农机自动导航系统作业精度评价方法试验探讨

武克焕，程 晨

(1.安徽省农业机械试验鉴定站，合肥 230036；2.合肥瑞信农业装备检测技术有限公司，合肥 230036)

0 引言

精准农业是现代农业发展的重要方向，通过对GIS、GPS、RS以及DSS等技术的运用，获取农田内影响农作物品质和产量的因素，并针对这些因素，采取有效措施发挥耕地资源的潜力，合理投入物资，以促进农作物产量和品质的提升，控制作业成本，降低农业活动对环境的不利影响。其中，农机自动导航技术就是实现上述目标的关键技术。

1 农机自动导航系统作业精度评价方法

为实现对农机自动导航系统作业精度的准确评价，以作业直线度、垄间偏差、作业重叠和遗漏项评估指标为切入点，通过对横向偏差、实际作业幅度和预设作业幅度差、作业重叠率和遗漏率进行计算，准确评价农机自动导航系统的作业精度[1]。

1.1 作业直线度

以横向偏差均值和标准差为依据，对农机自动导航系统每垄作业精度进行有效评估的指标就是作业直线度。农机当前所在的轨迹坐标点，与某垄定义导航路线之间的距离，就是横向偏差。横向偏差与自动导航系统作业精度之间具有反向关系，简言之，就是横向偏差越小，导航系统作业精度越高，反之则亦然。

1.2 垄间偏差

实际作业同理想邻接行宽之间的差值就是垄间偏差，农机自动导航系统作业过程中，与两作业垄相邻的作业轨迹间距离就是实际作业邻接行宽，而导航系统内所设置的作业幅宽为理想邻接行宽。这个评价指标可以对农机自动导航系统在作业过程中的土地利用率进行反映，简言之，就是在评价农机导航系统作业精度时，该指标可以发挥重要的作用。其具体评价方法如下：首先在ArcGIS图层中录入农机在某个垄的作业轨迹点，可以用i对这个轨迹点进行表示，然后通过点集转线的方式，以点创建要素为依托，在图层中加入农机在i+1垄的作业轨迹点，之后对分析工具进行利用，生成与之相关的表，将其作为输入要素，并选择垄作业轨迹线作为临近要素，最终得到结果。这个结果可以对点与线之间的距离进行反映。使用结果对比预设作业幅宽，即明确了各个作业轨迹点的垄间偏差。

1.3 作业重叠和遗漏

农业自动导航系统虽然具有非常高的精度，但作业重叠和遗漏的问题依然不可避免。本文在分析上述两种现象时，对ArcGIS软件进行了利用，首先在ArcMap图层之中导入农机实际作业轨迹点数据，同时使用点集转线各个轨迹点连成一条线。然后，以农机为依据做好作业幅度的设置，简言之，就是将平行线设置到各道作业轨迹线左右两侧50%的幅宽处，作业轨迹线的首尾分别与平行线的两端相连接，通过这种方式，获得相邻两作业垄的重叠区域，在此基础上进行计算，即可确定该区域的面积。作业重叠率和遗漏率可利用公式(1)和(2)计算

(1)

(2)

在上述公式中，作业区域重叠总面积和地块作业遗漏区域面积由Ao和As表示；有效作业区域总面积由A表示；作业重叠率由ηo表示；作业遗漏率由ηs表示。作业重叠率和遗漏率与导航系统作业精度之间存在密切的关联，简言之，就是重叠率和遗漏率越小，导航系统作业精度越高，反之则亦然。

2 作业精度评价试验研究

2.1 搭建试验平台

本次试验研究的对象为国内某研究中心研制的农业自动导航系统，该导航系统由多个部分组成，主要包括卫星接收机、传感器、导航控制端、电液比例转向系统等。该系统运用了北斗卫星定位技术和先进算法，有利于田间高精度作业目标的实现。在田间试验过程中，研究人员将该系统安装到拖拉机上，将其作为试验平台，并在此基础上，通过试验的方式对导航系统作业精度进行评价[2]。

2.2 试验验证

在农机自动导航系统安装完成后，试验人员需要采取有效措施，消除安装误差。本次试验的地点为晒粮场，试验场地的路面十分平整，起伏较小。拖拉机的前进速度为3 km·h-1，并保持5 m的作业宽度，同时进行6条垄的作业，与此同时，还要使各垄作业的长度保持一致，在选择预定义导航线时，选择相同的导航线，姿态对比的地点为田间，为避免试验准确性受到其他因素的影响，在试验过程中，不会对其他因素进行调整，仅考虑当前因素变化对作业精度的影响。在试验过程中，由导航终端对作业数据进行记录，避免人为记录所产生的误差。

