大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法、系统、介质及设备

1.本发明涉及农业机械技术领域，具体地，涉及一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法、系统、介质及设备。


背景技术：

2.因条件限制，一般农艺决策部门在采集地块土壤特性等信息时仅重点对地块中的关键点进行采样，采样间隔往往较大且不相等，故而给出的原始需水水深对应地块中稀疏的不等间距的点。
3.大型变量喷灌机在整个作业地块中以喷洒管理区(相邻喷头重叠区域，后文简称管理区)为最小水量变量喷灌控制单位，机用喷灌水深处方应以管理区为单位定义。大型变量喷灌机有平移与圆形两种移动方式。当采用pwm技术实现变量喷灌时，相邻管理区的水深突变幅度过大时喷灌误差将增大。
4.专利文献cn106570321a(申请号：cn201610940702.7)公开了一种平移式喷灌机不同工况喷洒水深的计算方法，在平移式喷灌机运行方向上放置雨量筒n排，每排m个，使喷洒半径雨滴能够完全覆盖雨量筒，在保证平移式喷灌机喷洒稳定的情况下，开始计时，测得每一雨量筒内的水量，计算每一排雨量筒的平均喷灌强度，绘制喷灌强度和距中心距离的关系曲线，设定平移式喷灌机组运行速度s，建立喷灌强度d
′
和时间t之间的函数关系式，绘制喷灌强度和时间的关系曲线；计算平移式喷灌机组以速度s完全通过一个雨量筒所用的时间t2，对在运行时间为t2的条件下喷灌强度函数进行数学积分，得到某一雨量筒处的喷灌水深。然而该专利无法解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法、系统、介质及设备。
6.根据本发明提供的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法，包括：
7.步骤1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；
8.步骤2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；
9.步骤3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。
10.优选的，所述步骤1包括：
11.平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(xc,yc)的水深hc；
12.圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量和极角增量对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有
点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(xc,yc)的水深hc，网格中心点(xc,yc)取在极径增量一半和极角增量一半的对应位置处；
13.若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。
14.优选的，所述步骤2包括：
15.对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(xc,yc)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离di；
[0016][0017]
再由这3个邻近点的原始需水水深h
a1
、h
a2
、h
a3
的求得此面辐射网格的水深hc；
[0018][0019]
优选的，所述步骤3包括：
[0020]
根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分，并设各管理区处方网格内任意点的水量相等，管理区处方网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区处方网格在行走方向上的尺寸由用户定义；
[0021]
基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区处方网格的水深处方值，若某一管理区处方网格内包含i行j列面辐射网格，则求得此管理区水深hm；
[0022][0023]
式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。
[0024]
根据本发明提供的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，包括：
[0025]
模块m1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；
[0026]
模块m2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；
[0027]
模块m3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。
[0028]
优选的，所述模块m1包括：
[0029]
平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(xc,yc)的水深hc；
[0030]
圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量和极角增量对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(xc,yc)的水深hc，网格中心点(xc,yc)取在极径增量一半和极角增量一半的对应位置处；
[0031]
若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。
[0032]
优选的，所述模块m2包括：
[0033]
对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(xc,yc)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离di；
[0034][0035]
再由这3个邻近点的原始需水水深的求得此面辐射网格的水深hc；
[0036][0037]
优选的，所述模块m3包括：
[0038]
根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分，并设各管理区处方网格内任意点的水量相等，管理区处方网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区处方网格在行走方向上的尺寸由用户定义；
[0039]
基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区处方网格的水深处方值，若某一管理区处方网格内包含i行j列面辐射网格，则求得此管理区水深hm；
[0040][0041]
式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。
[0042]
根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法的步骤。
[0043]
根据本发明提供的电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法的步骤。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0045]
