基于二維碼的農(nóng)機(jī)機(jī)組作業(yè)監(jiān)測(cè)方法研究與試驗(yàn)*

劉婞韜，李小龍，吳才聰，陳華，張傳帥，孫夢(mèng)遙

(1. 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京市，100079; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京市，100083)

通訊作者：李小龍，男，1980年生，甘肅蘭州人，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)推廣。E-mail: lixiaolong8000@163.com

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化水平的快速提高，需要更加精準(zhǔn)的農(nóng)機(jī)管理運(yùn)行監(jiān)控的方法。目前大田種植在往種植面積規(guī)?；⒔?jīng)營(yíng)方式集約化發(fā)展，農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社已經(jīng)普遍存在，成為生產(chǎn)作業(yè)的主力軍[1]。經(jīng)過深入的走訪調(diào)研，與農(nóng)機(jī)合作社和農(nóng)戶交流溝通，發(fā)現(xiàn)合作社仍然采用傳統(tǒng)的管理方式進(jìn)行農(nóng)機(jī)設(shè)備的管理[2]，農(nóng)機(jī)合作社與農(nóng)戶簽訂服務(wù)合同，聘請(qǐng)機(jī)手為他們工作。在這種情況下，農(nóng)田、農(nóng)作物、農(nóng)機(jī)和農(nóng)具均不屬于機(jī)手，這對(duì)農(nóng)機(jī)管理和作業(yè)管理提出了新的需求。主要表現(xiàn)在：一是合作社管理員無法對(duì)機(jī)手作業(yè)考核和評(píng)估，無法準(zhǔn)確獲知每位機(jī)手一天進(jìn)行了多少面積的作業(yè)；二是機(jī)手獲得的報(bào)酬通常以工時(shí)衡量而不是作業(yè)質(zhì)量，而且合作社管理員無法準(zhǔn)確知道機(jī)手的具體工作時(shí)間與工作地點(diǎn)；三是合作社管理員無法知道是誰在駕駛拖拉機(jī)以及他們?cè)诰唧w做什么操作；四是合作社管理員不知道誰應(yīng)該對(duì)低質(zhì)量的運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)[3]；五是農(nóng)機(jī)管理耗費(fèi)時(shí)間，效率低下。因此有必要對(duì)農(nóng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集農(nóng)機(jī)、農(nóng)具和機(jī)手的信息[4]。機(jī)手和管理者應(yīng)分別負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)的進(jìn)度和運(yùn)營(yíng)的質(zhì)量。有效的調(diào)度手段，可以提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的作業(yè)質(zhì)量和工作效率，可以更加合理地配置農(nóng)機(jī)，節(jié)約生產(chǎn)資源。

目前商用GNSS終端已經(jīng)運(yùn)用在農(nóng)機(jī)管理的調(diào)度中。GNSS終端通常配備在農(nóng)機(jī)上，以獲取農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)位置和生產(chǎn)力信息[5-6]。這些數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器進(jìn)行管理。由于作業(yè)的農(nóng)機(jī)、機(jī)具和勞動(dòng)力等生產(chǎn)要素因地點(diǎn)和時(shí)間而異，一臺(tái)GNSS終端只能識(shí)別一臺(tái)農(nóng)機(jī)的信息，無法解決農(nóng)機(jī)合作社管理員對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)需求。為此，農(nóng)機(jī)合作社需要一種新的方法替代簡(jiǎn)單的GNSS終端，滿足遠(yuǎn)程對(duì)農(nóng)機(jī)車輛運(yùn)行位置和運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)控，來實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的精確管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于智能手機(jī)的管理系統(tǒng)由軟件和硬件組成，硬件部分包括二維碼、智能手機(jī)、服務(wù)器和個(gè)人電腦。二維碼用于生產(chǎn)要素的識(shí)別，包括農(nóng)機(jī)、農(nóng)具和機(jī)手。服務(wù)器用于數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)和傳輸。個(gè)人電腦用于客戶端的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的分析與展示。軟件部分由農(nóng)機(jī)助手APP、服務(wù)器軟件和監(jiān)控軟件構(gòu)成，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于智能手機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure based on smart phone

