小区播种机作业图自动生成软件设计

　　0 引言

　　智能化小区播种机的研制提高了小区播种机的工作精度和工作效率,既保证了育种试验的准确性和科学性,也有利于降低试验成本和提高作物育种试验的效率[1].为了提高小区播种机的智能化水平,节省人力资源和时间,提高工作效率,研究了小区作业图自动生成系统.该系统可以根据农艺专家的需要,自动生成小区作业图,用于播种时工作人员对作业图的查看和对数据信息的提取.该方法中小区边界的坐标是由精确的数学计算确定的,相对于现在常用的用测量工具量出距离后沿线撒上白石灰,以此作为小区间的分界线的做法,可以节省大量的劳动力,并且所需时间短,生成的作业图更加精确.

　　1 系统功能设计

　　该软件可以实现的功能主要有数据输入、图形生成、数据保存、图片保存及打开已保存的数据 5 部分.根据这些功能,确定系统的总体设计方案.由于这 5部分的功能并不复杂,可以将功能按钮直接显示在软件的主页面上,这就涉及到软件用户界面的设计.软件用户界面是指软件用于和用户交流的外观、部件和程序等[2].本软件主要面向农艺专家,可以将软件能够实现的功能一目了然地显示在界面上.

　　在使用作业图时,需要将小区作业图的坐标和实际的地块坐标对应起来,这就涉及到地头标定的问题.这部分功能利用高斯-克吕格投影将经纬度坐标转换成大地坐标; 再利用三角形面积公式进行标定,确定地块的原点和 x、y 轴.由此将图中的坐标与实际坐标联系起来,建成起方便使用的坐标系.

　　2 程序设计

　　程序的设计主要包括各功能部分的程序设计,如数据的输入、绘图程序的设计、图形保存和数据保存部分程序设计、打开已保存的数据并绘出图形程序设计以及软件的移动传输.输入的数据包括地块长度、地块宽度、小区数、大间距、小间距、间距、行长、小区宽度及东西南北保护区.其中,各保护区的大小受阳光、水分、土质等外界条件影响,大小视具体情况而定.输入的各数据代表的含义在图例中均已标注,如图 1 所示.

　　绘图程序框图如图 2 所示.根据不同育种专家的习惯、地块大小及不同作物品种的需要,地块分区有不同的要求,该软件由输入的数据判断图形的样式.图形绘制完成后,将图形和数据分别保存为. bmp格式和. txt 格式,方便以后的调用.打开按钮就是将保存的数据打开并绘制图形.同时,由于所需输入的数据较多,为了方便使用,在软件的右侧配有一张图例,用户可以方便地了解各数据所代表的意义.

　　3 地头标定及坐标转换

　　GPS 接收到的信息包括经纬度坐标和速度等信息.要想将所绘制的作业图用于实际的播种工作中,需要将经纬度坐标转化成大地坐标,并与作业图对应起来.这就需要用高斯-克吕格投影进行坐标转换,转换后的长度单位为米,而作业图中的长度单位为像素,将两者按一定的比例对应起来,最后用三角形面积公式进行地头标定.

　　3. 1 空间坐标与大地坐标的转换

　　高斯-克吕格投影变换可将空间经纬度坐标转换为平面直角坐标.如果以高斯-克吕格投影中的中央子午线的投影为 X 轴,以赤道的投影为 Y 轴,两轴的交点为原点,就构成了高斯-克吕格平面直角坐标系[3],设大地坐标为( L,B) ,与高斯平面直角坐标( x,y) 之间的函数关系式为

　　式中 x、y-平面直角坐标系的纵、横坐标;
    L、B-椭球面上大地坐标系的经、纬度;
    S-由赤道至纬度 B 的子午线弧长;
    N-卯酉圈曲率半径;η-η = e'cos2B,其中 e'为地球的第 2 偏心率.

　　由式( 1) 就可以得到播种机当前在大地上的坐标; 但是此次坐标系包括了整个地球的范围,而地块的面积相对来说极其微小,且地块的方向不一定是正南正北方向.该坐标系使用起来极不方便,这就需要建立自己的坐标系.

　　3. 2 地头标定及地块方向的确定

　　坐标系的建立包括确定原点及 x、y 轴方向.原点的确定方法为: 在地头上选定一个点,测出该点的x、y 坐标,设该点的坐标为 0,之后测得的点的坐标均减去原点处实际坐标的值,这样原点就确定了.确定x、y 轴的方向后,坐标系也就建好了.由三角形面积公式可知,如果已知三角形的三边的长度,就可以算出三角形的高.本文中就是利用三角形的高作为 x、y坐标.三角形面积公式为

　　坐标推导图如图 3 所示.

　　设 A 点为原点,x、y 轴方向如图所示,B、D 分别为y 轴和 x 轴上的点,C 点为地块内任意一点.由三角形面积公式可以算出 △ABC、△ACD 的高,分别作为x、y 轴坐标.利用这种方法的好处是,可以不必考虑地块的实际方向,就可以将 GPS 测得的坐标与作业图坐标吻合.

　　3. 3 像素与实际测量单位的转换

　　在实际绘图时,世界坐标系空间中的一个区域要先被映射到页面空间,然后再由页面空间映射到设备空间,再由设备空间映射到物理设备空间,这样图形就在计算机屏幕上显示出来了[4].对于设备空间来说,它的左上角为坐标原点( 0,0) ,向右是 x 增加的方向,向下是 y 增加的方向.在图例中,由于设定的小区 1 为左上角的第 1 个小区,所以坐标设定与物理设备空间的坐标一致.

　　在应用程序中需要建立设备描述表,并调用 GDI绘图或输出函数,但是几乎所有的 GDI 函数中使用的坐标值都采用的是逻辑单位,Windows 必须将逻辑单位转换为"设备单位"( 即像素) ,而利用高斯-克吕格投影转换成的长度单位为米,所以需要进行实际的长度单位与像素之间的转换.绘图客户区的长与宽的比为 3: 4 在绘图时,如果实际的地块长: 宽>3: 4 时,比例因子为 rect. Height( ) /m_dklength; 否则,比例因子为 rect. Width( ) /m_dkwidth.其中,rect 为控件客户区域.

　　4 结语

　　用 Visual C++6. 0 开发的小区作业图生成软件,实现了地块的自动分区; 由图例引导,具有简单实用、界面友好的特点,并可实现数据和图形的双重保存,节省了育种过程中的人力、成本和大量宝贵的时间,提高了育种效率.利用高斯-克吕格投影和三角形面积公式,将作业图坐标与实际地块坐标联系起来,使作业图的使用变为可能.该设计对实现育种过程自动化、提高育种质量具有重要的意义.

　　参考文献:

　　[1] 王亮,尚书旗,龚丽农,等. 智能化小区播种机电源系统设计[J]. 机电产品开发与创新,2010,23( 5) : 44-46.

　　[2] 段涛. 软件界面设计[J]. 工程技术,2011( 6) : 106.

　　[3] 刘健,刘高峰. 高斯-克吕格投影下的坐标变换算法研究[J]. 计算机仿真,2005,22( 10) : 124-129.

　　[4] 孙鑫. VC++深入详解[M]. 北京: 电子工业出版社,2012:405.