GPS農田平地機土方量及設計高程計算軟件開發

王新忠+王熙+王少農+莊衛東

摘要：使用全球衛星定位系統（GPS）農田平地機進行平地作業前，要對平地作業地形進行測量，計算出平地作業土方量，包括挖方量和填方量，根據挖方量與填方量相等的原則，再計算出平地機設計高程，將設計高程導入GPS平地機自動控制系統里，可使GPS農田平地機更精準設定高程，從而自動控制平地機的作業。傳統的手工計算土方量及設計高程方法過于復雜，為了提高計算工作效率，方便用戶使用，開發了基于VB 6.0編程軟件的平地機土方量及設計高程計算軟件。經過田間平地測試檢驗，該軟件能夠提高平地作業效率。

關鍵詞：全球衛星定位系統；平地機；農田平整；計算軟件

中圖分類號：P228.4+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）06-1146-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.039

Abstract： Before using the Global Positioning System（GPS） field grading operation， we should measure the topographic features and calculate the earth volume of grading operation， including the excavation volume and filling volume， and then calculate the design elevation of grader according to the principle of equal amount of excavation and filling volume. The design elevation was then input into the automatic control system of GPS grading machine， which provide a more accurate height setting， as well as automatic control of grader work. As the manual calculation of earthwork and elevation design method is too complicated， a software for calculating the earth volume and design elevation of grader was developed based on VB 6.0 programming software in order to improve the computational efficiency. Field leveling test，showed that the software could improve the efficiency of flat ground operation.

Key words： Global Positioning System； grader； field grading； calculate software

隨著高精度全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）農田平地機的推廣應用，需要開發與之配套的土方量及設計高程計算軟件，為GPS平地機作業計算出土方量，并為GPS平地機自動控制系統提供設計高程。GPS平地機在作業時，要根據農田地塊實際高程與設計高程間的差異進行挖方或填方作業，從而盡量利用農田地塊內的土方進行土地平整，以減少將農田地塊內多余的土方外棄，或運載外面的土方進入農田地塊進行填方。使用GPS平地機自動控制系統時，需要輸入精準的設計高程。GPS平地機使用此設計高程進行平地作業，可以使平地作業所產生的挖方量和填方量基本相等。基于此，根據GPS平地機農田平地作業實際需求，研究了GPS平地機平地土方量及設計高程計算方法，并使用VB 6.0編程軟件開發出了GPS平地機土方量及設計高程計算軟件。該軟件能夠充分利用農場或農村農機合作社現有車載高精度GPS接收機，對作業地塊測量所采集到的三維數據進行處理和分析，得到地塊的三維地形圖；根據三維地形圖計算出作業地塊平均高程，依據高程差計算出作業地塊挖方量和填方量，根據挖方量和填方量相等原則得出設計高程。這樣無需使用價格昂貴的全站儀，降低了測量作業成本[1]。該軟件主要有以下功能：①可以比較準確的計算出平地作業所產生的挖方量和填方量。根據平地作業所產生的土方量計算GPS平地機的工作量，為平地作業結算提供準確的數據。②為平地作業提供農田地塊地形圖，供作業農機技術人員進行作業路線規劃參考，便捷地將土方從高處向低洼處實施推運。③計算出GPS平地機自動控制系統所需要的設計高程，為平地機平地作業提供作業高程基準，以最小的土方運送量，達到較高的土地平整精度。GPS農田平地機土方量及設計高程計算軟件窗口如圖1所示。

1 國內外狀況

1.1 國外農田平地作業計算軟件

目前國際上農田平地作業計算軟件主要為美國約翰迪爾（JOHN DERRE）公司的ApexTM軟件、美國凱斯（CASE）公司AFS軟件和日本拓普康（TOPCON）公司AGForm-3D軟件。

1.1.1 美國約翰迪爾公司ApexTM軟件 ApexTM軟件是美國約翰迪爾公司為其農機具推出的軟件，有各種版本，分別可以在PC機和手機上運行，還可以在約翰迪爾公司的Green Star車載計算機上運行，操作人員在作業現場駕駛帶有GPS接收機的拖拉機作S形運動時，車載計算機自動記錄作業地塊的數據，通過車載計算機中的ApexTM軟件對數據進行分析，然后得出最優解決方案，從而幫助操作人員進行平地作業。

1.1.2 美國凱斯公司AFS軟件 美國凱斯公司AFS軟件是農機配套的軟件，它可以和凱斯拖拉機配套使用，AFS軟件中有AFS Water Control模塊，該模塊可以對作業地塊進行分析、土方量計算，還可以進行自動化地形測量、坡度設定等，通過坡度平地作業來有效的分配水資源，提高水資源利用效率，降低用水成本，從而節約灌溉用水。