機(jī)手可在作業(yè)開始前掃描農(nóng)機(jī)和農(nóng)具的二維碼，然后獲取信息并向服務(wù)器傳輸信息和報(bào)告GNSS位置。合作社管理員即可通過個(gè)人電腦監(jiān)控機(jī)手的作業(yè)情況，知道是哪位機(jī)手在工作以及他的精確位置與時(shí)間，目前具體工作了多大面積的農(nóng)田，一定程度上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與可視化的管理方式[9]。

1.2 系統(tǒng)功能

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)分為農(nóng)機(jī)助手APP、農(nóng)機(jī)管理企業(yè)號(hào)、后臺(tái)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以及接口API等主要的組成部分。

圖2 系統(tǒng)組成圖Fig. 2 System composition

農(nóng)機(jī)助手APP的使用對(duì)象為機(jī)手，主要實(shí)現(xiàn)通過二維碼對(duì)作業(yè)要素進(jìn)行綁定、通過位置數(shù)據(jù)對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行記錄等；農(nóng)機(jī)管理企業(yè)號(hào)的使用對(duì)象為合作社管理員，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)機(jī)手的作業(yè)進(jìn)度查看、作業(yè)記錄查看等功能[10]。二維碼是農(nóng)機(jī)、農(nóng)具的唯一身份標(biāo)志，后臺(tái)管理平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 二維碼的設(shè)計(jì)

二維碼是一種矩陣條碼(或二維碼)，可以比傳統(tǒng)的通用產(chǎn)品碼(UPC)條碼更快地識(shí)別，并廣泛用于信息檢索[11]?；诙S碼特殊的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，本文為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所投入的機(jī)、具編制相應(yīng)的二維碼，即在農(nóng)機(jī)作業(yè)開始前對(duì)各類已編碼的生產(chǎn)要素進(jìn)行二維碼掃描，在作業(yè)過程中如有相應(yīng)要素的變化，如人員更替、作業(yè)環(huán)節(jié)的變更等，再掃描新投入人員或機(jī)具的二維碼以實(shí)現(xiàn)整個(gè)作業(yè)過程中生產(chǎn)要素的精確監(jiān)測(cè)。為后續(xù)的作業(yè)質(zhì)量溯源與作業(yè)量統(tǒng)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)[12]。農(nóng)田、機(jī)手、農(nóng)機(jī)、農(nóng)具等都是農(nóng)機(jī)作業(yè)的生產(chǎn)要素，除了農(nóng)田是不變的因素，主機(jī)和農(nóng)具要素都可以用二維碼唯一識(shí)別，如圖3所示。

圖3 農(nóng)機(jī)生產(chǎn)要素Fig. 3 Agricultural production factors related to agricultural machinery

在作業(yè)前，機(jī)手通過智能手機(jī)上的后置攝像頭掃描農(nóng)機(jī)和農(nóng)具上的二維碼，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的綁定，如圖4所示。

唯文章之用，實(shí)經(jīng)典枝條……于是搦筆和墨，乃始論文。詳觀近代之論文者多矣：至如魏文述典，陳思序書，應(yīng)玚文論，陸機(jī)《文賦》，仲治《流別》，弘范《翰林》，各照隅隙，鮮觀衢路……又君山、公干之徒，吉甫、士龍之輩，泛議文意，往往間出，并未能振葉以尋根，觀瀾而索源?！蜚屝蛞晃臑橐?，彌綸群言為難……[注]范文瀾：《文心雕龍注》，第726-727頁。

圖4 APP工作界面(牌號(hào)、機(jī)具為測(cè)試所用)Fig. 4 User interface of APP (Vehicle registration plate and Machinery are used for testing)

2.2 農(nóng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的同步與顯示

主要分為兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)同步模塊，實(shí)現(xiàn)中心服務(wù)器與WebGIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步；基于AJAX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)位置與狀態(tài)在監(jiān)控調(diào)度平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示。

