GPS农田平地机土方量及设计高程计算软件开发

王新忠+王熙+王少农+庄卫东

摘要：使用全球卫星定位系统（GPS）农田平地机进行平地作业前，要对平地作业地形进行测量，计算出平地作业土方量，包括挖方量和填方量，根据挖方量与填方量相等的原则，再计算出平地机设计高程，将设计高程导入GPS平地机自动控制系统里，可使GPS农田平地机更精准设定高程，从而自动控制平地机的作业。传统的手工计算土方量及设计高程方法过于复杂，为了提高计算工作效率，方便用户使用，开发了基于VB 6.0编程软件的平地机土方量及设计高程计算软件。经过田间平地测试检验，该软件能够提高平地作业效率。

关键词：全球卫星定位系统；平地机；农田平整；计算软件

中图分类号：P228.4+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）06-1146-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.039

Abstract： Before using the Global Positioning System（GPS） field grading operation， we should measure the topographic features and calculate the earth volume of grading operation， including the excavation volume and filling volume， and then calculate the design elevation of grader according to the principle of equal amount of excavation and filling volume. The design elevation was then input into the automatic control system of GPS grading machine， which provide a more accurate height setting， as well as automatic control of grader work. As the manual calculation of earthwork and elevation design method is too complicated， a software for calculating the earth volume and design elevation of grader was developed based on VB 6.0 programming software in order to improve the computational efficiency. Field leveling test，showed that the software could improve the efficiency of flat ground operation.

Key words： Global Positioning System； grader； field grading； calculate software

隨着高精度全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）农田平地机的推广应用，需要开发与之配套的土方量及设计高程计算软件，为GPS平地机作业计算出土方量，并为GPS平地机自动控制系统提供设计高程。GPS平地机在作业时，要根据农田地块实际高程与设计高程间的差异进行挖方或填方作业，从而尽量利用农田地块内的土方进行土地平整，以减少将农田地块内多余的土方外弃，或运载外面的土方进入农田地块进行填方。使用GPS平地机自动控制系统时，需要输入精准的设计高程。GPS平地机使用此设计高程进行平地作业，可以使平地作业所产生的挖方量和填方量基本相等。基于此，根据GPS平地机农田平地作业实际需求，研究了GPS平地机平地土方量及设计高程计算方法，并使用VB 6.0编程软件开发出了GPS平地机土方量及设计高程计算软件。该软件能够充分利用农场或农村农机合作社现有车载高精度GPS接收机，对作业地块测量所采集到的三维数据进行处理和分析，得到地块的三维地形图；根据三维地形图计算出作业地块平均高程，依据高程差计算出作业地块挖方量和填方量，根据挖方量和填方量相等原则得出设计高程。这样无需使用价格昂贵的全站仪，降低了测量作业成本[1]。该软件主要有以下功能：①可以比较准确的计算出平地作业所产生的挖方量和填方量。根据平地作业所产生的土方量计算GPS平地机的工作量，为平地作业结算提供准确的数据。②为平地作业提供农田地块地形图，供作业农机技术人员进行作业路线规划参考，便捷地将土方从高处向低洼处实施推运。③计算出GPS平地机自动控制系统所需要的设计高程，为平地机平地作业提供作业高程基准，以最小的土方运送量，达到较高的土地平整精度。GPS农田平地机土方量及设计高程计算软件窗口如图1所示。

1 国内外状况

1.1 国外农田平地作业计算软件

目前国际上农田平地作业计算软件主要为美国约翰迪尔（JOHN DERRE）公司的ApexTM软件、美国凯斯（CASE）公司AFS软件和日本拓普康（TOPCON）公司AGForm-3D软件。

1.1.1 美国约翰迪尔公司ApexTM软件 ApexTM软件是美国约翰迪尔公司为其农机具推出的软件，有各种版本，分别可以在PC机和手机上运行，还可以在约翰迪尔公司的Green Star车载计算机上运行，操作人员在作业现场驾驶带有GPS接收机的拖拉机作S形运动时，车载计算机自动记录作业地块的数据，通过车载计算机中的ApexTM软件对数据进行分析，然后得出最优解决方案，从而帮助操作人员进行平地作业。

1.1.2 美国凯斯公司AFS软件 美国凯斯公司AFS软件是农机配套的软件，它可以和凯斯拖拉机配套使用，AFS软件中有AFS Water Control模块，该模块可以对作业地块进行分析、土方量计算，还可以进行自动化地形测量、坡度设定等，通过坡度平地作业来有效的分配水资源，提高水资源利用效率，降低用水成本，从而节约灌溉用水。

