CN103728637B - 一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，根据无人直升机机载GPS模块和手持GPS设备传到移动设备上的经度和纬度信息，确定一个合适的坐标转换***，将手持GPS设备传过来的经度和纬度表示的农田作业区域边界点，正确地表示成包含刻度的二维直角坐标系中的坐标点，并且在移动设备的屏显程序上绘制出农田作业区域边界，将无人直升机的机载GPS模块传过来的经度和纬度表示的点，转换到农田作业区域所在的二维直角坐标系当中，绘制无人直升机飞行的实时航迹。本发明方法绘制出的农田作业区域边界精度极高，实时性好，可靠性高；大大降低了无人直升机操控手的操作难度，提高了无人直升机的飞行安全系数，从而提高了机械作业的效率。

Description

一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法

技术领域

本发明涉及一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法。

背景技术

在农业部的大力推进下，近年来我国在耕、播、收等机械化水平有了显着提高，但农药喷洒（特别是水稻农药喷洒），基本上还是传统的人工操作。我国是一个农业大国，如何有效预防农业有害生物已成为我国农业生产的重要目标之一，特别是在国家大力提倡推广绿色农业、精准农业的过程中，适合我国农村现状的低成本、精确、高环保的农药喷洒机械化和自动化成为一个必不可少的技术，而利用小型无人直升机进行农药喷洒是农药喷洒机械化最佳选择。

在目前我国农村条件下，运用小型无人驾驶直升飞机喷洒农药是我国、特别是南方地区比较现实可行的一种方法。无人驾驶农药喷洒直升机不仅速度快，且使用超低容量农药喷洒，节省农药和水资源，减少农作物的农药残留和环境污染，远程操作还能减少对施药人员的伤害。适应于各种地形，符合我市农村道路现状，配一台面包车便可实现跨区域作业。

为了有效地促进了低成本高收益的集约型农业和环境友好型农业的共同发展，目前，杀虫剂、除草剂和化肥等化学制剂的喷洒和使用都需要得到精确的设计和控制。利用GPS精确地绘制出农田区域地图，用于无人直升机喷洒作业，就能使化学制品只喷洒在需要的地方，既节约成本又保护环境。

目前，我国民用无人直升机正处在初步发展阶段，飞机操控手在操作飞机时只能通过肉眼上看到的情况来观察飞机的喷洒情况，对于较大的农田或 者地形较为复杂的农田，则需要在农田的边界上安排人员来指挥飞机操作手，确保飞机不会飞出田界。这样既增加了人力成本，又没有很好的实时性，降低了机械作业的效率。

北京农业信息技术研究中心的专利“采集农田关键点测绘成图的方法”的步骤是：步骤1：获取GPS位置信息；步骤2：勾勒待测区域轮廓；步骤3：测绘农田关键分界点，并标注地块名称和注释；步骤4：实时校验、提示与分割农田；步骤5：上传测绘数据；步骤6：获取矢量地图。

其中步骤2（勾勒待测区域轮廓）的具体实施过程是：2）获取位置信息：a）等待搜星指令获取位置信息；b）在线获取遥感图（用于辅助测绘）；c）获取既往数据（适用于增量测绘）。

无人直升机的操控手可以通过一边操控无人直升机一边观察这种方式得到轮廓图的方式，粗略估计当前飞机在地图上所处的位置以及粗略判断飞机是否已经飞出农田作业区域。

显然，现有的技术无论从实用性、可靠性和精度来说，都存在着不足。

利用遥感图辅助测绘技术绘制的农田作业区域轮廓图只是一张静态的地图，对于无人直升机操控手来说，这种地图的辅助功能仅仅只能提供一个粗略的参考，大多数情况下，无人直升机操控手仍然只能通过自己的经验和直觉或者在农田作业区域边界安排人手的方式来判断无人直升机是否飞出了农田作业区域边界，既不直观，又不可靠。

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，提供一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，绘制精度高、实时性好、可靠性高的农田作业区域边界，降低无人直升机操控手的操作难度，提高无人直升 机的飞行安全系数。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，该方法为：

1）接收从GPS设备上传到移动设备上的多边形农田作业区域的边界点的经度坐标、纬度坐标以及无人直升机当前位置点的经度坐标、纬度坐标，并根据农田作业区域的边界点以及无人直升机当前位置点的经度坐标和纬度坐标建立极坐标系A，在所述极坐标系A中定位边界点和无人直升机当前位置点；其中所述边界点是指农田作业区域多边形的顶点；

2）以上述极坐标系A的极轴为X轴正向，α=90°方向为Y轴正向，将所述极坐标系A转化为直角坐标系B；其中α表示某边界点与所述极坐标系A原点的连线与极轴在逆时针方向上的夹角；

