手持农田面积测量终端研制

董 康 刘文国 孟志军 付卫强 武广伟

1 山东省水利勘测设计院测绘中心，山东 济南，250013

2 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京，100097

农田面积是农田基本建设、农业生产管理和农机作业中最基础的数据之一。田块的大小直接决定了种子、化肥、农药等生产资料的投入量，同时也是农业机械进行田间作业计算工时和收费的主要依据。传统的农田面积测量方法大多为使用皮尺测量或者根据经验判断，虽然简单实用，但只适合测量小面积的矩形田块，对于大面积田块的测量，使用传统方法则费时费力，测量误差较大，并且很难实现不规则田块的面积测量。

GPS能够提供实时的位置信息，是支撑精细农业实践的核心技术之一［1⁃4］。利用GPS定位设备可以采集农田地块边界上各个特征点的坐标，再通过数学方法计算农田面积，实现对农田地块面积的测量［5⁃13］。一些商品化的手持型GPS定位设备具有面积测量功能［14⁃18］，但通常成本较高、操作复杂，且不具备满足农业实际应用需要的作业计费等功能。随着目前农机跨区作业的迅速发展，需要一种简单实用、稳定可靠且精度较高的农田作业面积测量设备。本文设计开发了一种手持农田作业面积测量终端［19］，能够实现对任意几何形状农田地块面积的快速测量。此外，针对影响农田面积测量精度的3个因素（地块面积、地块形状、GPS定位方式），进行了一系列实验，测试和分析了该仪器的面积测量精度。

1 手持农田面积测量终端的设计

1.1 硬件系统设计

硬件装置结构如图1所示，按照嵌入式硬件技术集成的思路，基于ARM11（advanced reduced in⁃struction set computer machine11）体系架构的嵌入式主板，构建基于高性能微处理器模块、集成GPS模块、无线传输模块通用分组无线业务/码分多址（general packet radio service/code division multiple access，GPRS/CDMA）、数字图像获取模块的手持型嵌入式信息采集硬件装置。通过嵌入式主板串行接口接入12通道GPS原始设备制造商（original equipment manufacture，OEM）板模块实现位置信息采集，该GPS模块的单点定位精度小于2.5 m，并支持星基增强系统（satellite based augmentation sys⁃tems，SBAS）、网络差分等外部差分定位方式，能够达到亚米级差分定位精度；通过嵌入式主板串行接口连接内嵌传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）的GPRS无线传输模块，以支持网络差分改正数据的接收；通过嵌入式主板上的总线接口接入互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semicon⁃ductor，CMOS）摄像头模块，以获取农田作业过程中的所需图像信息。系统采用触摸屏和键盘作为输入，液晶显示器（liquid crystal display，LCD）作为输出，支持RS232串行接口、通用串行总线（univer⁃sal serial bus，USB）接口及其他通用总线接口，具有256 MB随机存储器（random access memory，RAM），并支持大容量Flash存储卡、TF（trans flash）存储卡。通过上述设计，形成一种成本适宜、集成度高、稳定可靠、操作便捷、通用型强、支持各类农业信息快速采集与应用的嵌入式一体化硬件装置。此外，针对农业作业环境中潮湿、尘土等恶劣条件，设计防尘、防震、防水的三防工业级坚固壳体，增强硬件系统的耐用性，并基于三防壳体设计硬件装置的电路底板，为嵌入式主板及各模块提供电源供电电路、锂电池充电电路、电平转换电路、集成电路总线（inter⁃integrated circuit，IIC）扩展键盘电路、触摸屏电路等。

图1 硬件装置结构Fig.1 Structure of Hardware

采用专用工具Platform Builder定制适合该硬件装置的Windows CE（Windows embedded compact）实时嵌入式操作系统。首先，根据嵌入式装置的硬件配置，进行包括Bootloader、板级支持包（board support package，BSP）、原始设备 适配层（original equipment manufacture adaptation layer，OAL）、操作系统相关组件和Platform Builder 5.0自带应用的选择；然后，通过配置文件（.reg文件、.bat文件、.bib文件）对操作系统进行裁剪，并添加支持应用程序的相关组件；最后，编译内核，在编译目录下创建NK.bin文件，并将其作为操作系统内核。

