基于农田高程信息快速采集系统的平整精度评价方法

1、第23卷第5期中国土地科学V0123 No52009年5月ChinaL柚d ScienceMay，2009基于农田高程信息快速采集系统的平整精度评价方法贾文涛，刘峻明z，于丽娜， (1国土资源部土地整理中心，北京100035；2中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083； 3中国土地矿产法律事务中心，北京lo0034)摘要：研究且的：提出土地开发整理中农田平整精度评价特别是坡式田块平整精度评价的解决方案。研究方法：理论研究 与野外实验相结合，方法研究与技术研究相结合。研究结果：设计了农田平整精度评价技术路线和田面平整度、田面坡度 的算法，并开发了软件模块。研究结论：试验表明，运用农田平整

2、精度评价系统，可在野外方便、快捷地对农田平整精度进 行出量化的评价。关键词：土地开发整理；土地工程；农田平整精度评价系统；水平田块；坡式田块中图分类号：F30124文献标识码：A文章编号：100l一8158(2009)05棚6506Study on EValuation Methods of Fa珊landLeveIingPrecision Based on IIIformation Fast CoUectingSystem of Fa珊land Altitude皿went1，UU JmlIIlinYU um3(1d Conlid鲥锄d Rehabilitation CenterMirIis田

3、of Land肌d Reurces，Beijing 100035，Chin莓 2Couege of I山n训on龃d Ektrical E画neeri晦China A酊cuhural UIliversity，Beij崦100083，Chi心 3China Law Center矗)r Land锄d Reurc船，Millis町ofd aIld Reurces，Beijing 100034，China)Abst期d：11he pu巾。鸵of tllis p印er is t0 put forward solutions to f别柚dIeVeling precision evalu鲥on，髓peci

4、ally slope f捌aIld，in kd devel叩ment锄d consolid撕Metllods of tllry study觚d field exp耐ments，Inetllod咖dy 柚d technology study were jointly empldyedThe technological proceduI嘲fa朋fIL虮dleVeling precision eV山ation舳dtIle如ritllm 0f fa皿1I锄dlevehng preci8i伽柚d f砌粕d伊砌ient were designed，锄d a sofhare w鹪deVelopedThe钿1

5、Ill锄d kveling precisi伽evalu撕on system，pr0Ved by exPeriment，c锄胡tiVely and quicl【ly p州de quantitatiVe assessment t0 laIld leVeling c硼ditionsKey words：hIld deVelopment卸d recomolid撕on；lalld en萄neering知1IllandleVeling preci8ion eValu撕on system；le、忙l II姗laIld；slope fanIlI锄d检查验收土地开发整理项目的一个重要难题是如何方便、快捷地对农田平

6、整精度进行量化评价。传统检查收藕日期：2008_082l 修稿日期：2008一12_03第一 贾文涛(1975一)。男，山东菏泽人，博士。主要研究方向为“精细农业”关键技术及系统集成。E咖盐j删24酶鄙163枷66中国土地科学2009年5月第5期评价方法通常只能通过目视给出大致判断，不能进行精确评价，因此迫切需要先进技术手段的支持fl】。本文在此提出一种基于农田高程信息快速采集系统的解决方法。1算法设计与实现11农田平整精度评价技术路线 田面平整度(P)和田面坡度(口)可以表征田块平整精度。田面平整度是指衡量田面起伏程度的指标，通常用各测点到拟合平面垂直距离的标准差来表示，平整度的数值越小，说

7、明田面起伏越小，田面越平整。田面坡度是 指为了满足田间灌溉的需要而设计的田面沿水流方向倾斜的角度。因此，农田平整精度评价系统的核心算法包 括田面平整度算法和田面坡度算法【”。根据作物种植和灌排水的需要，所有设计的田面可以归为两大类：水平田面和坡式田面。水平田面平整精度 的评价只需计算平整度一个指标，坡式田面平整精度的评价相对复杂一些，需要计算平整度和坡度两个指标。在 进行田面平整精度评价时，不管是水平田面还是坡式田面，都需要首先根据野外采集的田块点位高程数据拟合 平面方程，在此基础上计算田面平整度和田面坡度。农田平整精度评价技术路线如图l所示：图1农田平整精度评价技术路线l T|蛐I岫l删l懈

8、0f h珈删IewIjng耻惯磷蚰钾ah咖12拟合平面方程及坡度求解方法假设土地平整后的拟合平面方程为：Z=AZ+县y+C。已知有若干的样本点，设任意样本点坐标为：(置，K， Z)，根据最小二乘法的思想，样本点到拟合平面上对应点的距离最小，即达到最佳拟合的目的。因此，考虑求解该 距离平方和肘的最小值。计算公式如下：肘=(2：一AX一ByiC)2(式1)扭1为了求解肘的最小值，解方程组：贾文涛等：基于农田高程信息快速采集系统的平整精度评价方法 67眠=等=耋2(五一A置制tc)(-置)=o(式2)=署=娄2(磊一觚川tc)(-yf)=o(式3)咆=筹=耋2(z一觚一曰Kc)(-1)=o(式4)为

9、求解该方程组，企弘(五y；)五括l扭l=l弘D=(置E)yi(式5)扭l五Kn C讧I备l(五Z)(五yf)五扛l括1每lDI=(yi互)宝y2yi(式6)士=l讧I讧lz：yln C扛l讧I弘(置Z)五扛I语lD2=(置K)(y；磊)y；(式7)扛lb1扭lnn五Zn Cj=l讧l圭Z(置y；)(五Z)扛l扫I讧l伤=(置班)妻l，；(y；Z)(式8)扛l讧1扛l五yZbl扛I扛I通过对已有的样本点进行计算可以得到：A=鲁，曰=鲁，c=鲁，由上述公式求解得到A、B、c三个变量后，拟合的平面方程即可确定。 平面的法向量为(A，B，1)，它与z轴(0，O，1)的夹角p即为所求平面的坡度。p=c4