1)反距离加权插值不改变原始水深已知点处的水深值；当区域周围水深原始需水水深相等或变化不大时，反距离加权插值所得区域内水深与区域周围相近；当区域周围原始需水水深相差较大时，反距离加权插值可以实现水深的平缓过渡，避免了较大的水深突变，进而保证了变量喷灌的精度；
[0046]
2)面积加权均分法可保证管理区内总需水量在转换前后保持不变，且所得管理区水深能较好地体现和代表管理区内各点的需水情况。
附图说明
[0047]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0048]
图1为平移模式时的原始需水数据点、面辐射网格、管理区网格示意图；
[0049]
图2为圆形模式时的原始需水数据点、面辐射网格、管理区网格示意图；
[0050]
图3为平移模式时的原始需水数据点的平面示意图；
[0051]
图4为圆形模式时的原始需水数据点的平面示意图；
[0052]
图5为平移模式时需水量面辐射后形成的喷灌区域需水水深全覆盖的平面示意图；
[0053]
图6为圆形模式时需水量面辐射后形成的喷灌区域需水水深全覆盖的平面示意图；
[0054]
图7为平移模式时求得的喷灌管理区水深处方平面示意图；
[0055]
图8为圆形模式时求得的喷灌管理区水深处方平面示意图；
[0056]
图9为本发明水深处方值的求取方法流程图。
具体实施方式
[0057]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0058]
实施例1：
[0059]
如图9，本发明提供了一种完成大型变量喷灌机的变量作业前由少量需水量信息最终得到各个管理区喷灌水深处方值的求取方法，先对喷灌区域进行面辐射网格离散，然后采用反距离加权插值进行需水量面辐射从而将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面，再采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。
[0060]
1)面辐射网格离散
[0061]
平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸(比如0.1米)将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元(后文简称为面辐射网格)，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(xc,yc)的水深hc。
[0062]
圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量(比如0.1米)和极角增量(比如0.1
°
)对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元(后文同样简称为面辐射网格)，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(xc,yc)的水深hc，网格中心点(xc,yc)取在极径增量一半和极角增量一半的对应位置处。
[0063]
若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。
[0064]
2)反距离加权插值实现需水量面辐射。
[0065]
对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(xc,yc)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离di；
[0066][0067]
再由这3个邻近点的原始需水水深的求得此面辐射网格的水深hc；
[0068][0069]
3)面积加权均分法求取喷灌管理区水深处方值。
[0070]
根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分(后文简称为管理区网格)，并设各管理区网格内任意点的水量相等，管理区网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区网格在行走方向上的尺寸可由用户定义，一般取与喷头间距相近的值。
[0071]
基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区网格的水深处方值，若某一管理区网格内包含i行j列面辐射网格，则可求得此管理区水深hm；
[0072][0073]
式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。
[0074]
图1和图2中实线灰色框示意其中一个管理区网格，虚线灰色框示意其中一个面辐射网格，点(xc,yc)为此面辐射网格中心位置，红点为所有原始需水数据点中离此辐射网格中心(xc,yc)最近的三点。
[0075]
图3和图4中灰色为待喷灌区域，原始需水数据点经纬坐标变换后呈现为区域内的稀疏不等间距点，原始需水水深大小以点颜色的深浅表征。
[0076]
图5和图6中水深大小以颜色的深浅表征。
[0077]
图7和图8中各网格为管理区处方网络，各处方网络的水深以颜色的深浅表征。
[0078]
实施例2：
[0079]
本发明还提供一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，所述大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统可以通过执行所述大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法理解为所述大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统的优选实施方式。
[0080]
根据本发明提供的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，包括：模块m1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；模块m2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；模块m3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。
[0081]
所述模块m1包括：
[0082]
平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(xc,yc)的水深hc；
[0083]
圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量和极角增量对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(xc,yc)的水深hc，网格中心点(xc,yc)取在极径
增量一半和极角增量一半的对应位置处；
[0084]
若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。
[0085]
所述模块m2包括：
[0086]
对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(xc,yc)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离di；
