農機自動導航系統作業精度評價方法試驗探討

武克煥，程 晨

(1.安徽省農業機械試驗鑒定站，合肥 230036；2.合肥瑞信農業裝備檢測技術有限公司，合肥 230036)

0 引言

精準農業是現代農業發展的重要方向，通過對GIS、GPS、RS以及DSS等技術的運用，獲取農田內影響農作物品質和產量的因素，并針對這些因素，采取有效措施發揮耕地資源的潛力，合理投入物資，以促進農作物產量和品質的提升，控制作業成本，降低農業活動對環境的不利影響。其中，農機自動導航技術就是實現上述目標的關鍵技術。

1 農機自動導航系統作業精度評價方法

為實現對農機自動導航系統作業精度的準確評價，以作業直線度、壟間偏差、作業重疊和遺漏項評估指標為切入點，通過對橫向偏差、實際作業幅度和預設作業幅度差、作業重疊率和遺漏率進行計算，準確評價農機自動導航系統的作業精度[1]。

1.1 作業直線度

以橫向偏差均值和標準差為依據，對農機自動導航系統每壟作業精度進行有效評估的指標就是作業直線度。農機當前所在的軌跡坐標點，與某壟定義導航路線之間的距離，就是橫向偏差。橫向偏差與自動導航系統作業精度之間具有反向關系，簡言之，就是橫向偏差越小，導航系統作業精度越高，反之則亦然。

1.2 壟間偏差

實際作業同理想鄰接行寬之間的差值就是壟間偏差，農機自動導航系統作業過程中，與兩作業壟相鄰的作業軌跡間距離就是實際作業鄰接行寬，而導航系統內所設置的作業幅寬為理想鄰接行寬。這個評價指標可以對農機自動導航系統在作業過程中的土地利用率進行反映，簡言之，就是在評價農機導航系統作業精度時，該指標可以發揮重要的作用。其具體評價方法如下：首先在ArcGIS圖層中錄入農機在某個壟的作業軌跡點，可以用i對這個軌跡點進行表示，然后通過點集轉線的方式，以點創建要素為依托，在圖層中加入農機在i+1壟的作業軌跡點，之后對分析工具進行利用，生成與之相關的表，將其作為輸入要素，并選擇壟作業軌跡線作為臨近要素，最終得到結果。這個結果可以對點與線之間的距離進行反映。使用結果對比預設作業幅寬，即明確了各個作業軌跡點的壟間偏差。

1.3 作業重疊和遺漏

農業自動導航系統雖然具有非常高的精度，但作業重疊和遺漏的問題依然不可避免。本文在分析上述兩種現象時，對ArcGIS軟件進行了利用，首先在ArcMap圖層之中導入農機實際作業軌跡點數據，同時使用點集轉線各個軌跡點連成一條線。然后，以農機為依據做好作業幅度的設置，簡言之，就是將平行線設置到各道作業軌跡線左右兩側50%的幅寬處，作業軌跡線的首尾分別與平行線的兩端相連接，通過這種方式，獲得相鄰兩作業壟的重疊區域，在此基礎上進行計算，即可確定該區域的面積。作業重疊率和遺漏率可利用公式(1)和(2)計算

(1)

(2)

在上述公式中，作業區域重疊總面積和地塊作業遺漏區域面積由Ao和As表示；有效作業區域總面積由A表示；作業重疊率由ηo表示；作業遺漏率由ηs表示。作業重疊率和遺漏率與導航系統作業精度之間存在密切的關聯，簡言之，就是重疊率和遺漏率越小，導航系統作業精度越高，反之則亦然。

2 作業精度評價試驗研究

2.1 搭建試驗平臺

本次試驗研究的對象為國內某研究中心研制的農業自動導航系統，該導航系統由多個部分組成，主要包括衛星接收機、傳感器、導航控制端、電液比例轉向系統等。該系統運用了北斗衛星定位技術和先進算法，有利于田間高精度作業目標的實現。在田間試驗過程中，研究人員將該系統安裝到拖拉機上，將其作為試驗平臺，并在此基礎上，通過試驗的方式對導航系統作業精度進行評價[2]。

2.2 試驗驗證

在農機自動導航系統安裝完成后，試驗人員需要采取有效措施，消除安裝誤差。本次試驗的地點為曬糧場，試驗場地的路面十分平整，起伏較小。拖拉機的前進速度為3 km·h-1，并保持5 m的作業寬度，同時進行6條壟的作業，與此同時，還要使各壟作業的長度保持一致，在選擇預定義導航線時，選擇相同的導航線，姿態對比的地點為田間，為避免試驗準確性受到其他因素的影響，在試驗過程中，不會對其他因素進行調整，僅考慮當前因素變化對作業精度的影響。在試驗過程中，由導航終端對作業數據進行記錄，避免人為記錄所產生的誤差。

