【基于GPS模块的便携式农田GPS面积测量仪】.doc

托普仪器——致力于中国农业仪器的发展 基于GPS模块的便携式农田GPS面积测量仪摘 要：全球定位系统在精细农业中起着十分重要的作用，托普仪器利用GPS的定位功能，研制了TMJ-II型农田GPS面积测量仪．GPS面积测量仪由低成本的GPS模块、单片机数据采集板、键盘及LCD显示等组成．给出了GPS定位信息的获取技术，多边形农田面积的计算方法，测量仪软硬件的设计原理等．试验结果表明GPS面积测量仪能够快速测量任意形状农田的面积，相对测量误差小于2％，并且农田面积愈大，测量的相对精度愈高．关键词：农田面积；GPS面积测量仪；GPS；精细农业农田面积是农业生产管理中最基础的数据之一．田块的大小直接决定了种子、化肥、农药等生产资料的投入量，也是农业机械进行田间作业计算工时和收费的主要依据．传统的农田面积大多使用皮尺测量，简单实用，但只适合于小面积的矩形状田块，对于大面积的田块，则费时费力，易出差错，并且难以测量不规则田块的面积．GPS全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高程等导航和定位信息，是支撑精细农业实践的核心技术之一[1]．利用GPS的定位功能，能够测量农田各个点的坐标，从而为通过数学方法计算农田的距离、面积等数据提供了可能．本文采用低成本的GPS模块研制了便携式农田GPS面积测量仪，实现对任意形状田块的面积进行快速的GPS定位测量。

1 GPS定位信息的获取通过GPS接收机就可以获得GPS的定位信息．常用的GPS接收机可分为测量、导航、掌上机、OEM板等多种类型，其性能和价格差别很大．如美国Trimble公司生产的AgGPSl32是差分型GPS接收机，具有亚米级的定位精度，在精细农业中应用相当广泛，但价格较高，体积大、功耗高，不适合用于便携式仪器．本研究采用芬兰Fastrax公司生产的uPatch02一L型GPS模块进行定位．GPS模块通过RS-232C串行口以NMEA标准输出定位信息．NMEA(National MaringElectronics Association，美国国家海事电子协会)是一家专门从事海洋电子设备教育及研究的民间机构，1983年制定的NMEA-0183标准是目前使用最广泛的有关海洋电子设备通讯接口和协议的标准．NMEA一0183语句是一组由ASCII字符组成的字符串，以“$”字符开头，以回车换行符结束，中间为数据段及校验和，数据段之间以逗号分隔．GPS模块能够输出多种格式的NMEA语句，如$GPGGA、$GPGLL、$GPZDA、$GPRMC等，不同的语句包含不同的GPS信息．在农田面积定位测量中，采用了推荐的$GPRMC语句格式．$GPRMC语句中包含了常用的GPS定位信息，如经度、纬度、速度、日期、时间、接收机状态等．该语句共由75字符组成，各个数据段在语句中的位置是固定的，如纬度数据位于字符串的第19至27字节，经度数据位于第31至40字节．读取相应区域的数据即可得到所需的定位信息，然后将经纬度字符串转换成数字，再进一步计算距离或面积．2 面积计算方法手持GPS接收机沿农田的边界绕行一周，可测量到一组由多个点组成的定位数据，按时间次序依次记为(X。

