收割機面積測量儀的功能原理及應用
農田面積是農業生產管理中最基礎的數據之一。田塊的大小直接決定了種子、化肥、農藥等生產資料的投入量，也是農業機械進行田間作業計算工時和收費的主要依據。傳統的農田面積大多使用皮尺測量，簡單實用，但只適合于小面積的矩形田塊，對于大面積的田塊，則費時費力，易出差錯，并且難以測量不規則田塊的面積。GPS 全球衛星定位系統能夠提供實時的經度、緯度、高程等導航和定位信息，是支撐精細農業實踐的核心技術之一。利用GPS 的定位功能，能夠測量農田各個點的坐標，從而為通過數學方法計算農田的距離、面積等數據提供了可能。本研究采用低成本的 GPS 模塊研制了便攜式面積測繪儀，實現對任意形狀區域的面積進行快速的 GPS 定位測繪，使用便捷、準確，價格低，在土地建設、規劃及農機跨區作業等方面應用前景廣闊。
1農收割機面積測量儀的研制
1.1 GPS 定位信息的獲取
全球定位系統 GPS 可以向全球的用戶提供連續、實時、全天候、高精度的三維位置、速度和時間信息。在精細農業中，GPS 定位系統主要用于農田中大范圍、高精度、高密度的定位，能對測量點進行精確定位或對作業機械精確導航。全球定位系統主要由空間星座、地面監控和用戶設備三大部分組成。空間部分由 24 顆衛星組成，分布在 6 個軌道面內，每個軌道面上均勻分布4顆衛星。GPS 衛星的主要功能是接收地面監控站發來的導航信息，執行監控命令，對數據進行處理并向用戶發送定位信息。地面監控部分由分布在全球的5個地面站組成，包括衛星監測站、主控站和信息注入站，其主要功能為對 GPS 衛星進行連續觀測，確定衛星的軌道，推算出各衛星的星歷、鐘差、導航電文等信息，并將這些數據通過注入站注入到相應衛星的存儲系統。用戶設備主要由 GPS 接收機及數據處理系統構成，GPS 接收機的主要任務是接收 GPS衛星發射的無線電信號，獲取必要的定位信息及觀測數據，經處理后解算出自身的位置、速度、實現定位導航等功能。通過 GPS 接收機就可以獲得 GPS 的定位信息。常用的 GPS 接收機可分為測量、導航、掌上機、OEM 板等多種類型，其性能和價格差別很大。本研究采用低成本的 GPS 模塊進行定位，通過讀取相應區域的數據即可得到所需的定位信息，然后將經緯度字符串轉換成數字，再進一步計算距離或面積。
1.2 面積計算方法
收割機面積測量儀沿農田的邊界繞行一周，可測量到由多個點組成的一組定位數據，按時間次序依次記為（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn），其中 X 表示經度，Y 表示緯度。將這些點依次連接成線，則構成有n 個頂點的多邊形，為了簡化計算，我們將地球視為正球體。由于農田測量中的距離較短，面積較小，通常小于 1 km2，因此由于簡化帶來的誤差可忽略不計。取地球半徑為 6 371 116 m，將采集點的經緯度轉換成平面坐標：
式中：R—地球半徑，x—經度 /m，y—緯度 /m由于 x、y 的數值較大，如果直接來計算面積，會導致極大的計算誤差。因此將第一點作為坐標原點，以相對偏移量構成新的坐標系，對于多邊形圖形，可采用梯形法計算面積，進而得到整個多邊形的面積。
1.3 收割機面積測量儀的設計
收割機面積測量儀主要由 GPS 模塊、通訊接口、89S52 單片機、鍵盤及顯示等電路組成。GPS 模塊用于接收GPS衛星信號，并以 NMEA 格式輸出定位信息。GPS模塊內部集成了GPS 接收器、內置天線、上電復位電路、信號接口等電路，采用3～5.5 V寬范圍低壓供電，具有 12 通道 2.5 m(CEP)的定位精度，同時它的體積較小（45 mm×45 mm×9.7 mm），極低的功耗，非常適合于便攜式電池供電的測量系統中。單片機是測量儀的核心部分，系統采用美國 Atmel 公司的AT89S52 單片機作為系統的處理器，具有很高的性價比，實現 GPS 數據的接收、處理、面積的計算、顯示、存儲等功能。1.4 計算機 GIS 軟件設計