2.2.1 農機自動導航系統精度評估方法驗證

試驗過程中所使用的導航系統，提前設置了參數，通過這種方式，確保試驗結果的準確性。重復性試驗后得知，在上線系數為2.3時，且中位基數為2.85時，農機自動導航系統的精度最高，將上文提出的精度評估方法作為依據，獲得了此時的各壟橫向偏差數據，如下所述：第一壟偏差平均值為-0.11 cm，標準差為0.41 cm；第二壟偏差平均值為-0.428 cm，標準差為0.37 cm；第三壟偏差平均值為-0.02 cm，標準差為0.33 cm；第四壟偏差平均值為-0.23 cm，標準差為0.46 cm；第五壟偏差平均值為-0.52 cm，標準差為0.44 cm；第六壟偏差平均值為-0.22 cm，標準差為0.44 cm；總體偏差平均值為-0.08 cm，標準差為0.50 cm。通過觀察試驗數據可知，農業自動導航系統的精度較高，總體橫向偏差僅為-0.08 cm。

壟間偏差統計數據如下：第一壟和第二壟偏差平均值為0.43 cm，標準差為0.51 cm；第二壟和第三壟偏差平均值為-0.53 cm，標準差為0.51 cm；第三壟和第四壟偏差平均值為0.19 cm，標準差為0.54 cm；第四壟和第五壟偏差平均值為0.16 cm，標準差為0.65 cm；第五壟和第六壟偏差平均值為-0.43 cm，標準差為0.67 cm；總體壟間偏差平均值為0.03 cm，標準差為0.69 cm。通過觀察試驗數據可知，農業自動導航系統的精度較高，總體橫向偏差僅為0.69 cm。由此可見，壟間偏差總體平均值為正數，表明重疊面積小于遺漏面積。并且各壟之間的偏差值相對較小，表明實際作業幅度與預設作業幅度之間的差距不大。

作業重疊與遺漏統計數據如下：有效作業面積為3 886 m2，重疊面積為1.56 m2，遺漏面積為1.32 m2，遺漏率為千分之四，重疊率為千分之三。通過上述數據可知，農機自動導航系統的作業遺漏率和重疊率非常低，這表明本文所研究的農機自動導航系統的精確度非常高。

2.2.2 上線系數測試對比試驗

在保持其他參數值不變的基礎上，以數據為依據，研究不同前視距離對導航精度所造成的影響。本次試驗將上線系數分別設置成1和3，其他參數保持不變，試驗結果如下：

在上線系數為1時，第一壟橫向偏差平均值為0.96 cm，與第二壟偏差平均值為-1.93 cm；第二壟橫向偏差平均值為0.87 cm，與第三壟偏差平均值為1.60 cm；第三壟橫向偏差平均值為0.78 cm，與第四壟偏差平均值為-1.68 cm；第四壟橫向偏差平均值為0.77 cm，與第五壟偏差平均值為1.52 cm；第五壟橫向偏差平均值為0.81 cm，與第六壟偏差平均值為-1.73 cm；第六壟橫向偏差平均值為0.74 cm。

在上線系數為3時，第一壟橫向偏差平均值為-1.32 cm，與第二壟偏差平均值為3.13 cm；第二壟橫向偏差平均值為-1.87 cm，與第三壟偏差平均值為-3.81 cm；第三壟橫向偏差平均值為-1.78 cm，與第四壟偏差平均值為3.8 cm；第四壟橫向偏差平均值為-2.01 cm，與第五壟偏差平均值為-2.55 cm；第五壟橫向偏差平均值為-0.15 cm，與第六壟偏差平均值為0.94 cm；第六壟橫向偏差平均值為0.89 cm。

通過上述數據可知，與自動導航最佳參數設置相比，上線系數增加后，各項偏差均會增大，在各項指標中，橫向偏差的表現最為顯著，在橫向參數增大后，作業重疊率和遺漏面積也會隨之增加[3]。

3 結論

綜上所述，農機自動導航系統在農業生產中的應用逐漸增多，其應用有助于精準農業發展目標的實現。因此，通過試驗的方式，對評價農機自動導航系統作業精度的方法進行研究，可以使農機自動導航系統的應用價值得到充分實現。