1.1.3 日本拓普康公司AGForm-3D软件 日本拓普康公司AGForm-3D软件能够对拓普康公司GPS农田平地机采集并记录的农田地块相关信息进行处理，从而提高平地作业效率。其无需进行人工测绘作业就能完成农田地块地形测量，自动完成作业地块设计图的绘制。

1.2 国内农田平地作业计算软件

发达国家的农田平地作业计算软件经过多年的实际应用已经比较成熟，并可以进行商业化应用，但因为价格和使用习惯等原因，无法在国内进行大规模的推广应用。近年来，国内的一些高校和科研单位应用地理信息系统平台进行了土方量计算软件研究与开发，先后开发出了基于GPS平地机的土方量计算软件，取得了较好的应用效果。

1.2.1 南方测绘公司CASS系列软件 南方测绘公司CASS系列软件对于工程中常见的情况提出了各种土方量计算方案，包括利用DTM模型、断面、方格网、等高线等几种方法，可以应用于各类设计面，如平面、斜面以及三角网等[2]。

1.2.2 超图公司Super Map Deskpro软件 超图公司Super Map Deskpro软件能适应各种复杂地形以及场地实际情况，具有良好的交互性，界面友好，贴近操作人员设计思路，能够在最短的时间内计算出土石方量；其提供了6种土石方量计算方法，对于土方挖填量的结果可进行分区域调配优化，解决了平地土方量平衡要求。

2 土方量及设计高程计算软件研究与开发

为了满足平地作业实际需求，课题组应用VB 6.0软件研究开发了土方量及设计高程计算软件，为自行研制的GPS农田平地机配套使用，其可为GPS农田平地机自动控制系统提供设计高程，使其能够移动最少的土方量完成土地平整作业。

2.1 土方量及设计高程计算方法

农田平地土方量计算是GPS平地机进行平地作业前的一个重要的步骤；在进行平地作业之前需要根据作业地块的实际情况，计算出平地作业所产生的挖方量和填方量。

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，其是用数字形式的X、Y、Z轴坐标来表示作业地块的地形[3]。使用DEM计算农田平地作业所产生的土方量，要根据实地测量的坐标（使用RTK差分GPS接收机进行测量）X、Y、Z和设计高程，计算每一个网格（图2）的填方量和挖方量，最后将所有的网格作业所产生的土方量进行累计，得出作业地块总的挖方量和填方量。

DEM主要有两种表示方式，一种是基于规则方格网的DEM（Grid Based DEM），另一種是基于三角网的DEM（Triangle Based DEM）。而其中规则方格网法计算土方量更有利于使用GPS测量数据，方格网法计算相对简单，并且便于进行VB 6.0计算机程序设计，所以在本研究中使用DEM方格网法作为农田土方量及设计高程的计算方法。

DEM方格网法是将作业地块划分为若干个面积相等的方格，方格一般为边长10～20 m的正方形。在进行土方量计算时，可以在作业地块上使用高精度的车载GPS接收机测量每个方格网点高程，然后根据平均高程与方格网点高程之间的高程差，求出各方格的填挖土方量[4]。

在进行平地作业之前，根据方格网各网点高程使用加权平均法，求整个作业地块的平均高程（Hev）。使用VB 6.0编制的土方及高程计算软件对GPS接收机测量的地形数据进行处理及分析，生成作业地块DEM方格网，然后对每一个方格网点的高程进行加权平均计算，得出作业地块加权平均高程[5]。其计算公式为：

Hev=■， （1）

式中，Hev为作业地块加权平均高程（m）；Hi为各方格网点高程（m）；Pi为各方格网点权重；n为方格网点个数；然后根据作业地块平均高程（Hev）和方格网地块高程（Hi）差计算出平地作业的挖方量和填方量，若Hi>Hev，则该方格网需要进行挖方作业；若Hi

V=S（■+■+∑Hcf（m））， （2）

式中，V为方格网地块的填挖土方量（m3）；S为方格网的面积（m2）；Hcf（c）为方格网角点高程（m）；Hcf（s）为方格网旁点高程（m）；Hcf（m）为方格网中间点高程（m）。将所有网格的挖方量和填方量进行累计，即可得到作业地块总的挖方量和填方量。然后对平均高程进行微调，使用软件计算出的挖方量和填方量基本相等，即可得到该作业地块的设计高程。