1) 數(shù)據(jù)同步模塊。農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了中心服務(wù)器和WebGIS服務(wù)器以保證數(shù)據(jù)的安全性和網(wǎng)站性能。GNSS定位導(dǎo)航終端和手機(jī)等將實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù)上報(bào)至中心服務(wù)器。因此，農(nóng)機(jī)的位置和作業(yè)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)查看就需要建立數(shù)據(jù)同步模塊實(shí)現(xiàn)中心服務(wù)器與WebGIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步。

在中心服務(wù)器部署數(shù)據(jù)同步模塊，設(shè)置每5 s將終端上報(bào)的數(shù)據(jù)推送至WebGIS服務(wù)器一次，而終端的位置上報(bào)間隔≥10 s，因此設(shè)定同步間隔為5 s完全可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

2) AJAX技術(shù)。AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)是多種技術(shù)的綜合，包括JavaScript、XHTML和CSS、DOM、XML和XSTL、XMLHttpRequest等[13-14]。AJAX的異步更新功能使得網(wǎng)頁更新時(shí)不用再重新加載整個(gè)網(wǎng)頁，可實(shí)現(xiàn)頁面的局部刷新，便于創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，提升用戶體驗(yàn)。

傳統(tǒng)的Web應(yīng)用模型下，用戶操作會(huì)直接發(fā)送HTTP請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器接收后開始處理，最后向?yàn)g覽器返回HTML頁面。而在服務(wù)器返回結(jié)果之前瀏覽器將一直處于等待狀態(tài)，如果服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理量大，那么用戶端將面臨更長(zhǎng)的等待時(shí)間，影響用戶體驗(yàn)[15]。而AJAX在Web應(yīng)用中增加了中間層Script，瀏覽器和服務(wù)器之間的交互是通過這個(gè)中間層Script，從而提高了用戶訪問效率。

農(nóng)機(jī)位置同步與顯示流程如圖5所示，PDA將實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)上報(bào)至中心服務(wù)器，中心服務(wù)器利用數(shù)據(jù)同步模塊，實(shí)現(xiàn)與WebGIS服務(wù)器的位置數(shù)據(jù)同步，監(jiān)控終端基于AJAX技術(shù)，定時(shí)從WebGIS服務(wù)器獲取位置更新數(shù)據(jù)，在不刷新整個(gè)頁面的情況下實(shí)現(xiàn)車輛位置的定時(shí)局部刷新。

圖5 位置數(shù)據(jù)同步與顯示流程Fig. 5 Process of location data synchronization and display

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸

農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)傳輸主要包含：位置數(shù)據(jù)及二維碼掃描數(shù)據(jù)。其中位置數(shù)據(jù)的獲取既可通過PDA的自身定位數(shù)據(jù)，也可以通過專用的定位終端。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，PDA與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互在傳輸層上采用基于連接的TCP傳輸方式。如圖6為智能終端及服務(wù)器端數(shù)據(jù)傳輸序列：當(dāng)手機(jī)GPRS連接建立成功后向服務(wù)器發(fā)送第一條登陸信息包，10 s內(nèi)收到服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)包則認(rèn)為連接正常，開始發(fā)送定位信息(GPS信息包)，5 min后會(huì)開始循環(huán)發(fā)送狀態(tài)信息包(時(shí)間間隔可設(shè)置)；當(dāng)GPRS連接建立不成功時(shí)，終端不能發(fā)送登陸信息包。當(dāng)GPRS連接失敗3次后，每20 min重新嘗試連接，若連接成功，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則繼續(xù)；終端發(fā)送了登陸信息包或狀態(tài)信息包后，超過10 s沒有收到服務(wù)器返回包，則認(rèn)為當(dāng)前連接建立異常，斷開當(dāng)前GPRS連接，重新建立新的GPRS連接并發(fā)送登錄信息包；連接被判斷為異常，重復(fù)3次建立連接后發(fā)送的登陸信息包或狀態(tài)信息包都收不到服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)據(jù)包，終端啟動(dòng)定時(shí)嘗試功能。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸序列Fig. 6 Data transfer sequence

