土地平整前后的初步评估方法主要有以下3种；分别是通过最大高程差（ΔH）、农田表面相对高程的标准偏差值（Sd）和高差分布列（ED）来对农田的平整前后进行初步评估。

1.1 最大高程差（ΔH）

最大高程差（ΔH）是在进行土地平整前后的初步评估中最常使用的方法，其需要对整个地块随机取点进行测量，然后从测量结果中取最大高程值Hmax和最小高程值Hmin，然后对其求差，得出最大高程差ΔH。

ΔH=Hmax-Hmin （1）

式中，ΔH——最大高程差（m）；Hmax——作业地块内最大高程值（m）；Hmin——作业地块内最小高程值（m）。

通常最大高程差ΔH越小，平地效果越好。该方法比较简单，但评估结果误差较大，一般用于在进行作业抽查时对平地作业质量的评估。

1.2 农田表面相对高程的标准偏差值（Sd）

土地平整的精度多用平整精度指标来定量描述，按标准偏差（Sd）予以衡量，中国机械平地精度通常为（Sd）=5～10 cm。具体的计算公式和举例如下：

标准偏差值Sd为

式中，hi——田块内第i个测点的高程（cm）；hd——第i个测点的期望高程（cm），一般指该点的平地设计高程；n——田块内所有测点的数量。

通常情况下，标准偏差Sd值为零，理论上可达到的最佳农田平整精度，但在实际作业中，Sd值很难为零。Sd值越大说明土地平整的效果越差。美国常规平地方法和GPS平地技术所能达到的田面最小Sd值分别为2.0～2.5 cm和1.2 cm。

1.3 高差分布列（ED）

高差分布列（ED）用来评价农田地面形状的差异及其分布特征，其通过计算农田地块内所有测点到拟合平面的垂直距离从而得到的小于某一距离值（在当地约为5 cm）的测点的累积百分比数α，来评价田间地面形状的差异及其分布的特征。

设随机变量X，X表征是否满足，若满足条件，X的值为1；反之则为0，α越大，说明高差分布越均匀，平整效果越好。

这3种评估方法仅能对农田土地平整质量进行简单评估，对比较规则的地块评估较精确，而对地形相对复杂的地块作业质量评估的精确度会出现一定的下降，不能对不规则边角地块进行精确评估，仅适用于简单和初步的质量评估。若需获得更加精确的平地机作业质量评估数据，则需要使用更加精确的方法进行计算[3]。

2 土地平整质量精确评估

平地机在进行平地作业时，一般使用机械化平地设备，难免会对地形造成一定的改变。而作业地块的边角往往难以进行平地作业，这些未进行作业的地块面积通常占整个地块面积的3%～5%，而流水的冲刷和土壤长时间的浸泡，以及农民作业时无意对农田地形进行的改变，都会影响质量评估的精度。因此，需要一种精确的方法来对GPS平地机的作业质量进行精确评估。

在使用传统平地机进行作业时，农机作业人员往往凭肉眼和经验，或使用以上几种传统方法进行作业前后评估，虽然可以使农机作业人员对作业地块的高程情况初步了解，然而高程数据中存在着一定的误差，易造成重复作业和边角地块漏作业，增加作业时间和成本。为了避免由于测量方法所造成的误差导致对作业质量评估的不精确，采用测量结果相对误差较小的方格网法对平地机作业质量进行评估。

使用方格网法对平地机作业质量进行评估的基本原理是：先使用高精度RTK差分GPS接收机和钢尺对作业地块进行精确测量，然后使用手工或计算机软件绘制作业地块二维平面图，把要平整的土地分成若干方格，测出各方格点的高程，计算出平均高程，然后根据平均高程和设计高程进行对比，进行平地作业质量评估。

2.1 测量设置方格网

在绘制完地块二维平面图之后，需要对整个地块进行网格编辑，编辑的范围包括建立统一的方格网系统，并建立地块方格网图。在建立方格网图时，将地块边缘任何一点作为起点，网格之间距离可以设定为合适的长度，要求网格尽量是正方形（采用正方形网格，后续计算比较简单）。美国网格间距一般是30.5 m左右。对于小型的水田地块来说，建议使用10 m左右的距离为网格间距，各方格点按所在的横纵行列进行统一编号，即可完成二维方格网图[4]。