2.2 计算软件设计

使用手工计算土方量及设计高程比较复杂，费时费力，所以设计开发了基于VB 6.0的土方量及设计高程计算软件，用于计算农田平地作业所产生的土方量及设计高程，评估平地作业前后所产生的挖方量和填方量；这里无论采用哪种方法计算挖方量和填方量，都可以视作计算平地作业所移动土壤的体积[3]。使用土方量及设计高程计算软件计算GPS平地机平地作业所产生的土方量的流程见图3。从图3可见，使用方格网法对农田地块土方量计算步骤包括数据输入、生成方格网、切分方格网、作业地块高程差计算和方格网土方量计算5个步骤。

平地机GPS高程自动控制系统能够精准控制平地铲的高程；平地作业前，需要向自动控制系统输入精准的设计高程。该软件还可以为GPS农田平地机自动控制系统提供设计高程，同时还可以生成GPS农田平地机作业轨迹散点图，具体见图4。从图4可见，软件运行步骤包括GPS数据文件导入、数据格式检查、挖方量及填方量计算、计算设计高程并生成作业轨迹散点图。

2.3 农田平地应用实例

为了验证GPS平地机土方量及设计高程计算软件的使用效果，2014年10月，在黑龙江省八五三农场五分场二队约0.43 hm2旱田地块，使用自行研制开发的GPS农田平地机进行了平地测试试验。

在进行平地作业之前，为了得到农田作业地块的地形数据信息，操作人员使用拖拉机牵引安装有高精度的车载GPS接收器的平地机，在作业地块上进行S形轨迹的行走，进行作业地块地形数据的采集，测量作业见图5。由于农田地形测量作业无需专业技术人员及使用全站仪等价格昂贵的设备，充分利用了农场或农村农机合作社现有的高精度GPS接收机，所以降低了农田地形测量作业成本。

车载GPS接收机把采集到的地形数据存储到车载计算机中，测量完成后，将GPS数据从车载计算机中导出，导入到PC机中进行数据处理和分析，生成后缀为.txt的纯文本数据文件，试验数据见表1。

GPS平地机土方量及设计高程计算软件可以直接利用.txt格式纯文本数据文件进行农田土方量和设计高程的计算，无需将其转换为数据库格式的文件，如Access、SQL Server，或其他格式文件，所以操作简单，使用方便。将测量作业数据导入GPS平地机土方量及设计高程计算软件中进行数据处理和分析[6]，经软件格式检查和降噪处理后，生成平地机行走轨迹离散点平面图（图6）。然后对平地机行走轨迹离散点平面图进行离散点网格化，生成方格网图（图7），再对方格网化的农田作业地块面积进行计算[7]，得出的农田作业地块面积为4 275 m2，大约为0.43 hm2。

本软件还能够根据作业地块每一个网格的高程使用加权平均算法求出作业地块的平均高程，然后计算出加权平均高程作为设定高程所产生的挖方量和填方量，此时，挖方量和填方量之间有一定的误差，根据挖方量和填方量相等时产生的土方量最小原则，对平均高程进行微调和优化，通过计算调整后得出最优设计高程[8]。当设计高程不同时，农田地块平地作业产生的挖方量和填方量见表2。从表2可见，当设计高程为83.172 6 m时，挖方量和填方量之间差值最小，为0.06 m3。也就是说，GPS农田平地机使用此设计高程进行平地作业，所产生的土方量最小。

3 小结

课题组比较了农田平地作业所产生的填方量和挖方量及设计高程计算方法，设计开发了基于VB 6.0的土方量及设计高程计算软件，用于计算农田平地作业所产生的土方量及设计高程。通过在农田地形测量、填方量和挖方量及GPS农田平地机设计高程计算中使用本软件，取得了很好的应用效果，提高了工作效率，满足了农田平地作业实际需要。

参考文献：

[l] 乔瑞波.基于GPS高程离散点的土地平整土方量计算方法[J].河北农业科学，2009，13（8）：171-172.

[2] 刘建英.南方CASS软件土方量计算方法的探讨以及特殊地貌土方量的计算[J].城市勘测，2008（5）：139-141.

[3] 徐敬海，李明峰，刘伟庆.一种基于DEM的土方计算方法[J].南京建筑工程学院学报（自然科学版），2002（1）：26-31.

[4] 张海印.土方精度与方格网边长之关系的研究[J].华东地质学院学报，2000（3）：69-73.

[5] 吴敬文，周丰年，赵 辉.基于方格网节点的土方量計算方法研究[J].测绘通报，2006（11）：43-57.

[6] 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（6）：137-140.

[7] 汤国安，赵牡丹.地理信息系统[M].北京：科学出版社，2000.

[8] 韩奎峰，孟 峰.VB 6.0和Surfer Automation技术开发土方量计算程序[J].水土保持研究，2007，14（5）：390-392.