3）将上述直角坐标系B的X轴和Y轴平移，得到平移后的直角坐标系B’，使得所有边界点和无人直升机当前位置点均处于平移后的直角坐标系B’的第一象限；

4）将直角坐标系O作为移动设备的***坐标系，所述直角坐标系O是指由X轴正向和Y轴反向构成的坐标系；利用下式转换直角坐标系O，得到实际的移动设备的***坐标系O’：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+\mathrm{baseX};\\ y^{\′}=n-\mathrm{baseY};\end{array}\right.$

其中，(x',y')为直角坐标系O中的点(x,n)转换到实际的移动设备的***坐标系后的坐标，（baseX,baseY）为直角坐标系O的原点转换到实际的移动设备的***坐标系O’后的坐标；

5）将步骤3）中平移后的直角坐标系中B’中的所有边界点和无人直升 机当前位置点对应绘制在实际的移动设备的***坐标系O’上。

本发明中，多边形农田作业区域为四边形农田作业区域。

所述步骤1）中，在所述极坐标系中定位边界点的方法为：

1）获取所述四边形农田作业区域四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标；将边界点a定为极坐标系A的坐标原点；

2）利用上述四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标，分别计算边界点a与边界点b，c，d之间的距离；

3）利用上述四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标，分别计算边界点b，c，d相对于边界点a的方位角；

4）根据上述步骤3）计算的边界点b，c，d相对于边界点a的方位角，分别得到极坐标系中边界点b，c，d的极角；

5）利用上述步骤2）和步骤4）确定的距离和极角，在极坐标系A中标出四个边界点a，b，c，d。

将四个边界点a，b，c，d平移到平移后的直角坐标系B’的具体过程为：令四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的坐标分别为a(x_a,y_a)，b(x_b,y_b)，c(x_c,y_c)，d(x_d,y_d)，判断四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的x坐标值小于0的边界点的x坐标，记为x_min，将四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的x坐标与x_min的绝对值相加；判断四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的y坐标值小于0的边界点的y坐标，记为y_min，将四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的y坐标与y_min的绝对值相加。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明绘图方法简单，利用GPS设备，结合本发明的坐标变换，绘制出的农田作业区域边界精度极高，实时性好，可靠性高；利用本发明的方法，还可以将无人直升机当前的 位置和农田作业区域在一张图上实时绘制出来，简洁明了，大大降低了无人直升机操控手的操作难度，防止无人直升机飞出农田作业区域边界，提高了无人直升机的飞行安全系数，从而提高了机械作业的效率。

附图说明

图1为本发明一实施例农田作业区域示意图；

图2为本发明一实施例方法流程图；

图3为极坐标示意图；

图4为本发明一实施例根据边界点经度坐标和纬度坐标建立极坐标系方法流程图；

图5为本发明一实施例方位角计算流程图；

图6为本发明一实施例将边界点坐标定位在极坐标上的效果图；

图7为本发明一实施例直角坐标系平移使四个边界点均处于第一象限的方法流程图；

图8为移动设备的***坐标系转换示意图；

图9为无人直升机实时航迹绘制效果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明以任意形状的四边形农田边界绘制农田作业区域为例，假定农田作业区域如图1所示。其中a，b，c，d为边界点。

本发明的方法流程图如图2所示，具体分为以下四个步骤：

步骤一：接收从手持GPS设备上传到移动设备上的农田边界点的经度和纬度坐标，并依此建立极坐标系将边界点依次定位，记做坐标系A。

极坐标***中定出一个点需要两个参数:f(ρ,α)=0。其中ρ表示某点距离极坐标A的原点O的距离（极距），α表示某点与原点O的连线与极轴在逆时针方向上的夹角（极角）。如图3所示。

首先，获得4个边界点的经度和纬度坐标分别是：

a(lnga,lata),b(lngb,latb),c(lngc,latc),d(lngd,latd)。lng表示经度，lat表示纬度。由于地球是一个近乎标准的椭球体，它的赤道半径为6378.140千米，极半径为6356.755千米，平均半径6371.004千米。在此，假设地球是一个完美的球体，那么它的半径就是地球的平均半径，记为R。按照0度经线的基准，规定东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)。

根据边界点经度值和纬度值建立极坐标算法的设计思路是：将a点定为极坐标A的坐标原点，然后计算在A坐标系中b、c、d这三点的极坐标。由于极坐标中定位一个点需要两个参数ρ和α。所以，接下来只需要求得b、c、d这三个点与a点的距离（极径）和这三个点相对于a点的方位（极角）。

方法流程图见图4。

①根据两点的经度和纬度计算两点之间的距离。

在球面几何求球面上两点之间的最短距离中有直接的计算公式，见公式一:

$S=2\arcsin \sqrt{{\sin }^2\frac{m}{2}+\cos \left(\mathrm{Lat}1\right)\×\cos \left(\mathrm{Lat}2\right)\×{\sin }^2\frac{n}{2}}\×6378.137$

（公式一：球面上两点最短距离公式）

其中，

1.Lng1,Lat1表示a点的经度和纬度，Lng2,Lat2表示b点的经度和纬度；

2.m=Lat2-Lat1为两点纬度之差，n=Lng2-Lng1为两点经度之差；

3.6378.137为地球半径，单位为千米；

计算出来的结果（即S）单位为千米。

运用此公式，带入任意两点的经度值和纬度值即可求出两点间距离。

在本发明中，农田边界需要以米为单位计数，所以最后还要加入标度变换，保留0.1m的精度。在程序实现时，根据公式计算出距离之后，只要加入一步： 将计算结果S乘以10000然后取整，再除以10，将距离计算结果以千米为单位的数S转化为了精度为0.1米、单位为米的数。

②根据两点的经度和纬度计算第二点相对于第一点的方位角。

在球面几何中，根据球面余弦定理，已知两点经度和纬度可以求出他们的中心角，见公式二：

△σ=arccos(sinφ₁sinφ₂+cosφ₁cosφ₂cos△λ)

（公式二：球面余弦定理）

其中λ₁,φ₁和λ₂,φ₂分别为点1和点2的经度和纬度。△λ,△φ分别为点2与点1之间的经度差和纬度差。

然后再根据球面几何的方位角计算公式求得点2相对于点1的方位角：

$\mathrm{ang}=\arcsin \left(\frac{\cos {\mathrm{\λ}}_2\sin ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)}{{\sin }^2\mathrm{\Δ\σ}}\right)$

（公式三：球面上方位角计算公式）

方位角计算方法流程图如图5所示。

③根据b、c、d三点相对于a点的方位角得到极坐标系A中b、c、d三点的极角。

由于方位角是以真北方向为起始角（方位角为0），顺时针旋转为正向；而在极坐标系A中，起始角（极角为0）为极轴。如果规定极坐标系A中，α=90°与真北方向完全重合，那么方位角d转换到极坐标的极角α的计算公式为：

α=90-d

此转换公式在d∈(0,360)内皆适用。

至此，就可以在极坐标A中定出a、b、c、d四个边界点。由极坐标的建立过程可知，给这些点定出的坐标是一个相对距离和相对方位都很精确的相对坐标。实际效果如图6所示。

步骤二：以极轴为X轴正向，α=90°方向为Y轴正向，将极坐标系A转化为直角坐标系B，然后将B坐标系的X轴和Y轴平移使得四个边界点均处于平移后的直角坐标系B’的第一象限。

①极坐标转换为直角坐标。

在步骤一中已经将经度和纬度表示的四个点a、b、c、d摆放在了极坐标系A中，他们的坐标分别为a(ρ_a,α_a)，b(ρ_b,α_b)，c(ρ_c,α_c)，d(ρ_d,α_d)。

极坐标系中的坐标点转换为对应直角坐标系中的坐标点的转换公式见公式四：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\α}\\ y=\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$

（公式四：极坐标转换成直角坐标公式）

②直角坐标系平移使四个边界点均处于第一象限。

极坐标转化为直角坐标后，a、b、c、d四点的坐标表示为a(x_a,y_a)，b(x_b,y_b)，c(x_c,y_c)，d(x_d,y_d)。假设X轴向下平移m个单位，则相当于所有坐标点的y坐标变为y+m，X轴向左平移n个单位，则相当于所有坐标点的x坐标变为x+m，为了让四个边界点均处于第一象限，只要将四个点的x坐标均加上小于0的x坐标中最小的x坐标的值的绝对值|x_min|，将四个点的y坐标均加上y坐标小于0的最小的y坐标的值的绝对值|y_min|即可。算法流程图如图7所示。

步骤三：在移动设备的***坐标上绘制最终显示的坐标。

如图8所示，直角坐标系O为移动设备的***坐标系，这个坐标系并不符合日常使用习惯，所以在步骤二中的到的B’坐标系直接绘制在移动设备***坐标系O（坐标轴和标度是程序内部使用的不会显示在屏显程序上）中是不合适的，实际用于展示的坐标系应该使用如图8中X’O’Y’所表示的坐标系O’。

首先，根据实际显示效果确定O’原点位于坐标系O中的坐标，假设为（baseX,baseY）。那么，从O坐标到O’的转换公式就可以写成：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+\mathrm{baseX};\\ y^{\′}=n-\mathrm{baseY};\end{array}\right.$