2.2 测量各方格点处的地面高程

用钢尺或水准仪对农田地块的各个网格进行实地测量，多次测量后取平均值，即可得出比较准确的高差数据（精确到mm），为了与GPS数据进行对比和运算方便，需要将其转换成高程数。

2.3 计算方格网的平均高程

在划分网格之后，在作业地块边缘有一部分不规则的边缘，这些不规则边缘地块的面积往往少于普通网格的面积。如果对其忽略不计，或者不足一个网格面积的按照一个网格计算，容易造成一定的误差，采用算术平均法计算平均高程会产生一定的误差，影响评估质量。所以，一般采用加权平均法计算，需要一个比值公式来对其进行计算，其公式为：

式中，？兹ij——第i行j列的网格和标准网格面积之间的比值；Aij——第i行j列网格点面积；As——标准网格面积。

如果是正常的網格，？兹ij=1，若果是边缘地块的网格，？兹ij往往小于1。

对于第i行的平均高度Ei其计算公式为：

式中，N′——网格数量；Eij——在地块E（X，Y）现场测量的（i，j）点高程。

类似的第j列的平均高度Ej的计算公式为：

最后，地块的平均高程Ef可以通过或Ei和Ej之间求和再除以相应的网格数来求出。

Ef=（Ei+Ej）/N′ （7）

式中，N′——网格数量；Ei——第i行平均高程；Ej——第j列平均高程。

根据地块的平均高程Ef和设计的标高H之间差来评估平地机的作业质量。它们之间的差的绝对值Hd越小，平整效果越好。

Hd=|H-Ef| （8）

式中，Hd——高程误差；H——设计标高；Ef——地块平均高程。

黑龙江省853农场农田地块比较平坦，大多数是规则的方格田（格田长度为60～120 m，宽度为60～120 m），无需进行边缘地块的计算。经过多年的作物种植和土地平整，虽然有的农田地貌比较复杂，地面高差也只在1 m以内，一般的情况下使用差分GPS接收机即可对其进行测绘。

3 三维地形曲面图评估法

使用精确评估法对平地机的作业质量进行评估具有测量精度高、评估结果准确等优点，但这种方法费时费力，在现在人力资源成本较高的条件下不利于大规模推广应用。因此，采用差分GPS接收机测量数据，使用MATALAB软件进行数据处理，生成三维地形曲面图，对平地机作业质量进行评估。

3.1 田间试验时间及地点

2014年10月在黑龙江省853农场进行了水田搅浆平地测试，在853农场五分场二队一块约0.3 hm2的水田中进行。

3.2 架设GPS差分基准站与移动站

用两台天宝GPS接收机（1台GPS基准站+1台GPS流动站），使用三脚架架设GPS差分基准站，对GPS差分基准站进行设置，基准站与流动站的距离不宜太远。

将GPS流动站安装在平地机上，然后设置GPS流动站，平地机的作业速度为6～8 km/h，开始采集并记录位置坐标点数据，并保存在车载计算机SD卡中[5]。

3.3 水田搅浆平整作业试验

在进行水田搅浆平地作业前，用车载RTK差分GPS接收机测量作业地块地表的起伏偏差，然后用Matlab软件绘制出田地三维地形曲面图。在田边选取合适的地点开始进行水田搅浆平地作业，安装有GPS高程控制系统的搅浆平地机田间作业如图1所示。搅浆平地之前地块内高低起伏偏差在26 cm以内，比较平缓的地块，平整三四遍便可完成。