10、：=兰=(式9)、A2+酽+l假设X轴的方向为正东方向，y轴的方向为正北。坡向相关的角度为卢，0卢0，B0时，坡向为东偏北p度；中国土地科学2009年5月第5期Z=A图2用最小二乘法拟合平面方程示意图1192 蚴llor矗恤g apl蛾eq岫byIe越畔删!m砌(2)A0，曰0时，坡向为东偏南犀度； (3)A0时，坡向为西偏北口度； (4)A0，日0，曰O，拟合平面方程变为：Z=A(X+Kl，)+C(式12)所以原方程可以整理为两个方程组成的方程组：n nnA(+K(置yi)+c墨=(配Z)(式13)语I扛l扛l讧lA(置+Ky；)+仇=Z(式14)讧l扛l#l解此方程组， 令：(+K(冠y1

11、)x。扛l面l扛IE=(式15)nXi+Kl，in贾文涛等：基于农田高程信息快速采集系统的平整精度评价方法(置Z)五扭l扭lEI=(式16)B五n(x：+K(置K)(x；Z)扭I扭l语l易=(式17)nn(Xi+Ky)Z由此可以得到解：A=粤，c=睾；坡度求解按式9计算，其中日：融。正乜(2)如果已知坡向为东偏南卢度，此时A0，曰0，拟合平面方程变为：Z=A(XKy)+C(式18)按照(1)的方法可以求得A、C以及拟和平面方程。 (3)如果已知坡向为西偏北卢度，此时A0，拟合平面方程变为：Z=A(XKy)+C(式19)按照(1)的方法可以求得A、C以及拟和平面方程。(4)如果已知坡向为西偏南卢

12、度，此时AO，B0，拟合平面方程变为：z=A(x+Ky)+C(式20)按照(1)的方法可以求得A、C以及拟合平面方程。13田面平整度算法假设土地平整后的拟合平面方程为：Z=Ax+曰y+C，则求解实际田面上的某测点到拟合平面垂直距离的 计算公式为11一I：应：且粤型篁型(式21)、A 2+铲+l对所有求得的距离求平均值d，以标准差P(cm)作为衡量土地平整度的指标，则：p=(式22)式22中，画为田块内第i个测点距离拟合平面的垂直距离(cm)；d为所有测点距离拟合平面垂直距离的平均值 (cm)；凡为田块内所有测点的数量。当P值越小时，说明田面起伏越小，田面越平整。P=0是理论上可达到的最佳 精度

13、，而较高的P值则意味着较差的土地平整精度。标准偏差P反映了田面平整的总体状况，要想评价田间地面形状的分布差异及特征，可利用分布偏差计算 给出定量描述。首先计算田块内各测点到拟合平面的垂直距离五(cm)，再根据小于某一数值(如3cm)的测点的累 积百分比数来反映地面平整度的分布状况。2试验研究按照上述算法，作者研发了“农田平整精度评价系统”，并作为一个功能模块集成到已在推广应用的基于GPs 和GIs的土地开发整理辅助现场调查系统中。2008年5月，结合湖南省新田县激光平地试验，选择了两个地块对 激光平地前后农田平整精度分别进行了评价。地块一设计为水平田面，面积025 hm2，共测了58个点，包含

14、通过GPs测得的点位平面坐标和相对高差数 据。地块二设计为坡式田面，面积03 hm2，共测了84个点，每5 m测一个点，只记录了相对高差数据。进行平整精70中国土地科学2009年5月第5期度评价不需要求出每个点的真实高程，只需要相对高差数据，即测量杆读数，也就是地表点距离激光扫描平面的相对高差。试验结果如下：地块一(水平田面)：(1)激光平整前：拟合平面方程Z=134，平整度P=1396 cm。距离拟合平面垂直距离小于3cm的点数占全部点的155。(2)激光平整后：拟合平面方程Z=136，平整度尸=10l cm。距离拟合平面垂直距离小于3cm的点数占全 部点的100。距离拟合平面垂直距离小于2

15、 cm的点数占全部点的96。地块二(坡式田面)：(1)激光平整前：拟合平面方程J2r=一O00髓一O005y+315，田面坡度口=O0087=l1151，平整度P=217 cm，距离拟合平面垂直距离小于3 cm的点数占全部点的107。(2)激光平整后：拟合平面方程Z=654蹰一O00ly+156，田面坡度日=00010=1，1000，平整度尸=069 cm。距离拟合平面垂直距离小于3cm的点数占全部点的100。距离拟合平面垂直距离小于2 cm的点数占全部 点的976。3结论土地平整工程是土地开发整理项目的核心工程。它的一项重要内容就是要因地制宜地对田块重新规划，适当 归并田块，在保证农民承包土地面积不减少、质量不降低的原则下进行土地权属的调整。衡量耕地质量的一个最 直观的指标就是土地平整的精度。因受施工机械设备的精度所限及人为因素的影响，土地平整精度没有达到设计 标准，导致重新分配土地时农民不接受并产生纠纷的情况已在不同地区出现。对农田平整精度做出客观、准确的 评价对于解决这一问题十分重要。笔者提出的农田平整精度评价的解决方案，经试验表明，可在项目区现场方便、 快