數(shù)據(jù)傳輸常用形式主要包括字符串和XML。字符串缺乏結(jié)構(gòu)性，但數(shù)據(jù)冗余較小，而XML結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，但數(shù)據(jù)冗余較大，為了有效節(jié)省流量，二維碼的解析數(shù)據(jù)傳輸采用字符串形式。PDA端位置數(shù)據(jù)的讀取選擇最常用的$GPGGA并做進(jìn)一步解析轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義的定位信息數(shù)據(jù)。再將解析后數(shù)據(jù)與PDA唯一標(biāo)識(shí)碼IMEI進(jìn)行合成處理成完整的終端定位信息，傳輸?shù)紾PRS通信網(wǎng)絡(luò)上。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了基于Android智能手機(jī)的農(nóng)機(jī)助手APP，可利用其自帶的GPS模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、攝像頭和一定的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)位置和作業(yè)過程中各類生產(chǎn)資源的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)[16]。農(nóng)機(jī)助手APP采用Hybrid混合架構(gòu)，使APP具備良好的擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、維護(hù)性[17]。農(nóng)機(jī)助手APP中需要手機(jī)提供GNSS坐標(biāo)、時(shí)間等參數(shù)，此時(shí)手機(jī)是作為傳感器的角色，用于實(shí)時(shí)接收GPS定位數(shù)據(jù)并識(shí)別農(nóng)機(jī)作業(yè)中生產(chǎn)要素的二維碼，這些數(shù)據(jù)由手機(jī)操作系統(tǒng)的API接口提供，APP根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)用API獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于采用的是Hybrid混合架構(gòu)，APP端的顯示頁面采用的是Web地圖，因此可以在地圖上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置以及作業(yè)軌跡。最終手機(jī)通過HTTPS協(xié)議將數(shù)據(jù)打包回傳到服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)過程的精確監(jiān)測(cè)。

3.3 作業(yè)面積計(jì)算算法

評(píng)估某個(gè)機(jī)手的作業(yè)質(zhì)量的主要考量因素是一定時(shí)間段的作業(yè)面積，本研究基于手機(jī)GNSS反饋的軌跡點(diǎn)，通過DBSCAN算法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)軌跡進(jìn)行分析。DBSCAN算法是一種很典型的密度聚類算法，該算法利用基于密度的聚類的概念，即要求聚類空間中的一定區(qū)域內(nèi)所包含對(duì)象(點(diǎn)或其他空間對(duì)象)的數(shù)目不小于某一給定閾值。過濾低密度區(qū)域，發(fā)現(xiàn)稠密度樣本點(diǎn)[18-19]。算法執(zhí)行的過程中，首先確定指定類簇的最小數(shù)目MinPts和半徑域Eps；然后根據(jù)Eps和MinPts判斷對(duì)象集中對(duì)象的屬性(核心點(diǎn)、邊界點(diǎn)、噪音點(diǎn))；最后根據(jù)當(dāng)前對(duì)象屬性判斷當(dāng)前對(duì)象域是否構(gòu)成一個(gè)類簇，并根據(jù)此方法判斷數(shù)據(jù)集中的每個(gè)點(diǎn)的屬性。以此來區(qū)分監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)是作業(yè)狀態(tài)或非作業(yè)狀態(tài)，并根據(jù)類簇的面積計(jì)算出作業(yè)面積。因此該算法對(duì)正確分類農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)下的有效作業(yè)軌跡，并計(jì)算作業(yè)面積有著較高的準(zhǔn)確性。

3.4 APP工作流程

農(nóng)機(jī)助手APP以配置的時(shí)間間隔記錄農(nóng)機(jī)的確切位置及實(shí)時(shí)作業(yè)里程。APP工作流程如下。

1) 在作業(yè)前，機(jī)手掃描農(nóng)機(jī)和農(nóng)具的二維碼獲取其基礎(chǔ)信息。

2) 檢查GNSS和GPRS/3G/4G的工作狀態(tài)。若其關(guān)閉，則彈出驅(qū)動(dòng)程序的GNSS配置界面請(qǐng)求用戶啟用位置服務(wù)。

