基于GPS模块的便携式农田GPS面积测量仪.doc

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。)，(X。，Y2)，…，(X。，Y。)，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