收割機面積測量儀具備了32K字節大容量的EEPROM存儲器，可以保存被測地塊的GPS定位數據，通過RS-232C 接口及數據發送給上位計算機作進一步的分析處理。上位計算機軟件采用 Visual Basic6.0結合MapObjects 地理信息系統控件開發而成 。MapObjects 由美國的 ESRI 環境研究所開發，利用MO可以在通用的編程語言上實現主要的地理信息系統功能。MapObjects 能夠顯示多個地圖層的地圖、顯示點、線、面等特征圖形、標注字符、SQL 語句查詢、特征統計等功能。上位機軟件的主要功能模塊有：數據通訊、文件操作、圖形顯示、圖形修正、文本處理、信息顯示、圖形輸出等功能。
2收割機面積測量儀的優點及應用
2.1 收割機面積測量儀的優點
2.1.1 方便快捷、測量數據準確
該收割機面積測量儀可手持測量，體積小，攜帶、操作方便。通過全球定位系統 GPS 獲取測量面積的經緯度數據，通過數據計算獲得所測多邊形或不規則形狀農田的面積，比人工測量精度高，滿足了農田面積精確測量的實際需要。
2.1.2 經濟實惠，滿足跨區作業的需要
采用低成本的 GPS 模塊進行定位，通過自主開發研制，購置該收割機面積測量儀所需費用較低，非常適用于普通農戶或農機手跨區機收、機耕作業使用。
2.1.3 測量準確，公平公正，避免矛盾
該收割機面積測量儀對農田面積測量數據準確度高，尤其對不規則形狀田塊面積測量準確。因此，可以避免在土地整理、規劃建設中因面積計算帶來的矛盾，也可避免農業機械在作業收費中因面積產生的糾紛，使相關的生產管理和農業機械的作業收費等更加的公平公正。
2.2 收割機面積測量儀的應用
2.2.1 農田基本建設中土地整理
通過在土地整理中相關土地面積的準確測量及定位，提高土地總體規劃與土地整理專項規劃中對田、水、路、林、村等綜合整治的力度和精度，有利于調整土地關系，改善土地利用結構和生產生活條件，增加可利用土地面積和有效耕地面積，提高土地利用率和產出率。
2.2.2 建設土地的規劃
通過對所轄范圍土地面積的精確測量及定位，科學合理的規劃農田、道路、林網、溝渠等項目的綜合建設，規范居民及鄉鎮工業用地，改善整體環境及維持生態平衡等。
2.2.3 農機跨區作業收費
農機跨區作業中，收割機面積測量儀可以有效防止對方經紀人或農戶因少報農田面積等產生的少付費等情況，并解決不規則田塊無法正確計量的困難，避免因此產生的矛盾和糾紛。以海寧永興合作社為例，根據收割機抽樣調查（5 臺），因上述問題農機手少收益農田面積在 5％～15％（以 10％計算），平均每臺收割機每年跨區作業面積166.67hm2以上，每 667 m2收費 60～80 元（以 60 元計算），每臺收割機每年損失15000元，遠遠大于購置農機作業面積測量儀的費用。
2.2.4 農田總產量估算
通過對農田面積的精確測量及畝產（歷史數據等）的計算，可以估算總產量，進而對整個地區的產量進行估算。同時該收割機面積測量儀的定位系統還有利于對不同地區的產量進行分析。
3 結 語
收割機面積測量儀采用 GPS 定位，測量速度快，并能測量任意形狀田塊的面積，并能生成地塊的圖形，具有較高的測量精度，且價格低，攜帶操作方便，在農業生產管理、土地整理規劃和農機作業收費等方面有著廣闊的應用前景。
