GPS農(nóng)田平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件開發(fā)

王新忠+王熙+王少農(nóng)+莊衛(wèi)東

摘要：使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）農(nóng)田平地機(jī)進(jìn)行平地作業(yè)前，要對平地作業(yè)地形進(jìn)行測量，計(jì)算出平地作業(yè)土方量，包括挖方量和填方量，根據(jù)挖方量與填方量相等的原則，再計(jì)算出平地機(jī)設(shè)計(jì)高程，將設(shè)計(jì)高程導(dǎo)入GPS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)里，可使GPS農(nóng)田平地機(jī)更精準(zhǔn)設(shè)定高程，從而自動(dòng)控制平地機(jī)的作業(yè)。傳統(tǒng)的手工計(jì)算土方量及設(shè)計(jì)高程方法過于復(fù)雜，為了提高計(jì)算工作效率，方便用戶使用，開發(fā)了基于VB 6.0編程軟件的平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件。經(jīng)過田間平地測試檢驗(yàn)，該軟件能夠提高平地作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；平地機(jī)；農(nóng)田平整；計(jì)算軟件

中圖分類號：P228.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

隨著高精度全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）農(nóng)田平地機(jī)的推廣應(yīng)用，需要開發(fā)與之配套的土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件，為GPS平地機(jī)作業(yè)計(jì)算出土方量，并為GPS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)高程。GPS平地機(jī)在作業(yè)時(shí)，要根據(jù)農(nóng)田地塊實(shí)際高程與設(shè)計(jì)高程間的差異進(jìn)行挖方或填方作業(yè)，從而盡量利用農(nóng)田地塊內(nèi)的土方進(jìn)行土地平整，以減少將農(nóng)田地塊內(nèi)多余的土方外棄，或運(yùn)載外面的土方進(jìn)入農(nóng)田地塊進(jìn)行填方。使用GPS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要輸入精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)高程。GPS平地機(jī)使用此設(shè)計(jì)高程進(jìn)行平地作業(yè)，可以使平地作業(yè)所產(chǎn)生的挖方量和填方量基本相等?；诖?，根據(jù)GPS平地機(jī)農(nóng)田平地作業(yè)實(shí)際需求，研究了GPS平地機(jī)平地土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算方法，并使用VB 6.0編程軟件開發(fā)出了GPS平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件。該軟件能夠充分利用農(nóng)場或農(nóng)村農(nóng)機(jī)合作社現(xiàn)有車載高精度GPS接收機(jī)，對作業(yè)地塊測量所采集到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到地塊的三維地形圖；根據(jù)三維地形圖計(jì)算出作業(yè)地塊平均高程，依據(jù)高程差計(jì)算出作業(yè)地塊挖方量和填方量，根據(jù)挖方量和填方量相等原則得出設(shè)計(jì)高程。這樣無需使用價(jià)格昂貴的全站儀，降低了測量作業(yè)成本[1]。該軟件主要有以下功能：①可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算出平地作業(yè)所產(chǎn)生的挖方量和填方量。根據(jù)平地作業(yè)所產(chǎn)生的土方量計(jì)算GPS平地機(jī)的工作量，為平地作業(yè)結(jié)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。②為平地作業(yè)提供農(nóng)田地塊地形圖，供作業(yè)農(nóng)機(jī)技術(shù)人員進(jìn)行作業(yè)路線規(guī)劃參考，便捷地將土方從高處向低洼處實(shí)施推運(yùn)。③計(jì)算出GPS平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)高程，為平地機(jī)平地作業(yè)提供作業(yè)高程基準(zhǔn)，以最小的土方運(yùn)送量，達(dá)到較高的土地平整精度。GPS農(nóng)田平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件窗口如圖1所示。

1 國內(nèi)外狀況

1.1 國外農(nóng)田平地作業(yè)計(jì)算軟件

目前國際上農(nóng)田平地作業(yè)計(jì)算軟件主要為美國約翰迪爾（JOHN DERRE）公司的ApexTM軟件、美國凱斯（CASE）公司AFS軟件和日本拓普康（TOPCON）公司AGForm-3D軟件。

