CN103679774A

CN103679774A - 一种多边形农田作业区域边界建模方法

Info

Publication number: CN103679774A
Application number: CN201410002900.XA
Authority: CN
Inventors: 刘振焘; 谭冠政; 胡建中; 黄宇; 张丹; 王杰; 罗倩慧
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103679774B

Abstract

本发明公开了一种多边形农田作业区域边界建模方法，采集多边形农田作业区域边界的n个顶点，将该n个顶点放到直角坐标系的第一象限，确定横坐标值最大的顶点和横坐标值最小的顶点，建立上边界函数模型和下边界函数模型，完成边界建模。本发明的方法可以将直线型多边形农田作业区域的边界以及农田作业区域内的障碍物顶点精准地记录并绘制出来，从而为农业植保机的作业人员提供准确的农田作业区域，为农业植保机的路径和航迹规划以及计算农田作业面积提供可靠的依据。

Description

一种多边形农田作业区域边界建模方法

技术领域

本发明涉及一种多边形农田作业区域边界建模方法。

背景技术

随着科技的不断发展，采用现代化机械来替换人工劳动已成为各行各业的流行趋势。我国作为一个传统的农业大国，耕地面积十分广阔，然而，目前国内农田作业方面还是采用传统的人工作业方式。其中农药喷洒采取的是人工喷洒的方式，这种方式不仅效率低，而且对作业人员的身心有极大的伤害，因此，急需先进的技术来改变这一现象。农业植保机应运而生，然而，现今所有的植保机都是靠人工进行操作，对农田的喷洒区域及边界完全靠操作员的眼睛进行判断，难免产生误判、漏喷及多喷的现象。因此，如果操作员能够获得准确的农田作业区域的边界，在无人直升机进行作业时，实时的将路径和航迹在显示器上显示出来，操作员便可根据航迹判断出飞机的位置，从而很大程度的解决误判、漏喷及多喷的问题，且大大提高了农业喷洒的安全性。而这一问题的关键便在于要准确的获取农田的边界信息。因此，急需一种好的农田作业区域边界的建模方法来解决这一实际问题。

北京农业信息技术研究中心的发明专利“采集农田关键顶点测绘成图的方法”提供了一种采集农田关键顶点测绘成图的方法，通过采集四种交界顶点、两种轮廓顶点一级一种辅助顶点后，根据关键顶点间的拓扑关系实时自动校验并查看测绘结果。包括以下步骤：S₁：获取GPS位置信息；S₂：勾勒待测区域轮廓；S₃：测绘农田关键分界顶点，并标注地块名称和注释；S₄：实时校验、提示与分割农田；S₅：上传测绘数据；S₆：获取矢量地图。

其中，在S₂中，勾勒待测区域轮廓包括：顺序标定和无序标定，所述顺序标定，以轮廓顶点的编号为顺序，依次标定待测区域轮廓；所述无序标定，是指自动标定包含全部轮廓顶点的面积最大的多边形为区域轮廓。

现有方法是以绘出农田的矢量地图为目的，而并非以画出农田作业区域边界为目的，因此，所绘出的农田轮廓包含两个部分：作业区域和非作业区域。在将此农田轮廓图用于农业植保机喷洒农药的路径和航迹规划等场合时，会出现非作业区域的多喷现象，浪费农药；在用于计算农田作业面积时，会出现作业面积的计算不准确现象；现有方法未对农田区域边界建立数学模型，从而无法为农田作业区域的路径和航迹规划提供可靠依据；没有将农田作业区域以内可能存在的障碍物顶点（如电线杆、树、信号发射塔等）标记出来，在将此农田轮廓图用于农业植保机喷洒农药的路径和航迹规划等场合时，可能导致农业植保机出现撞机或坠毁危险现象发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种多边形农田作业区域边界建模方法，将直线型多边形农田作业区域的边界以及农田作业区域内的障碍物顶点精准地记录并绘制出来，从而为农业植保机的作业人员提供准确的农田作业区域，为农业植保机的路径和航迹规划以及计算农田作业面积提供可靠的依据。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多边形农田作业区域边界建模方法，该方法为：

1）从多边形农田作业区域边界的某一个顶点D₁开始，以顺时针方向采集多边形农田作业区域边界的所有顶点，设共有n个顶点，分别为D₁(x₁,y₁),D₂(x₂,y₂),D₃(x₃,y₃),...,D_n(x_n,y_n)；建立直角坐标系，将所述n个顶点设置在直角坐标系的第一象限内；

2）比较上述n个顶点的横坐标，找出横坐标值最大的顶点和最小的顶点；若有多个顶点的横坐标值均为最小值，且该多个顶点是第一个顶点与最后一个顶点之间的顶点，则将次序最先的顶点作为横坐标值最小的顶点，若第一个顶点和最后一个顶点的横坐标值都是最小值，则将最后一个顶点作为横坐标值最小的顶点；若有多个顶点的横坐标值均为最大值，且该多个顶点是第一个顶点与最后一个顶点之间的顶点，则将次序最后的顶点作为横坐标值最大的顶点，若第一个顶点和最后一个顶点的横坐标值都是最大值，则将第一个顶点作为横坐标值最大的顶点；将横坐标值最小的顶点D_i(x_i,y_i)和最大的顶点D_j(x_j,y_j)分别作为所有的顶点在直角坐标系中的左端和右端；

3）以D_i(x_i,y_i)为起始点，D_j(x_j,y_j)为终点；若j>i，按顺时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；若j<i，则将第一个顶点D₁作为最后一个顶点D_n的下一点，按顺时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；确定多边形农田作业区域上边界函数模型S(x)：