2.2.1 农机自动导航系统精度评估方法验证

试验过程中所使用的导航系统，提前设置了参数，通过这种方式，确保试验结果的准确性。重复性试验后得知，在上线系数为2.3时，且中位基数为2.85时，农机自动导航系统的精度最高，将上文提出的精度评估方法作为依据，获得了此时的各垄横向偏差数据，如下所述：第一垄偏差平均值为-0.11 cm，标准差为0.41 cm；第二垄偏差平均值为-0.428 cm，标准差为0.37 cm；第三垄偏差平均值为-0.02 cm，标准差为0.33 cm；第四垄偏差平均值为-0.23 cm，标准差为0.46 cm；第五垄偏差平均值为-0.52 cm，标准差为0.44 cm；第六垄偏差平均值为-0.22 cm，标准差为0.44 cm；总体偏差平均值为-0.08 cm，标准差为0.50 cm。通过观察试验数据可知，农业自动导航系统的精度较高，总体横向偏差仅为-0.08 cm。

垄间偏差统计数据如下：第一垄和第二垄偏差平均值为0.43 cm，标准差为0.51 cm；第二垄和第三垄偏差平均值为-0.53 cm，标准差为0.51 cm；第三垄和第四垄偏差平均值为0.19 cm，标准差为0.54 cm；第四垄和第五垄偏差平均值为0.16 cm，标准差为0.65 cm；第五垄和第六垄偏差平均值为-0.43 cm，标准差为0.67 cm；总体垄间偏差平均值为0.03 cm，标准差为0.69 cm。通过观察试验数据可知，农业自动导航系统的精度较高，总体横向偏差仅为0.69 cm。由此可见，垄间偏差总体平均值为正数，表明重叠面积小于遗漏面积。并且各垄之间的偏差值相对较小，表明实际作业幅度与预设作业幅度之间的差距不大。

作业重叠与遗漏统计数据如下：有效作业面积为3 886 m2，重叠面积为1.56 m2，遗漏面积为1.32 m2，遗漏率为千分之四，重叠率为千分之三。通过上述数据可知，农机自动导航系统的作业遗漏率和重叠率非常低，这表明本文所研究的农机自动导航系统的精确度非常高。

2.2.2 上线系数测试对比试验

在保持其他参数值不变的基础上，以数据为依据，研究不同前视距离对导航精度所造成的影响。本次试验将上线系数分别设置成1和3，其他参数保持不变，试验结果如下：

在上线系数为1时，第一垄横向偏差平均值为0.96 cm，与第二垄偏差平均值为-1.93 cm；第二垄横向偏差平均值为0.87 cm，与第三垄偏差平均值为1.60 cm；第三垄横向偏差平均值为0.78 cm，与第四垄偏差平均值为-1.68 cm；第四垄横向偏差平均值为0.77 cm，与第五垄偏差平均值为1.52 cm；第五垄横向偏差平均值为0.81 cm，与第六垄偏差平均值为-1.73 cm；第六垄横向偏差平均值为0.74 cm。

在上线系数为3时，第一垄横向偏差平均值为-1.32 cm，与第二垄偏差平均值为3.13 cm；第二垄横向偏差平均值为-1.87 cm，与第三垄偏差平均值为-3.81 cm；第三垄横向偏差平均值为-1.78 cm，与第四垄偏差平均值为3.8 cm；第四垄横向偏差平均值为-2.01 cm，与第五垄偏差平均值为-2.55 cm；第五垄横向偏差平均值为-0.15 cm，与第六垄偏差平均值为0.94 cm；第六垄横向偏差平均值为0.89 cm。

通过上述数据可知，与自动导航最佳参数设置相比，上线系数增加后，各项偏差均会增大，在各项指标中，横向偏差的表现最为显著，在横向参数增大后，作业重叠率和遗漏面积也会随之增加[3]。

3 结论

综上所述，农机自动导航系统在农业生产中的应用逐渐增多，其应用有助于精准农业发展目标的实现。因此，通过试验的方式，对评价农机自动导航系统作业精度的方法进行研究，可以使农机自动导航系统的应用价值得到充分实现。