1.1.1 美國約翰迪爾公司ApexTM軟件 ApexTM軟件是美國約翰迪爾公司為其農(nóng)機(jī)具推出的軟件，有各種版本，分別可以在PC機(jī)和手機(jī)上運(yùn)行，還可以在約翰迪爾公司的Green Star車載計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，操作人員在作業(yè)現(xiàn)場駕駛帶有GPS接收機(jī)的拖拉機(jī)作S形運(yùn)動(dòng)時(shí)，車載計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄作業(yè)地塊的數(shù)據(jù)，通過車載計(jì)算機(jī)中的ApexTM軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后得出最優(yōu)解決方案，從而幫助操作人員進(jìn)行平地作業(yè)。

1.1.2 美國凱斯公司AFS軟件 美國凱斯公司AFS軟件是農(nóng)機(jī)配套的軟件，它可以和凱斯拖拉機(jī)配套使用，AFS軟件中有AFS Water Control模塊，該模塊可以對作業(yè)地塊進(jìn)行分析、土方量計(jì)算，還可以進(jìn)行自動(dòng)化地形測量、坡度設(shè)定等，通過坡度平地作業(yè)來有效的分配水資源，提高水資源利用效率，降低用水成本，從而節(jié)約灌溉用水。

1.1.3 日本拓普康公司AGForm-3D軟件 日本拓普康公司AGForm-3D軟件能夠?qū)ν仄湛倒綠PS農(nóng)田平地機(jī)采集并記錄的農(nóng)田地塊相關(guān)信息進(jìn)行處理，從而提高平地作業(yè)效率。其無需進(jìn)行人工測繪作業(yè)就能完成農(nóng)田地塊地形測量，自動(dòng)完成作業(yè)地塊設(shè)計(jì)圖的繪制。

1.2 國內(nèi)農(nóng)田平地作業(yè)計(jì)算軟件

發(fā)達(dá)國家的農(nóng)田平地作業(yè)計(jì)算軟件經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，并可以進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，但因?yàn)閮r(jià)格和使用習(xí)慣等原因，無法在國內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)的一些高校和科研單位應(yīng)用地理信息系統(tǒng)平臺進(jìn)行了土方量計(jì)算軟件研究與開發(fā)，先后開發(fā)出了基于GPS平地機(jī)的土方量計(jì)算軟件，取得了較好的應(yīng)用效果。

1.2.1 南方測繪公司CASS系列軟件 南方測繪公司CASS系列軟件對于工程中常見的情況提出了各種土方量計(jì)算方案，包括利用DTM模型、斷面、方格網(wǎng)、等高線等幾種方法，可以應(yīng)用于各類設(shè)計(jì)面，如平面、斜面以及三角網(wǎng)等[2]。

1.2.2 超圖公司Super Map Deskpro軟件 超圖公司Super Map Deskpro軟件能適應(yīng)各種復(fù)雜地形以及場地實(shí)際情況，具有良好的交互性，界面友好，貼近操作人員設(shè)計(jì)思路，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出土石方量；其提供了6種土石方量計(jì)算方法，對于土方挖填量的結(jié)果可進(jìn)行分區(qū)域調(diào)配優(yōu)化，解決了平地土方量平衡要求。

2 土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件研究與開發(fā)

為了滿足平地作業(yè)實(shí)際需求，課題組應(yīng)用VB 6.0軟件研究開發(fā)了土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件，為自行研制的GPS農(nóng)田平地機(jī)配套使用，其可為GPS農(nóng)田平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)高程，使其能夠移動(dòng)最少的土方量完成土地平整作業(yè)。

2.1 土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算方法

農(nóng)田平地土方量計(jì)算是GPS平地機(jī)進(jìn)行平地作業(yè)前的一個(gè)重要的步驟；在進(jìn)行平地作業(yè)之前需要根據(jù)作業(yè)地塊的實(shí)際情況，計(jì)算出平地作業(yè)所產(chǎn)生的挖方量和填方量。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，其是用數(shù)字形式的X、Y、Z軸坐標(biāo)來表示作業(yè)地塊的地形[3]。使用DEM計(jì)算農(nóng)田平地作業(yè)所產(chǎn)生的土方量，要根據(jù)實(shí)地測量的坐標(biāo)（使用RTK差分GPS接收機(jī)進(jìn)行測量）X、Y、Z和設(shè)計(jì)高程，計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格（圖2）的填方量和挖方量，最后將所有的網(wǎng)格作業(yè)所產(chǎn)生的土方量進(jìn)行累計(jì)，得出作業(yè)地塊總的挖方量和填方量。