Y)，(XY2)，…，(X)，其中X表示经度，y表示纬度．将这些点依次连接成线，则构成有托个顶点的多边形，如图1所示．由于地球是一个椭球，为了精确计算距离或面积，一般采用投影的方式转换成平面坐标．在我国，对于大比例尺的地图通常采用高斯一克吕格投影进行转换E21，然而投影法计算十分复杂，难以在单片机中实现．为了简化计算，我们将地球视为正球体．由于农田测量中的距离较短，面积较小，通常小于1 km2，因此由于简化带来的误差可忽略不计．取地球半径为6371116 ITI，则可转换成平面坐标：由于z、Y的数值较大，如果直接来计算面积，会导致极大的计算误差．因此将第一点作为坐标原点，以相对偏移量构成新的坐标系，如图1所示：对于多边形图形，可采用梯形法计算面积．如由2、3两个点组成的梯形(图1中的阴影部分)，其面积为：则由N点构成的农田面积为：3 测量仪设计测量仪主要由GPS模块、通讯接口、89S52单片机、键盘及显示等电路组成，如图2所示．GPS模块用于接收GPS卫星信号，并以NMEA格式输出定位信息．系统采用芬兰Fastrax公司的uPatch02一L GPS模块，该模块集成了GPS接收器、内置天线、上电复位电路、信号接口等电路，采用3．o～5．5 V宽范围低压供电，具有12通道3m(CEP)的定位精度，同时它的体积较小(45 mm×45 mm×9．7 mm)，极低的功耗，非常适合于便携式电池供电的测量系统中．单片机是测量仪的核心部分，系统采用美国Atmel公司的AT89S52单片机作为系统的处理器，具有很高的性价比，实现GPS数据的接收、处理、面积的计算、显示、存储等功能．系统的工作原理如下：GPS模块接收GPS卫星信号，并将定位信息通过RS-232串行口输出；通讯接口将RS 232电平的串行信号转换为TTL电平并输入单片机的串行口；单片机在软件的控制下对定位信息进行处理，接收键盘命令，并将相应的运算结果在LCD显示器上显示或存储到串行E2PROM存储器中．单片机软件使用C51语言编写，在Keil环境下编译和调试．软件主要包括GPS数据接收、面积计算、键盘扫描、显示输出等模块．单片机通过串行口以中断方式接收GPS模块的定位信息，串口参数设置为9600波特率，8数据位，1停止位，无校验位．串1：1中断程序是软件的核心部分，其流程如图3所示．4试验及讨论试验一在一个视野开阔无遮挡的农田中进行．为了便于计算，选择了一个矩形田块，用皮尺测得田块长32m，宽28m，面积为896m2．测量时，手持GPS面积测量仪，步行绕田块进行测量，测量仪显示测量结果．每个测量点的经度和纬度数据存储在测量仪的E2PROM中，待测量完毕后通过串行口上传到计算机中．采用地理信息系统软件ARCVIEW3．3对测量的数据进行图形化处理，图4为3次测量的图形．表1为GPS面积测量仪对该田块进行20次测量的统计数据．试验二在校园内400 m标准操场中进行，根据操场第一跑道的参数[3]，可计算出其面积为10695 m2．测量时沿操场第一跑道绕行，直道时以正常速度行走，弯道时慢速行走．表1给出了20次测量结果的统计数据．试验一测量的是矩形状田块，图4显示的3次GPS定位测量所获得的轨迹是在不同位置上的3个矩形．虽然这3个矩形位置存在较大偏移，但都保持了很好的矩形状，面积基本相似．这说明低成本的GPS定位时存在与时间有关的漂移误差，精度较差，但是在短时间内的漂移不大，因而用GPS定位测量所获得的轨迹形状基本相似，测量结果基本相同．图4右下角定位点的分布显示，第二次测量时拐角处的顶点并没有被测量到．其原因是GPS每秒钟只能输出一次定位信息，移动速度较快时，定位点的分布较稀疏，部分关键点有可能被漏测，而这些点的缺失对面积的计算会有很大的影响．因此在第二次测量中，图4右下角阴影部分的面积就未被计算，说明GPS的移动速度对面积的测量有较大影响．因此在拐角处或曲线测量时，要降低速度，用较密集的定位点来测量，以保证这些关键的测量点不被遗漏；而测量直线时，对面积影响不大，可以采用较快的速度测量．表1中的测量数据表明，田块和操场面积测量的平均相对误差分别为1．22％和0．7％，都小于2％，表明GPS面积测量仪具有很好的测量精度．操场中包含了半圆形的区域，说明测量仪能很好地实现测量非矩形农田面积的功能．两个试验测量的相对误差相差不大，但二者的相对均方误差却相差很大，其中田块的相对均方误差为14．39％，而操场为2．55％．操场的面积约是田块面积的12倍，说明随着面积的增大，测量的相对精度提高．5 结 语在精细农业生产管理中，农田面积的快速实时测量十分必需，传统的测量技术难以快速测量不规则形状农田的面积，不能满足精细农业的要求．本GPS面积测量仪的研制为快速测量农田面积提供了一种新的方法．GPS面积测量仪的主要特点是采用GPS进行定位，测量速度快，能测量任意形状田块的面积，具有较高的测量精度，从而为精细农业的生产管理和农业机械的作业收费提供准确依据．。