基于RTK差分GPS的平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)估

王新忠+王少農(nóng)+莊衛(wèi)東+王熙

摘要：為了取得平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)，評(píng)估RTK差分GPS平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量效果，對(duì)853農(nóng)場(chǎng)約0.3 hm2水田進(jìn)行了攪漿平地試驗(yàn)。先使用了傳統(tǒng)的農(nóng)田作業(yè)質(zhì)量評(píng)估方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的初步評(píng)估，為了得到更加準(zhǔn)確的評(píng)估數(shù)據(jù)，再使用了精確的農(nóng)田質(zhì)量評(píng)估方法。評(píng)估結(jié)果表明，使用RTK差分GPS平地機(jī)進(jìn)行農(nóng)田平地作業(yè)，能夠滿足農(nóng)田平整精度要求。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；農(nóng)田平地機(jī)；作業(yè)質(zhì)量評(píng)估

中圖分類號(hào)：S222.5；P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）24-6588-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.066

農(nóng)田表面平整度差是導(dǎo)致農(nóng)田灌溉用水利用率較低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的關(guān)鍵因素。農(nóng)田土地平整不僅可以增加有效耕地面積，還能方便機(jī)械化耕作，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[1]。水田土地平整目的是將小塊的水田整合成大塊的新水田和進(jìn)行旱改水作業(yè)，能夠增加土地的利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率[2]。GPS（Global positioning system）全球定位系統(tǒng)技術(shù)能夠獲取地表任何點(diǎn)的定位信息，具有定位測(cè)量速度快、工作效率高等突出特點(diǎn)。GNSS-RTK差分定位技術(shù)是基于GNSS載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，為用戶實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)高精度的三維坐標(biāo)定位信息，利用GNSS-RTK差分高程信息進(jìn)行田間平整作業(yè)。

隨著黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的發(fā)展，黑龍江墾區(qū)大規(guī)模購(gòu)進(jìn)裝有高精度GPS接收機(jī)的拖拉機(jī)，而墾區(qū)大部分農(nóng)場(chǎng)建有GPS固定差分站。GPS-RTK差分農(nóng)田平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠兼容國(guó)際上大部分GPS接收機(jī)，用戶只需購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)控制系統(tǒng)與拖來(lái)機(jī)上的原裝GPS接收機(jī)進(jìn)行連接，即可進(jìn)行平地作業(yè)，而無(wú)需重復(fù)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格昂貴的GPS接收機(jī)，充分利用了黑龍江墾區(qū)現(xiàn)有資源，節(jié)約了成本，有利于進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制了GPS-RTK差分農(nóng)田平地機(jī)，能夠自動(dòng)接收高精度的GPS-RTK差分高程信息，進(jìn)行平地機(jī)高程自動(dòng)控制，解決了使用普通平地機(jī)平地手動(dòng)控制、平地效果差、效率低等問(wèn)題。為了確定GPS-RTK差分農(nóng)田平地機(jī)進(jìn)行作業(yè)后的地塊平整度是否符合國(guó)家《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，本研究使用三維地形曲面圖評(píng)估方法對(duì)GPS-RTK差分農(nóng)田平地機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。

1 土地平整前后的初步評(píng)估

為了保證平地機(jī)平地作業(yè)精度，在進(jìn)行平地作業(yè)之前，測(cè)量作業(yè)地塊最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的位置，并做相應(yīng)的記錄，求出平均高程值，為GPS-RTK差分農(nóng)田平地機(jī)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

使用平地機(jī)水田作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量避免在水中進(jìn)行測(cè)量。水田地塊灌水后，不僅會(huì)造成測(cè)量環(huán)境泥濘，加大測(cè)量難度，還會(huì)對(duì)土壤表面進(jìn)行沖刷，滲透到土壤之中，造成地形的改變，而且水面的折射和反射可能會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)的誤判，影響平地精度。因此，在灌水之前完成相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，再進(jìn)行灌水和水田攪漿平地作業(yè)。常用的土地平整前后的初步評(píng)估方法主要有以下3種；分別是通過(guò)最大高程差（ΔH）、農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差值（Sd）和高差分布列（ED）來(lái)對(duì)農(nóng)田的平整前后進(jìn)行初步評(píng)估。

1.1 最大高程差（ΔH）

最大高程差（ΔH）是在進(jìn)行土地平整前后的初步評(píng)估中最常使用的方法，其需要對(duì)整個(gè)地塊隨機(jī)取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后從測(cè)量結(jié)果中取最大高程值Hmax和最小高程值Hmin，然后對(duì)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——作業(yè)地塊內(nèi)最大高程值（m）；Hmin——作業(yè)地塊內(nèi)最小高程值（m）。