步骤四：将步骤四中得到B’坐标系中所有点对应绘制在O’坐标系上。 

当无人直升机飞行作业时，只需要通过机载GPS设备发送GPS信号到移动设备上，将用经度和纬度表示的无人直升机当前位置点，重复1中的步骤一到步骤四的算法来处理，经纬度表示的实时航迹点就正确地转换成了移动设备屏显程序上的直角坐标系上的点，于是就可以绘制在展示的坐标系O’上了。无人直升机的实时航迹绘制，如图9所示。

本发明通过手持高精度GPS设备给无人直升机操控手携带的移动设备（如平板电脑、智能手机）发送的农田作业区域边界点的GPS信息，经过本发明提出的坐标转换***处理，将经纬度表示的农田作业区域边界点转换成移动设备屏显程序上的直角坐标系上的点，然后连线绘制出农田作业区域边界。

这种方式绘制的农田作业区域边界精度极高（位置精确到0.1m），实时性好（随时测量随时成图），可靠性高。

无人直升机在飞行作业时通过机载GPS设备实时发送飞机当前位置的GPS信号给移动设备，移动设备就能再次利用本发明提出的坐标转换***，将用经纬度表示的无人直升机的位置坐标转换成移动设备屏显程序上的直角坐标系上的点。于是，无人直升机当前的位置和农田作业区域就能在一张图上实时绘制出来，无人直升机操控手就只需观察移动设备上屏显程序中的作业图，就能直观的判断飞机是否飞行在正确的农田作业区域内。

以这种方式来辅助无人直升机操控手操作，简洁明了，大大降低了无人直升机操控手的操作难度，提高了无人直升机的飞行安全系数。

Claims (4)

1.一种农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，其特征在于，该方法为：

1)接收从GPS设备上传到移动设备上的多边形农田作业区域的边界点的经度坐标、纬度坐标以及无人直升机当前位置点的经度坐标、纬度坐标，并根据农田作业区域的边界点以及无人直升机当前位置点的经度坐标和纬度坐标建立极坐标系A，在所述极坐标系A中定位边界点和无人直升机当前位置点；其中所述边界点是指农田作业区域多边形的顶点；

2)以上述极坐标系A的极轴为X轴正向，α＝90°方向为Y轴正向，将所述极坐标系A转化为直角坐标系B；其中α表示某边界点与所述极坐标系A原点的连线与极轴在逆时针方向上的夹角；

3)将上述直角坐标系B的X轴和Y轴平移，得到平移后的直角坐标系B’，使得所有边界点和无人直升机当前位置点均处于平移后的直角坐标系B’的第一象限；

4)将直角坐标系O作为移动设备的***坐标系，所述直角坐标系O是指由X轴正向和Y轴反向构成的坐标系；利用下式转换直角坐标系O，得到实际的移动设备的***坐标系O’：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+baseX;\\ y^{\′}=n-baseY;\end{array}\right.$

其中，(x',y')为直角坐标系O中的点(x,n)转换到实际的移动设备的***坐标系后的坐标，(baseX,baseY)为直角坐标系O的原点转换到实际的移动设备的***坐标系O’后的坐标；

5)将步骤3)中平移后的直角坐标系中B’中的所有边界点和无人直升机当前位置点对应绘制在实际的移动设备的***坐标系O’上。

2.根据权利要求1所述的农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，其特征在于，所述多边形农田作业区域为四边形农田作业区域。

3.根据权利要求2所述的农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，其特征在于，所述步骤1)中，在所述极坐标系中定位边界点的方法为：

1)获取所述四边形农田作业区域四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标；将边界点a定为极坐标系A的坐标原点；

2)利用上述四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标，分别计算边界点a与边界点b，c，d之间的距离；

3)利用上述四个边界点a，b，c，d的经度坐标和纬度坐标，分别计算边界点b，c，d相对于边界点a的方位角；

4)根据上述步骤3)计算的边界点b，c，d相对于边界点a的方位角，分别得到极坐标系中边界点b，c，d的极角；

5)利用上述步骤2)和步骤4)确定的距离和极角，在极坐标系A中标出四个边界点a，b，c，d。

4.根据权利要求3所述的农田作业区域边界点和无人直升机位置点绘图方法，其特征在于，将四个边界点a，b，c，d平移到平移后的直角坐标系B’的具体过程为：令四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的坐标分别为a(x_a,y_a)，b(x_b,y_b)，c(x_c,y_c)，d(x_d,y_d)，判断四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的x坐标值小于0的边界点的x坐标，将四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的x坐标均加上小于0的x坐标中最小的x坐标的值的绝对值|x_min|；判断四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的y坐标值小于0的边界点的y坐标，将四个边界点a，b，c，d在直角坐标系B中的y坐标均加上y坐标小于0的最小的y坐标的值的绝对值|y_min|即可。