水田搅浆平地作业数据可以进行存储，并通过数据线或SD卡传输到计算机中，用于搅浆平地作业数据分析与处理，评估水田搅浆平地作业效果。获得的数据可以存储在扩展名为.txt的文本文件当中，然后以数据库的形式保存；也可以直接存入已经建立的数据库中，每条记录包括经度、纬度和高程三维坐标。针对农业应用，由于GPS接收的数据是三维坐标（经度、纬度、高程），由于地球是椭圆形的，经纬度属于立体坐标，而在实际应用中通常用平面的二维坐标（x、y），因此必须进行坐标变换。

通过UTM投影正算公式可以把已知经度和纬度的坐标转换到x、y的坐标[6]。

式中，x、y——平面直角坐标系的纵、横坐标；l、B——椭球面上大地坐标系统的经纬度；X——由赤道至纬度B的经线弧长；N—卯酉圈曲率；η-η2= e2cos2B，其中e为地球的第二偏心率[7]。

为进行试验数据处理，作业后进行数据处理时可先把记录在.txt文件中的记录导出到Excel表格中，如表1所示。

将采集记录的数据进行坐标转换，将经纬度坐标转换为x、y坐标。然后使用Excel软件对高程进行分析，进行降噪处理后，得到作业地块高程统计直方图，如图2所示。根据该图对作业地块的高程分布情况有初步了解，为作业质量分析提供依据。

使用Matlab软件作为GPS数据处理和田地地形曲面图绘制的工具，利Matlab分析软件极其强大的数据可视化功能，根据试验记录数据制作出平地机作业地块三维地形曲面图，反映出农田平整前后的地势变化情况。其中红色部分的区域对应地势相对较高，蓝色部分的区域则对应地势相对较低[8]。所以在进行平地作业的时候，应该从红色区域向蓝色区域进行堆土，以保证作业精度和作业效果，如图3所示。该图是利用GPS接收机对农田地形测量插值后的农田地形测量三维曲面图（高程差分布图）。

4 结论

使用GPS平地机进行平地作业之后，使用RTK差分GPS接收机、钢尺和水准仪对作业后地块进行测量并采集数据，对作业效果进行评估，得出以下结论：

1）使用精确的评估方法进行评估，RTK差分GPS搅浆平地作业后高程差变為8 cm（±4 cm）。精确评估法虽然准确，但是其操作繁琐，自动化程度低，不适用于文化程度普遍较低的人员使用。

2）三维地形曲面图评估法具有自动化程度高，无需进行复杂的人工计算。使用软件对三维地形曲面图进行简单的处理和分析即可得出作业质量。作业地块几乎全部为浅蓝色，证明作业后地块中高程差很小，根据三维地形曲面图中的色差尺进行对比，作业之后的高程误差不超过10 cm（±5 cm）。

根据国家《高标准农田建设标准》，水田平整的高程差不得大于15 cm，GPS平地机的作业质量符合其标准[9]，其作业精度可以满足水田搅浆平地作业。

参考文献：

[l] 李益农，许 迪，福 祥，等.GPS在农田土地平整地形测量中应用的初步研究[J].农业工程学报，2005，21（1）：66-70.

[2] ADARWAL M C，GOEL A C.Effect of field levelling quality on irrigation efficiency and crop yield[J].Agricultural Water Management，1981，4：70-73.

[3] 雷晓萍，刘晓峰.土地开发整理工程中几种常用的土地平整技术[J].宁夏农林科技，2009（5）：51-53，85.

[4] Guidelines for designing and evaluatin surface irrigation system：Land leveling[EB/OL].http：//www.fao.org/docrep/t0231e/t0231e08.htm[2015-10-12].

[5] 陈 奇.GPS静态测量和四等水准测量的高程比对[J].中国新技术新产品，2011（15）：6-7.

[6] 冯红宝，王 庆，万德钧.GPS车载导航中的坐标转换[J].中国惯性技术学报，2002，10（6）：29-34.

[7] OSARI H. A new method for assessing land levelingto produce high quality consolidated paddy fields[J].Paddy & Water Environment，2003，1（1）：35-41.

[8] 庄卫东，汪 春，王 熙.基于MATLAB的农田信息可视化实现[J].农机化研究，2011，33（6）：137-140.

[9] NY NY/T 2148-2012，高标准农田建设标准[S].