1.2 GPS差分定位实现方式

在农田作业面积测量中，米级GPS单点定位精度并不十分理想，尤其是对于面积较小的农田地块，会影响到地块面积的测量计算结果，因此采用差分方式能够有效提高GPS定位精度。常用的差分方式有如下几种：

1）SBAS卫星差分方式是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。目前，全球发展的卫星差分系统有覆盖美洲大陆的广域增强系统（wide area augmentation system，WAAS）、覆盖欧洲大陆的欧洲星基增强系统（European geosta⁃tionary navigation overlay service，EGNOS）、覆盖亚洲大陆的日本星基增强系统（multi⁃functional trans⁃port satellite⁃based augmentation system，MSAS）等。目前，中国东部的一部分GPS用户可以使用MSAS，但是受到地域限制，且可靠性较差，往往不能满足应用要求。

2）自主差分方式是由GPS用户自行建立的可以覆盖数十千米的GPS差分参考站，根据基站和流动站设备的情况，选择通过电台、全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）方式收发差分改正数据，建立自主差分系统。

3）连续运行基准站（continuously operating reference station，CORS）系统基站差分方式。CORS系统是一个利用现代计算机、数据通信和互联网技术将一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站组合起来的网络，能够实时、自动地向不同类型、不同需求的用户提供经过检验的载波相位或伪距GPS观测值、差分改正数据以及其他相关的GPS服务项目等。

本文设计的嵌入式一体化硬件装置能够支持以上3种差分定位方式。

1.3 应用软件设计

基于定制开发的Windows CE实时嵌入式操作系统，根据多边形面积测量原理，本文设计并开发了农田作业面积测量应用软件。基于GPRS网络的CORS基站连接配置界面和农田面积测量界面如图2所示。

图2 应用软件界面Fig.2 Interfaces of the Application Software

该农情信息采集软件可在用户开始测量后自动记录用户的作业轨迹，在用户结束农业机械作业后自动生成农田地块，并计算地块数量与每个地块的面积。根据设定的农业机械作业单价，计算和输出农业机械作业费用明细。用户可在结束测量后对已测量地块输入对应的机械作业信息，软件将地块测量空间信息与作业信息以文件形式进行记录，便于后期对该区域进行农业分析。

2 面积测量终端精度实验

为了检验该农田面积测量终端的精度，在国家精准农业示范基地选取实际农田地块进行面积测量精度检测实验。

2.1 实验设计与方法

根据面积测量原理，影响农田面积测量精度的主要因素为地块面积、地块形状和GPS定位精度。因此，本文设计如下实验：地块面积因素取4个水平级别（500 m2、2 500 m2、5 000 m2、10 000 m2）；地块形状因素取3个水平级别（方形地块、条状地块、不规则形状地块）；GPS测量方式取3个水平级别（单点定位方式、SBAS卫星差分方式、CORS基站差分方式），其中，SBAS卫星差分方式采用的是日本MSAS的差分改正数据，CORS基站差分采用的是国家精准农业示范基地的CORS单基站差分系统的差分改正数据。

农田地块面积测量精度的相对误差δ计算公式如下：

式中，a为手持农田面积测量终端的实际测量值；A为地块标准面积，实验中以美国Trimble公司的GPS⁃RTK 5700双频GPS接收机所测算的地块面积值为地块标准面积。在动态条件下，该GPS设备的平面测量精度可达到±1 cm+1×10−6m，能够满足实验要求。

根据实验设计挑选一系列符合条件且周边不存在较大障碍物的农田地块，以免影响GPS定位精度。本文选取的11个地块形状如图3所示，图中地块标识数字为标准面积（单位：m2）。由于面积约为10 000 m2的较大不规则地块少，故未进行此水平级别的地块面积测量实验。在测量地块面积前，对每个地块边界进行划线界定，以保证同一地块沿同一路径进行重复测量。首先，使用Trimble GPS⁃RTK 5700测量各个地块边界并计算地块标准面积。然后，采用手持农田面积测量终端在不同GPS定位方式下测量地块边界。对于同一地块，利用Trimble GPS⁃RTK 5700和手持农田面积测量终端分别进行两次重复测量，以保证数据可靠。