DEM主要有兩種表示方式，一種是基于規(guī)則方格網(wǎng)的DEM（Grid Based DEM），另一種是基于三角網(wǎng)的DEM（Triangle Based DEM）。而其中規(guī)則方格網(wǎng)法計(jì)算土方量更有利于使用GPS測量數(shù)據(jù)，方格網(wǎng)法計(jì)算相對簡單，并且便于進(jìn)行VB 6.0計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，所以在本研究中使用DEM方格網(wǎng)法作為農(nóng)田土方量及設(shè)計(jì)高程的計(jì)算方法。

DEM方格網(wǎng)法是將作業(yè)地塊劃分為若干個(gè)面積相等的方格，方格一般為邊長10～20 m的正方形。在進(jìn)行土方量計(jì)算時(shí)，可以在作業(yè)地塊上使用高精度的車載GPS接收機(jī)測量每個(gè)方格網(wǎng)點(diǎn)高程，然后根據(jù)平均高程與方格網(wǎng)點(diǎn)高程之間的高程差，求出各方格的填挖土方量[4]。

在進(jìn)行平地作業(yè)之前，根據(jù)方格網(wǎng)各網(wǎng)點(diǎn)高程使用加權(quán)平均法，求整個(gè)作業(yè)地塊的平均高程（Hev）。使用VB 6.0編制的土方及高程計(jì)算軟件對GPS接收機(jī)測量的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，生成作業(yè)地塊DEM方格網(wǎng)，然后對每一個(gè)方格網(wǎng)點(diǎn)的高程進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得出作業(yè)地塊加權(quán)平均高程[5]。其計(jì)算公式為：

Hev=■， （1）

式中，Hev為作業(yè)地塊加權(quán)平均高程（m）；Hi為各方格網(wǎng)點(diǎn)高程（m）；Pi為各方格網(wǎng)點(diǎn)權(quán)重；n為方格網(wǎng)點(diǎn)個(gè)數(shù)；然后根據(jù)作業(yè)地塊平均高程（Hev）和方格網(wǎng)地塊高程（Hi）差計(jì)算出平地作業(yè)的挖方量和填方量，若Hi>Hev，則該方格網(wǎng)需要進(jìn)行挖方作業(yè)；若Hi

V=S（■+■+∑Hcf（m））， （2）

式中，V為方格網(wǎng)地塊的填挖土方量（m3）；S為方格網(wǎng)的面積（m2）；Hcf（c）為方格網(wǎng)角點(diǎn)高程（m）；Hcf（s）為方格網(wǎng)旁點(diǎn)高程（m）；Hcf（m）為方格網(wǎng)中間點(diǎn)高程（m）。將所有網(wǎng)格的挖方量和填方量進(jìn)行累計(jì)，即可得到作業(yè)地塊總的挖方量和填方量。然后對平均高程進(jìn)行微調(diào)，使用軟件計(jì)算出的挖方量和填方量基本相等，即可得到該作業(yè)地塊的設(shè)計(jì)高程。

2.2 計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

使用手工計(jì)算土方量及設(shè)計(jì)高程比較復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以設(shè)計(jì)開發(fā)了基于VB 6.0的土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件，用于計(jì)算農(nóng)田平地作業(yè)所產(chǎn)生的土方量及設(shè)計(jì)高程，評估平地作業(yè)前后所產(chǎn)生的挖方量和填方量；這里無論采用哪種方法計(jì)算挖方量和填方量，都可以視作計(jì)算平地作業(yè)所移動(dòng)土壤的體積[3]。使用土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件計(jì)算GPS平地機(jī)平地作業(yè)所產(chǎn)生的土方量的流程見圖3。從圖3可見，使用方格網(wǎng)法對農(nóng)田地塊土方量計(jì)算步驟包括數(shù)據(jù)輸入、生成方格網(wǎng)、切分方格網(wǎng)、作業(yè)地塊高程差計(jì)算和方格網(wǎng)土方量計(jì)算5個(gè)步驟。