通常最大高程差ΔH越小，平地效果越好。該方法比較簡(jiǎn)單，但評(píng)估結(jié)果誤差較大，一般用于在進(jìn)行作業(yè)抽查時(shí)對(duì)平地作業(yè)質(zhì)量的評(píng)估。

1.2 農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差值（Sd）

土地平整的精度多用平整精度指標(biāo)來(lái)定量描述，按標(biāo)準(zhǔn)偏差（Sd）予以衡量，中國(guó)機(jī)械平地精度通常為（Sd）=5～10 cm。具體的計(jì)算公式和舉例如下：

標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd為

式中，hi——田塊內(nèi)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程（cm）；hd——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的期望高程（cm），一般指該點(diǎn)的平地設(shè)計(jì)高程；n——田塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。

通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd值為零，理論上可達(dá)到的最佳農(nóng)田平整精度，但在實(shí)際作業(yè)中，Sd值很難為零。Sd值越大說(shuō)明土地平整的效果越差。美國(guó)常規(guī)平地方法和GPS平地技術(shù)所能達(dá)到的田面最小Sd值分別為2.0～2.5 cm和1.2 cm。

1.3 高差分布列（ED）

高差分布列（ED）用來(lái)評(píng)價(jià)農(nóng)田地面形狀的差異及其分布特征，其通過(guò)計(jì)算農(nóng)田地塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)到擬合平面的垂直距離從而得到的小于某一距離值（在當(dāng)?shù)丶s為5 cm）的測(cè)點(diǎn)的累積百分比數(shù)α，來(lái)評(píng)價(jià)田間地面形狀的差異及其分布的特征。

設(shè)隨機(jī)變量X，X表征是否滿足，若滿足條件，X的值為1；反之則為0，α越大，說(shuō)明高差分布越均勻，平整效果越好。

這3種評(píng)估方法僅能對(duì)農(nóng)田土地平整質(zhì)量進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)估，對(duì)比較規(guī)則的地塊評(píng)估較精確，而對(duì)地形相對(duì)復(fù)雜的地塊作業(yè)質(zhì)量評(píng)估的精確度會(huì)出現(xiàn)一定的下降，不能對(duì)不規(guī)則邊角地塊進(jìn)行精確評(píng)估，僅適用于簡(jiǎn)單和初步的質(zhì)量評(píng)估。若需獲得更加精確的平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)，則需要使用更加精確的方法進(jìn)行計(jì)算[3]。

2 土地平整質(zhì)量精確評(píng)估

平地機(jī)在進(jìn)行平地作業(yè)時(shí)，一般使用機(jī)械化平地設(shè)備，難免會(huì)對(duì)地形造成一定的改變。而作業(yè)地塊的邊角往往難以進(jìn)行平地作業(yè)，這些未進(jìn)行作業(yè)的地塊面積通常占整個(gè)地塊面積的3%～5%，而流水的沖刷和土壤長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，以及農(nóng)民作業(yè)時(shí)無(wú)意對(duì)農(nóng)田地形進(jìn)行的改變，都會(huì)影響質(zhì)量評(píng)估的精度。因此，需要一種精確的方法來(lái)對(duì)GPS平地機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行精確評(píng)估。

在使用傳統(tǒng)平地機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，農(nóng)機(jī)作業(yè)人員往往憑肉眼和經(jīng)驗(yàn)，或使用以上幾種傳統(tǒng)方法進(jìn)行作業(yè)前后評(píng)估，雖然可以使農(nóng)機(jī)作業(yè)人員對(duì)作業(yè)地塊的高程情況初步了解，然而高程數(shù)據(jù)中存在著一定的誤差，易造成重復(fù)作業(yè)和邊角地塊漏作業(yè)，增加作業(yè)時(shí)間和成本。為了避免由于測(cè)量方法所造成的誤差導(dǎo)致對(duì)作業(yè)質(zhì)量評(píng)估的不精確，采用測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差較小的方格網(wǎng)法對(duì)平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

使用方格網(wǎng)法對(duì)平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的基本原理是：先使用高精度RTK差分GPS接收機(jī)和鋼尺對(duì)作業(yè)地塊進(jìn)行精確測(cè)量，然后使用手工或計(jì)算機(jī)軟件繪制作業(yè)地塊二維平面圖，把要平整的土地分成若干方格，測(cè)出各方格點(diǎn)的高程，計(jì)算出平均高程，然后根據(jù)平均高程和設(shè)計(jì)高程進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行平地作業(yè)質(zhì)量評(píng)估。

2.1 測(cè)量設(shè)置方格網(wǎng)