4）以D_i(x_i,y_i)为起始顶点，D_j(x_j,y_j)为终顶点，若j<i，则按逆时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；若j>i，则将最后一个顶点D_n作为第一个顶点D₁的下一点，按逆时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；确定多边形农田作业区域下边界函数模型W(x)。

确定了上边界函数模型S(x)和下边界函数模型W(x)，即确定了整个多边形农田作业区域的模型。

当所述多边形农田作业区域内存在障碍物时，采集多边形农田作业区域内障碍物顶点的坐标Z(x₀,y₀)，建立以下障碍物警戒线函数方程：

一级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=a²；

二级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=b²；

三级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=c²；

其中，0<a<b<c<50。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法可以将直线型多边形农田作业区域的边界以及农田作业区域内的障碍物顶点精准地记录并绘制出来，从而为农业植保机的作业人员提供准确的农田作业区域，为农业植保机的路径和航迹规划以及计算农田作业面积提供可靠的依据。

附图说明

图1为本发明一实施例直线型边界模型示意图；

图2为本发明一实施例有障碍物的农田作业区域障碍物警戒线模型。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实现过程。

1）假设采点工作者以第一个点开始，用GPS定位的方式以顺时针方向采集了多边形农田作业区域的n个顶点，分别为D₁(x₁,y₁),D₂(x₂,y₂),D₃(x₃,y₃),...,D_n(x_n,y_n)，如图1所示（以n=4为例）。

2）比较这n个顶点的横坐标，找出其中横坐标最小和最大的点。假设横坐标最小的点为D_i(x_i,y_i)(1≤i≤n)，横坐标最大的点为D_j(x_j,y_j)(1≤j≤n)(若遇到多个点的横坐标都为最小值，则把采点次序最先的点作为最小点，在此有个特例：如果D₁和D_n的横坐标都相等，但是在此取D_n作为最小点；若遇到多个点的横坐标都为最大值，则把取点次序最后的点作为最大点，在此有个特例：如果D_n和D₁的横坐标相等，但是在此取D₁作为最大点)，那么D_i(x_i,y_i)即为左端，D_j(x_j,y_j)即为右端。

3）以左端D_i为起始点，右端D_j为终点，按顺时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的采点次序相邻的两点的直线方程。（若j<i，则在顺时针方向移点的过程中，D_n出现在D_j的左边（即x_n<x_j）,那么在计算由D_n和D_n的下一点所确定的直线方程时，D_n的下一点即为D₁，计算出D_n和D₁两点所确定的直线方程，若D₁为此时的右端，则移点结束，否则继续移点计算直线方程直到计算出由D_j的上一个点和D_j所确定的直线方程为止。）那么这些由采点次序相邻的两点所确定的所有直线就构成了上边界。

4）以横坐标D_i为起始点，D_j为终点，按逆时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的采点次序相邻的两点的直线方程。（若j>i，则在逆时针方向移点的过程中，D₁出现在D_j的左边（即x₁<x_j）,那么在计算由D₁和D₁的下一点所确定的直线方程时，D₁的下一点即为D_n，计算出由D₁和D_n两点所确定的直线方程，若D_n为此时的右端，则移点结束，否则继续移点计算直线方程直到计算出由D_j的上一个点和D_j所确定的直线方程为止。）那么这些由采点次序相邻的两点所确定的所有直线就构成了下边界。

如果农田中有障碍物，则由采点工作者采集到障碍物点的坐标为Z(x₀,y₀)，假设一级警戒线为离障碍物点a米的圆，二级警戒线为离障碍物点b米的圆，三级警戒线为离障碍物点c米的圆（50>c>b>a>0），如图2所示，图2中三个圆从内至外分别为一级警戒线、二级警戒线、三级警戒线。

则一级警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=a²；

二级警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=b²；

三级警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=c²。

Claims

1.一种多边形农田作业区域边界建模方法，其特征在于，该方法为：

2）比较上述n个顶点的横坐标，找出横坐标值最大的顶点和最小的顶点；若有多个顶点的横坐标值均为最小值，且该多个顶点是第一个顶点与最后一个顶点之间的顶点，则将次序最先的顶点作为横坐标值最小的顶点，若第一个顶点和最后一个顶点的横坐标值都是最小值，则将最后一个顶点作为横坐标值最小的顶点；若有多个顶点的横坐标值均为最大值，且该多个顶点是第一个顶点与最后一个顶点之间的顶点，则将次序最后的顶点作为横坐标值最大的顶点，若第一个顶点和最后一个顶点的横坐标值都是最大值，则将第一个顶点作为横坐标值最大的顶点；将横坐标值最小的顶点D_i和最大的顶点D_j分别作为所有的顶点在直角坐标系中的左端和右端；

3）以D_i为起始点，D_j为终点；若j>i，按顺时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；若j<i，则将第一个顶点D₁作为最后一个顶点D_n的下一点，按顺时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；确定多边形农田作业区域上边界函数模型S(x)：

4）以D_i为起始顶点，D_j为终顶点，若j<i，则按逆时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；若j>i，则将最后一个顶点D_n作为第一个顶点D₁的下一点，按逆时针方向依次求得横坐标位于区间[x_i,x_j]中的次序相邻的两顶点的直线方程；确定多边形农田作业区域下边界函数模型W(x)。

2.根据权利要求1所述多边形农田作业区域边界建模方法，其特征在于，当所述多边形农田作业区域内存在障碍物时，采集多边形农田作业区域内障碍物顶点的坐标Z(x₀,y₀)，建立以下障碍物警戒线函数方程：

一级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=a²；

二级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=b²；

三级障碍物警戒线的函数方程为(x-x₀)²+(y-y₀)²=c²；

其中，0<a<b<c<50。