图3 不同形状的试验地块Fig.3 Fields with Different Shapes

2.2 实验数据处理与分析

利用Trimble Geomatics Office软件将Trimble GPS⁃RTK 5700测量的地块边界特征点大地坐标转换为平面直角坐标，并进行农田地块标准面积计算。手持农田面积测量终端可以实时输出所测面积值。根据式（1）计算各地块在不同GPS定位模式下的面积测量相对误差，对同一地块的重复面积测量计算结果取平均值，实验数据处理结果见表1。比较3种GPS定位方式下不同形状地块面积测量结果的相对误差值，如图4所示。

表1 面积测量相对误差Tab.1 Relative Errors of Area Measurement

图4 3种GPS定位模式下各地块的面积测量相对误差Fig.4 Relative Errors of Area Measurement of Different Fields Under Three GPS Positioning Modes

1）地块面积对测量精度的影响。由图4可以看出，在3种GPS定位方式下，各种形状的地块面积测量精度均具有相同的变化趋势，即随着被测地块面积的增大，面积测量值的相对误差逐渐减小；当被测地块面积超过5 000 m2时，面积测量相对误差变化曲线趋于平缓，各种形状的地块面积测量相对误差均小于3%，已经达到实际农田生产资料投入和收费的精度要求。

2）地块形状对测量精度的影响。由图4可以看出，地块形状因素对面积测量的精度同样具有重要的影响。比较3种形状的地块面积测量精度，发现整体上方形地块的面积测量精度最高，不规则地块次之，条状地块精度最差。测量5 000 m2以下的小面积地块时，相同面积级别的条状地块的测量相对误差比方形地块的测量相对误差高1.48%~4.22%。但随着地块面积增大，不同形状地块的测量精度差异逐渐缩小。

3）GPS定位方式对测量精度的影响。如图5所示，对比不同GPS定位方式对各地块面积测量精度的影响，可以得出如下结论：

图5 不同地块面积下各定位方式的相对误差Fig.5 Relative Errors of Different Positioning Methods Under Different Field Areas

当被测地块面积大于500 m2并小于5 000 m2时，CORS基站差分方式和SBAS卫星差分方式下的面积测量精度较高，相对误差均小于5%，而在单点定位方式下的面积测量相对误差较大。但是CORS基站差分方式和SBAS卫星差分方式之间的面积测量精度差异很小。当被测地块面积大于等于5 000 m2时，所有定位方式下的面积测量相对误差均小于3%。

因此，被测地块面积大于等于5 000 m2时，使用单点定位或差分方式均可；测量地块为5 000 m2以下的较小地块时，则最好使用CORS基站差分或SBAS卫星差分定位方式，以保证面积测量精度。

3 结束语

1）本文设计的嵌入式一体化手持农田面积测量终端支持单点定位、CORS基站差分、SBAS卫星差分等多种不同GPS定位方式，能够实现对任意几何形状农田地块面积的快速测量，并支持实时计算和输出农业机械作业费。

2）手持农田作业面积测量终端的测量精度受地块面积、地块形状、GPS定位方式等因素影响。在地块面积影响因素方面，随着被测地块面积的增大，面积测量精度提高；在地块形状影响因素方面，方形地块的面积测量精度最高，不规则地块的面积测量精度次之，条状地块的面积测量精度最差；在GPS定位方式影响因素方面，两种GPS差分定位方式下的面积测量精度显著优于单点定位方式。综合3种影响因素，对面积大于等于5 000 m2的任意形状农田地块进行面积测量时，无论采用何种GPS定位方式，相对误差均小于3%，能够达到实际应用精度要求；当被测地块面积在2 500 m2左右时，差分模式下的面积测量相对误差均小于5%，优于单点定位精度，宜优先采用差分模式。