在繪制完地塊二維平面圖之后，需要對(duì)整個(gè)地塊進(jìn)行網(wǎng)格編輯，編輯的范圍包括建立統(tǒng)一的方格網(wǎng)系統(tǒng)，并建立地塊方格網(wǎng)圖。在建立方格網(wǎng)圖時(shí)，將地塊邊緣任何一點(diǎn)作為起點(diǎn)，網(wǎng)格之間距離可以設(shè)定為合適的長(zhǎng)度，要求網(wǎng)格盡量是正方形（采用正方形網(wǎng)格，后續(xù)計(jì)算比較簡(jiǎn)單）。美國(guó)網(wǎng)格間距一般是30.5 m左右。對(duì)于小型的水田地塊來(lái)說(shuō)，建議使用10 m左右的距離為網(wǎng)格間距，各方格點(diǎn)按所在的橫縱行列進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，即可完成二維方格網(wǎng)圖[4]。

2.2 測(cè)量各方格點(diǎn)處的地面高程

用鋼尺或水準(zhǔn)儀對(duì)農(nóng)田地塊的各個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，多次測(cè)量后取平均值，即可得出比較準(zhǔn)確的高差數(shù)據(jù)（精確到mm），為了與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算方便，需要將其轉(zhuǎn)換成高程數(shù)。

2.3 計(jì)算方格網(wǎng)的平均高程

在劃分網(wǎng)格之后，在作業(yè)地塊邊緣有一部分不規(guī)則的邊緣，這些不規(guī)則邊緣地塊的面積往往少于普通網(wǎng)格的面積。如果對(duì)其忽略不計(jì)，或者不足一個(gè)網(wǎng)格面積的按照一個(gè)網(wǎng)格計(jì)算，容易造成一定的誤差，采用算術(shù)平均法計(jì)算平均高程會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，影響評(píng)估質(zhì)量。所以，一般采用加權(quán)平均法計(jì)算，需要一個(gè)比值公式來(lái)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

式中，？茲ij——第i行j列的網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格面積之間的比值；Aij——第i行j列網(wǎng)格點(diǎn)面積；As——標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格面積。

如果是正常的網(wǎng)格，？茲ij=1，若果是邊緣地塊的網(wǎng)格，？茲ij往往小于1。

對(duì)于第i行的平均高度Ei其計(jì)算公式為：

式中，N′——網(wǎng)格數(shù)量；Eij——在地塊E（X，Y）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的（i，j）點(diǎn)高程。

類似的第j列的平均高度Ej的計(jì)算公式為：

最后，地塊的平均高程Ef可以通過(guò)或Ei和Ej之間求和再除以相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)來(lái)求出。

Ef=（Ei+Ej）/N′ （7）

式中，N′——網(wǎng)格數(shù)量；Ei——第i行平均高程；Ej——第j列平均高程。

根據(jù)地塊的平均高程Ef和設(shè)計(jì)的標(biāo)高H之間差來(lái)評(píng)估平地機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。它們之間的差的絕對(duì)值Hd越小，平整效果越好。

Hd=|H-Ef| （8）

式中，Hd——高程誤差；H——設(shè)計(jì)標(biāo)高；Ef——地塊平均高程。

黑龍江省853農(nóng)場(chǎng)農(nóng)田地塊比較平坦，大多數(shù)是規(guī)則的方格田（格田長(zhǎng)度為60～120 m，寬度為60～120 m），無(wú)需進(jìn)行邊緣地塊的計(jì)算。經(jīng)過(guò)多年的作物種植和土地平整，雖然有的農(nóng)田地貌比較復(fù)雜，地面高差也只在1 m以內(nèi)，一般的情況下使用差分GPS接收機(jī)即可對(duì)其進(jìn)行測(cè)繪。

3 三維地形曲面圖評(píng)估法

使用精確評(píng)估法對(duì)平地機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估具有測(cè)量精度高、評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在現(xiàn)在人力資源成本較高的條件下不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，采用差分GPS接收機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)，使用MATALAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成三維地形曲面圖，對(duì)平地機(jī)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

3.1 田間試驗(yàn)時(shí)間及地點(diǎn)

2014年10月在黑龍江省853農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了水田攪漿平地測(cè)試，在853農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)一塊約0.3 hm2的水田中進(jìn)行。

3.2 架設(shè)GPS差分基準(zhǔn)站與移動(dòng)站

用兩臺(tái)天寶GPS接收機(jī)（1臺(tái)GPS基準(zhǔn)站+1臺(tái)GPS流動(dòng)站），使用三腳架架設(shè)GPS差分基準(zhǔn)站，對(duì)GPS差分基準(zhǔn)站進(jìn)行設(shè)置，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的距離不宜太遠(yuǎn)。