平地機(jī)GPS高程自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制平地鏟的高程；平地作業(yè)前，需要向自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)高程。該軟件還可以為GPS農(nóng)田平地機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)高程，同時(shí)還可以生成GPS農(nóng)田平地機(jī)作業(yè)軌跡散點(diǎn)圖，具體見圖4。從圖4可見，軟件運(yùn)行步驟包括GPS數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)格式檢查、挖方量及填方量計(jì)算、計(jì)算設(shè)計(jì)高程并生成作業(yè)軌跡散點(diǎn)圖。

2.3 農(nóng)田平地應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證GPS平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件的使用效果，2014年10月，在黑龍江省八五三農(nóng)場五分場二隊(duì)約0.43 hm2旱田地塊，使用自行研制開發(fā)的GPS農(nóng)田平地機(jī)進(jìn)行了平地測試試驗(yàn)。

在進(jìn)行平地作業(yè)之前，為了得到農(nóng)田作業(yè)地塊的地形數(shù)據(jù)信息，操作人員使用拖拉機(jī)牽引安裝有高精度的車載GPS接收器的平地機(jī)，在作業(yè)地塊上進(jìn)行S形軌跡的行走，進(jìn)行作業(yè)地塊地形數(shù)據(jù)的采集，測量作業(yè)見圖5。由于農(nóng)田地形測量作業(yè)無需專業(yè)技術(shù)人員及使用全站儀等價(jià)格昂貴的設(shè)備，充分利用了農(nóng)場或農(nóng)村農(nóng)機(jī)合作社現(xiàn)有的高精度GPS接收機(jī)，所以降低了農(nóng)田地形測量作業(yè)成本。

車載GPS接收機(jī)把采集到的地形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到車載計(jì)算機(jī)中，測量完成后，將GPS數(shù)據(jù)從車載計(jì)算機(jī)中導(dǎo)出，導(dǎo)入到PC機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，生成后綴為.txt的純文本數(shù)據(jù)文件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

GPS平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件可以直接利用.txt格式純文本數(shù)據(jù)文件進(jìn)行農(nóng)田土方量和設(shè)計(jì)高程的計(jì)算，無需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫格式的文件，如Access、SQL Server，或其他格式文件，所以操作簡單，使用方便。將測量作業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GPS平地機(jī)土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析[6]，經(jīng)軟件格式檢查和降噪處理后，生成平地機(jī)行走軌跡離散點(diǎn)平面圖（圖6）。然后對平地機(jī)行走軌跡離散點(diǎn)平面圖進(jìn)行離散點(diǎn)網(wǎng)格化，生成方格網(wǎng)圖（圖7），再對方格網(wǎng)化的農(nóng)田作業(yè)地塊面積進(jìn)行計(jì)算[7]，得出的農(nóng)田作業(yè)地塊面積為4 275 m2，大約為0.43 hm2。

本軟件還能夠根據(jù)作業(yè)地塊每一個(gè)網(wǎng)格的高程使用加權(quán)平均算法求出作業(yè)地塊的平均高程，然后計(jì)算出加權(quán)平均高程作為設(shè)定高程所產(chǎn)生的挖方量和填方量，此時(shí)，挖方量和填方量之間有一定的誤差，根據(jù)挖方量和填方量相等時(shí)產(chǎn)生的土方量最小原則，對平均高程進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化，通過計(jì)算調(diào)整后得出最優(yōu)設(shè)計(jì)高程[8]。當(dāng)設(shè)計(jì)高程不同時(shí)，農(nóng)田地塊平地作業(yè)產(chǎn)生的挖方量和填方量見表2。從表2可見，當(dāng)設(shè)計(jì)高程為83.172 6 m時(shí)，挖方量和填方量之間差值最小，為0.06 m3。也就是說，GPS農(nóng)田平地機(jī)使用此設(shè)計(jì)高程進(jìn)行平地作業(yè)，所產(chǎn)生的土方量最小。

3 小結(jié)

課題組比較了農(nóng)田平地作業(yè)所產(chǎn)生的填方量和挖方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于VB 6.0的土方量及設(shè)計(jì)高程計(jì)算軟件，用于計(jì)算農(nóng)田平地作業(yè)所產(chǎn)生的土方量及設(shè)計(jì)高程。通過在農(nóng)田地形測量、填方量和挖方量及GPS農(nóng)田平地機(jī)設(shè)計(jì)高程計(jì)算中使用本軟件，取得了很好的應(yīng)用效果，提高了工作效率，滿足了農(nóng)田平地作業(yè)實(shí)際需要。

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