1.1.3 日本拓普康公司AGForm-3D軟件 日本拓普康公司AGForm-3D軟件能夠對拓普康公司GPS農田平地機采集并記錄的農田地塊相關信息進行處理，從而提高平地作業效率。其無需進行人工測繪作業就能完成農田地塊地形測量，自動完成作業地塊設計圖的繪制。

1.2 國內農田平地作業計算軟件

發達國家的農田平地作業計算軟件經過多年的實際應用已經比較成熟，并可以進行商業化應用，但因為價格和使用習慣等原因，無法在國內進行大規模的推廣應用。近年來，國內的一些高校和科研單位應用地理信息系統平臺進行了土方量計算軟件研究與開發，先后開發出了基于GPS平地機的土方量計算軟件，取得了較好的應用效果。

1.2.1 南方測繪公司CASS系列軟件 南方測繪公司CASS系列軟件對于工程中常見的情況提出了各種土方量計算方案，包括利用DTM模型、斷面、方格網、等高線等幾種方法，可以應用于各類設計面，如平面、斜面以及三角網等[2]。

1.2.2 超圖公司Super Map Deskpro軟件 超圖公司Super Map Deskpro軟件能適應各種復雜地形以及場地實際情況，具有良好的交互性，界面友好，貼近操作人員設計思路，能夠在最短的時間內計算出土石方量；其提供了6種土石方量計算方法，對于土方挖填量的結果可進行分區域調配優化，解決了平地土方量平衡要求。

2 土方量及設計高程計算軟件研究與開發

為了滿足平地作業實際需求，課題組應用VB 6.0軟件研究開發了土方量及設計高程計算軟件，為自行研制的GPS農田平地機配套使用，其可為GPS農田平地機自動控制系統提供設計高程，使其能夠移動最少的土方量完成土地平整作業。

2.1 土方量及設計高程計算方法

農田平地土方量計算是GPS平地機進行平地作業前的一個重要的步驟；在進行平地作業之前需要根據作業地塊的實際情況，計算出平地作業所產生的挖方量和填方量。

數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，其是用數字形式的X、Y、Z軸坐標來表示作業地塊的地形[3]。使用DEM計算農田平地作業所產生的土方量，要根據實地測量的坐標（使用RTK差分GPS接收機進行測量）X、Y、Z和設計高程，計算每一個網格（圖2）的填方量和挖方量，最后將所有的網格作業所產生的土方量進行累計，得出作業地塊總的挖方量和填方量。

DEM主要有兩種表示方式，一種是基于規則方格網的DEM（Grid Based DEM），另一種是基于三角網的DEM（Triangle Based DEM）。而其中規則方格網法計算土方量更有利于使用GPS測量數據，方格網法計算相對簡單，并且便于進行VB 6.0計算機程序設計，所以在本研究中使用DEM方格網法作為農田土方量及設計高程的計算方法。

DEM方格網法是將作業地塊劃分為若干個面積相等的方格，方格一般為邊長10～20 m的正方形。在進行土方量計算時，可以在作業地塊上使用高精度的車載GPS接收機測量每個方格網點高程，然后根據平均高程與方格網點高程之間的高程差，求出各方格的填挖土方量[4]。

在進行平地作業之前，根據方格網各網點高程使用加權平均法，求整個作業地塊的平均高程（Hev）。使用VB 6.0編制的土方及高程計算軟件對GPS接收機測量的地形數據進行處理及分析，生成作業地塊DEM方格網，然后對每一個方格網點的高程進行加權平均計算，得出作業地塊加權平均高程[5]。其計算公式為：

Hev=■， （1）

式中，Hev為作業地塊加權平均高程（m）；Hi為各方格網點高程（m）；Pi為各方格網點權重；n為方格網點個數；然后根據作業地塊平均高程（Hev）和方格網地塊高程（Hi）差計算出平地作業的挖方量和填方量，若Hi>Hev，則該方格網需要進行挖方作業；若Hi

V=S（■+■+∑Hcf（m））， （2）

式中，V為方格網地塊的填挖土方量（m3）；S為方格網的面積（m2）；Hcf（c）為方格網角點高程（m）；Hcf（s）為方格網旁點高程（m）；Hcf（m）為方格網中間點高程（m）。將所有網格的挖方量和填方量進行累計，即可得到作業地塊總的挖方量和填方量。然后對平均高程進行微調，使用軟件計算出的挖方量和填方量基本相等，即可得到該作業地塊的設計高程。