將GPS流動(dòng)站安裝在平地機(jī)上，然后設(shè)置GPS流動(dòng)站，平地機(jī)的作業(yè)速度為6～8 km/h，開(kāi)始采集并記錄位置坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并保存在車(chē)載計(jì)算機(jī)SD卡中[5]。

3.3 水田攪漿平整作業(yè)試驗(yàn)

在進(jìn)行水田攪漿平地作業(yè)前，用車(chē)載RTK差分GPS接收機(jī)測(cè)量作業(yè)地塊地表的起伏偏差，然后用Matlab軟件繪制出田地三維地形曲面圖。在田邊選取合適的地點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行水田攪漿平地作業(yè)，安裝有GPS高程控制系統(tǒng)的攪漿平地機(jī)田間作業(yè)如圖1所示。攪漿平地之前地塊內(nèi)高低起伏偏差在26 cm以內(nèi)，比較平緩的地塊，平整三四遍便可完成。

水田攪漿平地作業(yè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線或SD卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，用于攪漿平地作業(yè)數(shù)據(jù)分析與處理，評(píng)估水田攪漿平地作業(yè)效果。獲得的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在擴(kuò)展名為.txt的文本文件當(dāng)中，然后以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存；也可以直接存入已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中，每條記錄包括經(jīng)度、緯度和高程三維坐標(biāo)。針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，由于GPS接收的數(shù)據(jù)是三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、高程），由于地球是橢圓形的，經(jīng)緯度屬于立體坐標(biāo)，而在實(shí)際應(yīng)用中通常用平面的二維坐標(biāo)（x、y），因此必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。

通過(guò)UTM投影正算公式可以把已知經(jīng)度和緯度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到x、y的坐標(biāo)[6]。

式中，x、y——平面直角坐標(biāo)系的縱、橫坐標(biāo)；l、B——橢球面上大地坐標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)緯度；X——由赤道至緯度B的經(jīng)線弧長(zhǎng)；N—卯酉圈曲率；η-η2= e2cos2B，其中e為地球的第二偏心率[7]。

為進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，作業(yè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可先把記錄在.txt文件中的記錄導(dǎo)出到Excel表格中，如表1所示。

將采集記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為x、y坐標(biāo)。然后使用Excel軟件對(duì)高程進(jìn)行分析，進(jìn)行降噪處理后，得到作業(yè)地塊高程統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖2所示。根據(jù)該圖對(duì)作業(yè)地塊的高程分布情況有初步了解，為作業(yè)質(zhì)量分析提供依據(jù)。

使用Matlab軟件作為GPS數(shù)據(jù)處理和田地地形曲面圖繪制的工具，利Matlab分析軟件極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)制作出平地機(jī)作業(yè)地塊三維地形曲面圖，反映出農(nóng)田平整前后的地勢(shì)變化情況。其中紅色部分的區(qū)域?qū)?yīng)地勢(shì)相對(duì)較高，藍(lán)色部分的區(qū)域則對(duì)應(yīng)地勢(shì)相對(duì)較低[8]。所以在進(jìn)行平地作業(yè)的時(shí)候，應(yīng)該從紅色區(qū)域向藍(lán)色區(qū)域進(jìn)行堆土，以保證作業(yè)精度和作業(yè)效果，如圖3所示。該圖是利用GPS接收機(jī)對(duì)農(nóng)田地形測(cè)量插值后的農(nóng)田地形測(cè)量三維曲面圖（高程差分布圖）。

4 結(jié)論

使用GPS平地機(jī)進(jìn)行平地作業(yè)之后，使用RTK差分GPS接收機(jī)、鋼尺和水準(zhǔn)儀對(duì)作業(yè)后地塊進(jìn)行測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)效果進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：

1）使用精確的評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，RTK差分GPS攪漿平地作業(yè)后高程差變?yōu)? cm（±4 cm）。精確評(píng)估法雖然準(zhǔn)確，但是其操作繁瑣，自動(dòng)化程度低，不適用于文化程度普遍較低的人員使用。

2）三維地形曲面圖評(píng)估法具有自動(dòng)化程度高，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的人工計(jì)算。使用軟件對(duì)三維地形曲面圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和分析即可得出作業(yè)質(zhì)量。作業(yè)地塊幾乎全部為淺藍(lán)色，證明作業(yè)后地塊中高程差很小，根據(jù)三維地形曲面圖中的色差尺進(jìn)行對(duì)比，作業(yè)之后的高程誤差不超過(guò)10 cm（±5 cm）。

根據(jù)國(guó)家《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，水田平整的高程差不得大于15 cm，GPS平地機(jī)的作業(yè)質(zhì)量符合其標(biāo)準(zhǔn)[9]，其作業(yè)精度可以滿足水田攪漿平地作業(yè)。

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