3) 當(dāng)APP離線時(shí)，農(nóng)機(jī)助手可備份手機(jī)中的數(shù)據(jù)并上傳到GPRS/3G/4G，提高了信息獲取的穩(wěn)定性。

4) 當(dāng)點(diǎn)擊“開始干活”的按鈕時(shí)，APP開始上傳消息以指示工作狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算運(yùn)營(yíng)里程和作業(yè)面積，作業(yè)結(jié)束后點(diǎn)擊按鈕“結(jié)束干活”。

5) 根據(jù)上述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供的位置和信息，可以計(jì)算運(yùn)行里程和作業(yè)面積[20]。流程圖如圖7所示。

圖7 農(nóng)機(jī)助手APP工作流程圖Fig. 7 Flowchart of agricultural machinery assistant APP

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同設(shè)備監(jiān)測(cè)軌跡對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證手機(jī)定位精度能否滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)，為同一輛農(nóng)機(jī)安裝了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位裝置(Real Time Kinematic, RTK)，常用農(nóng)機(jī)定位終端(GT06)和智能手機(jī)共同記錄農(nóng)機(jī)作業(yè)定位數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中選擇了一塊6.67 hm2左右的農(nóng)田作為試驗(yàn)田，作業(yè)類型為冬小麥播種作業(yè)。試驗(yàn)將整個(gè)農(nóng)田作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，試驗(yàn)分為RTK、農(nóng)用監(jiān)測(cè)終端以及手機(jī)監(jiān)測(cè)三種監(jiān)測(cè)方式開展對(duì)比。其中手機(jī)監(jiān)測(cè)使用手機(jī)型號(hào)為三星Galaxy S3，并提前安裝好監(jiān)測(cè)軟件，要求農(nóng)機(jī)手在作業(yè)前對(duì)其農(nóng)機(jī)主機(jī)及機(jī)具二維碼進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)位置數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測(cè)。軌跡對(duì)比情況如圖8所示。

從監(jiān)測(cè)軌跡結(jié)果可以看出，不同終端定位所得的單條軌跡長(zhǎng)度并無差別，RTK定位精度最高，其精度可達(dá)厘米級(jí)，常用于自動(dòng)駕駛定位，所以可以作為非常準(zhǔn)確的農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡參考依據(jù)。雖然普通的農(nóng)機(jī)定位終端和手機(jī)監(jiān)測(cè)軟件獲得的作業(yè)軌跡都有重疊現(xiàn)象，但是整體的軌跡條數(shù)并無缺漏，并且軌跡點(diǎn)清晰可辨。其中，由于RTK設(shè)備與手機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)上報(bào)頻率都為1 s，而GT06的數(shù)據(jù)上報(bào)頻率為10 s，所以，軌跡點(diǎn)的疏密情況有一定的差異，但并不影響農(nóng)機(jī)作業(yè)里程的統(tǒng)計(jì)。由此可以得出手機(jī)端監(jiān)測(cè)軟件可以作為農(nóng)機(jī)作業(yè)的定位軌跡依據(jù)，能夠滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡監(jiān)測(cè)的需要。

(a) RTK監(jiān)測(cè)軌跡 (b) GT06監(jiān)測(cè)軌跡 (c) 手機(jī)監(jiān)測(cè)軌跡圖8 不同類型定位終端定位軌跡對(duì)比Fig. 8 Comparison of trajectories of different types of positioning terminals

4.2 不同算法作業(yè)面積試驗(yàn)

為了提高作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)正確率，本研究對(duì)作業(yè)面積計(jì)算算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。作業(yè)面積試驗(yàn)使用設(shè)備為GT06農(nóng)用監(jiān)測(cè)終端。作業(yè)面積算法共設(shè)計(jì)有五種，計(jì)算方法如表1所示。