[0087][0088]
再由这3个邻近点的原始需水水深的求得此面辐射网格的水深hc；
[0089][0090]
所述模块m3包括：
[0091]
根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分，并设各管理区处方网格内任意点的水量相等，管理区处方网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区处方网格在行走方向上的尺寸由用户定义；
[0092]
基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区处方网格的水深处方值，若某一管理区处方网格内包含i行j列面辐射网格，则求得此管理区水深hm；
[0093][0094]
式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。
[0095]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0096]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法，其特征在于，包括：步骤1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；步骤2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；步骤3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。2.根据权利要求1所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法，其特征在于，所述步骤1包括：平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(x
c
,y
c
)的水深h
c
；圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量和极角增量对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(x
c
,y
c
)的水深h
c
，网格中心点(x
c
,y
c
)取在极径增量一半和极角增量一半的对应位置处；若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。3.根据权利要求2所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法，其特征在于，所述步骤2包括：对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(x
c
,y
c
)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离d
i
；再由这3个邻近点的原始需水水深的求得此面辐射网格的水深h
c
；4.根据权利要求3所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法，其特征在于，所述步骤3包括：根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分，并设各管理区处方网格内任意点的水量相等，管理区处方网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区处方网格在行走方向上的尺寸由用户定义；基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区处方网格的水深处方值，若某一管理区处方网格内包含i行j列面辐射网格，则求得此管理区水深h
m
；式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。
5.一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，其特征在于，包括：模块m1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；模块m2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；模块m3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。6.根据权利要求5所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，其特征在于，所述模块m1包括：平移模式时，采用远小于管理区长度的尺寸将喷灌区域进行正交网格划分形成正方形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点(x
c
,y
c
)的水深h
c
；圆形模式时，基于极坐标表示，采用远小于管理区尺寸的极径增量和极角增量对待喷灌区域进行网格划分形成小扇形网格单元即面辐射网格，并设任意面辐射网格内所有点的水深相等且等于该面辐射网格中心点处(x
c
,y
c
)的水深h
c
，网格中心点(x
c
,y
c
)取在极径增量一半和极角增量一半的对应位置处；若喷灌区域内存在地块边界的情况，边界以外的面辐射网格的水深值直接取为0。7.根据权利要求6所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，其特征在于，所述模块m2包括：对于任一个面辐射网格，先利用k-d树算法查找距网格中心点(x
c
,y
c
)最近的3个原始需水数据点并计此中心点到这3个邻近点的平面直线距离d
i
；再由这3个邻近点的原始需水水深的求得此面辐射网格的水深h
c
；8.根据权利要求7所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取系统，其特征在于，所述模块m3包括：根据管理区尺寸进行管理区处方网格划分，并设各管理区处方网格内任意点的水量相等，管理区处方网格在桁架方向上的尺寸与喷灌机上喷头间距相等，管理区处方网格在行走方向上的尺寸由用户定义；基于面辐射网格采用面积加权均分法计算各管理区处方网格的水深处方值，若某一管理区处方网格内包含i行j列面辐射网格，则求得此管理区水深h
m
；式中，为该管理区内第i列第j列面辐射网格，当与目标喷灌区域边界相交时应以实际面积计算；为该管理区内第i列第j列面辐射网格的水深。9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处
理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法的步骤。10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种大型变量喷灌机管理区作业水深处方求取方法、系统、介质及设备，包括：步骤1：对喷灌区域进行面辐射网格离散；步骤2：采用反距离加权插值进行需水量面辐射，将已知的少量的原始需水信息扩散到整个地块平面；步骤3：采用面积加权均分法得到各管理区喷灌水深处方值。当区域周围原始需水水深相差较大时，反距离加权插值可以实现水深的平缓过渡，避免了较大的水深突变，进而保证了变量喷灌的精度。灌的精度。灌的精度。


技术研发人员：潘胜权 陈晶晶 刘成良 李彦明 莫锦秋
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/7