2.2 計算軟件設計

使用手工計算土方量及設計高程比較復雜，費時費力，所以設計開發了基于VB 6.0的土方量及設計高程計算軟件，用于計算農田平地作業所產生的土方量及設計高程，評估平地作業前后所產生的挖方量和填方量；這里無論采用哪種方法計算挖方量和填方量，都可以視作計算平地作業所移動土壤的體積[3]。使用土方量及設計高程計算軟件計算GPS平地機平地作業所產生的土方量的流程見圖3。從圖3可見，使用方格網法對農田地塊土方量計算步驟包括數據輸入、生成方格網、切分方格網、作業地塊高程差計算和方格網土方量計算5個步驟。

平地機GPS高程自動控制系統能夠精準控制平地鏟的高程；平地作業前，需要向自動控制系統輸入精準的設計高程。該軟件還可以為GPS農田平地機自動控制系統提供設計高程，同時還可以生成GPS農田平地機作業軌跡散點圖，具體見圖4。從圖4可見，軟件運行步驟包括GPS數據文件導入、數據格式檢查、挖方量及填方量計算、計算設計高程并生成作業軌跡散點圖。

2.3 農田平地應用實例

為了驗證GPS平地機土方量及設計高程計算軟件的使用效果，2014年10月，在黑龍江省八五三農場五分場二隊約0.43 hm2旱田地塊，使用自行研制開發的GPS農田平地機進行了平地測試試驗。

在進行平地作業之前，為了得到農田作業地塊的地形數據信息，操作人員使用拖拉機牽引安裝有高精度的車載GPS接收器的平地機，在作業地塊上進行S形軌跡的行走，進行作業地塊地形數據的采集，測量作業見圖5。由于農田地形測量作業無需專業技術人員及使用全站儀等價格昂貴的設備，充分利用了農場或農村農機合作社現有的高精度GPS接收機，所以降低了農田地形測量作業成本。

車載GPS接收機把采集到的地形數據存儲到車載計算機中，測量完成后，將GPS數據從車載計算機中導出，導入到PC機中進行數據處理和分析，生成后綴為.txt的純文本數據文件，試驗數據見表1。

GPS平地機土方量及設計高程計算軟件可以直接利用.txt格式純文本數據文件進行農田土方量和設計高程的計算，無需將其轉換為數據庫格式的文件，如Access、SQL Server，或其他格式文件，所以操作簡單，使用方便。將測量作業數據導入GPS平地機土方量及設計高程計算軟件中進行數據處理和分析[6]，經軟件格式檢查和降噪處理后，生成平地機行走軌跡離散點平面圖（圖6）。然后對平地機行走軌跡離散點平面圖進行離散點網格化，生成方格網圖（圖7），再對方格網化的農田作業地塊面積進行計算[7]，得出的農田作業地塊面積為4 275 m2，大約為0.43 hm2。

本軟件還能夠根據作業地塊每一個網格的高程使用加權平均算法求出作業地塊的平均高程，然后計算出加權平均高程作為設定高程所產生的挖方量和填方量，此時，挖方量和填方量之間有一定的誤差，根據挖方量和填方量相等時產生的土方量最小原則，對平均高程進行微調和優化，通過計算調整后得出最優設計高程[8]。當設計高程不同時，農田地塊平地作業產生的挖方量和填方量見表2。從表2可見，當設計高程為83.172 6 m時，挖方量和填方量之間差值最小，為0.06 m3。也就是說，GPS農田平地機使用此設計高程進行平地作業，所產生的土方量最小。

3 小結

課題組比較了農田平地作業所產生的填方量和挖方量及設計高程計算方法，設計開發了基于VB 6.0的土方量及設計高程計算軟件，用于計算農田平地作業所產生的土方量及設計高程。通過在農田地形測量、填方量和挖方量及GPS農田平地機設計高程計算中使用本軟件，取得了很好的應用效果，提高了工作效率，滿足了農田平地作業實際需要。

參考文獻：

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[3] 徐敬海，李明峰，劉偉慶.一種基于DEM的土方計算方法[J].南京建筑工程學院學報（自然科學版），2002（1）：26-31.

[4] 張海印.土方精度與方格網邊長之關系的研究[J].華東地質學院學報，2000（3）：69-73.

[5] 吳敬文，周豐年，趙 輝.基于方格網節點的土方量計算方法研究[J].測繪通報，2006（11）：43-57.

[6] 莊衛東，汪 春，王 熙.基于MATLAB的農田信息可視化實現[J].農機化研究，2011（6）：137-140.

[7] 湯國安，趙牡丹.地理信息系統[M].北京：科學出版社，2000.

[8] 韓奎峰，孟 峰.VB 6.0和Surfer Automation技術開發土方量計算程序[J].水土保持研究，2007，14（5）：390-392.