表1 不同作業(yè)面積計(jì)算方法Tab. 1 Work area calculation method

其中作業(yè)面積A1為農(nóng)田內(nèi)所有軌跡點(diǎn)按時(shí)間順序相連而獲得的累積里程×機(jī)具幅寬。A2算法根據(jù)作業(yè)速度剔除道路行駛軌跡點(diǎn)，再根據(jù)航向(連續(xù)超過5個(gè)異于兩個(gè)主要方向的作業(yè)點(diǎn))過濾田間轉(zhuǎn)場(chǎng)軌跡點(diǎn)，即可分別解算出每一塊農(nóng)田作業(yè)面積，過濾轉(zhuǎn)彎點(diǎn)示意圖如圖9所示。A3算法中垂直里程=兩點(diǎn)間球面距離×cosα，取同一農(nóng)田內(nèi)垂直里程最大值進(jìn)行計(jì)算，垂直里程示意圖如圖10所示。A4算法中垂直作業(yè)里程為垂直里程平均值。A5算法為取一個(gè)航向上作業(yè)的第一個(gè)點(diǎn)和最后一個(gè)點(diǎn)，直接求取兩點(diǎn)間球面距離作為垂直里程[21]。

圖9 過濾轉(zhuǎn)彎點(diǎn)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of U-turn trajectory filtering

圖10 垂直里程示意圖Fig. 10 Schematic diagram of vertical distance

試驗(yàn)五種算法作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)誤差，分別選取4塊農(nóng)田開展作業(yè)面積對(duì)比試驗(yàn)。為了驗(yàn)證作業(yè)面積精準(zhǔn)性，應(yīng)用RTK設(shè)備事先測(cè)量地塊面積，作為實(shí)際作業(yè)面積參考值。作業(yè)面積分析結(jié)果如表2。

表2 作業(yè)面積匯總Tab. 2 Work area summary

通過分析面積誤差可以看出：A5>A2>A4>A1>A3。A3算法的誤差相對(duì)最小，最接近于實(shí)際作業(yè)面積。因此，選用A3算法來計(jì)算實(shí)際作業(yè)面積最適宜。

5 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)當(dāng)前農(nóng)機(jī)服務(wù)組織在作業(yè)調(diào)度與監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用需求，提出了農(nóng)機(jī)作業(yè)全過程調(diào)度的理念，利用空間信息技術(shù)、二維碼編碼技術(shù)及智能手機(jī)，研究了基于二維碼的農(nóng)機(jī)機(jī)組作業(yè)監(jiān)測(cè)方法。主要工作和研究結(jié)論如下。

1) 本文針對(duì)農(nóng)機(jī)服務(wù)組織對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)全過程調(diào)度的需求，提出了一種針對(duì)農(nóng)機(jī)機(jī)組作業(yè)監(jiān)測(cè)的方法，用于記錄機(jī)手與農(nóng)機(jī)具的信息，并追蹤農(nóng)機(jī)的作業(yè)情況。設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用程序來記錄整個(gè)農(nóng)機(jī)操作。

2) 基于二維碼特有的信息存儲(chǔ)和傳輸特點(diǎn)以及智能手機(jī)內(nèi)置的通信、定位等功能，研究了相應(yīng)的編碼方法與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并開發(fā)了基于Android的農(nóng)機(jī)助手APP，對(duì)農(nóng)機(jī)定位、作業(yè)面積計(jì)算進(jìn)行了開發(fā)與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中人員、農(nóng)機(jī)、作業(yè)類型及作業(yè)農(nóng)田相關(guān)關(guān)系的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的質(zhì)量溯源和工作量統(tǒng)計(jì)。

3) 結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)行了原型系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，手機(jī)端可以作為農(nóng)機(jī)作業(yè)的定位軌跡依據(jù)，能夠滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡監(jiān)測(cè)的需要；作業(yè)面積算法方面，通過設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為，最大作業(yè)垂直里程×往返次數(shù)×機(jī)具幅寬的計(jì)算方法作業(yè)面積誤差更小，為0.44%，最接近于實(shí)際作業(yè)面積，較適合在后臺(tái)作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)模塊中推廣應(yīng)用。綜上，基于二維碼的農(nóng)機(jī)機(jī)組作業(yè)監(jiān)測(cè)方法可以提高農(nóng)機(jī)服務(wù)組織的管理調(diào)度效率，為農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管手段提供技術(shù)支撐[22]。