0 引言

智能化小區播種機的研制提高了小區播種機的工作精度和工作效率,既保證了育種試驗的準確性和科學性,也有利于降低試驗成本和提高作物育種試驗的效率[1].為了提高小區播種機的智能化水平,節省人力資源和時間,提高工作效率,研究了小區作業圖自動生成系統.該系統可以根據農藝專家的需要,自動生成小區作業圖,用于播種時工作人員對作業圖的查看和對數據信息的提取.該方法中小區邊界的坐標是由精確的數學計算確定的,相對于現在常用的用測量工具量出距離后沿線撒上白石灰,以此作為小區間的分界線的做法,可以節省大量的勞動力,并且所需時間短,生成的作業圖更加精確.

1 系統功能設計

該軟件可以實現的功能主要有數據輸入、圖形生成、數據保存、圖片保存及打開已保存的數據 5 部分.根據這些功能,確定系統的總體設計方案.由于這 5部分的功能并不復雜,可以將功能按鈕直接顯示在軟件的主頁面上,這就涉及到軟件用戶界面的設計.軟件用戶界面是指軟件用于和用戶交流的外觀、部件和程序等[2].本軟件主要面向農藝專家,可以將軟件能夠實現的功能一目了然地顯示在界面上.

在使用作業圖時,需要將小區作業圖的坐標和實際的地塊坐標對應起來,這就涉及到地頭標定的問題.這部分功能利用高斯-克呂格投影將經緯度坐標轉換成大地坐標; 再利用三角形面積公式進行標定,確定地塊的原點和 x、y 軸.由此將圖中的坐標與實際坐標聯系起來,建成起方便使用的坐標系.

2 程序設計

程序的設計主要包括各功能部分的程序設計,如數據的輸入、繪圖程序的設計、圖形保存和數據保存部分程序設計、打開已保存的數據并繪出圖形程序設計以及軟件的移動傳輸.輸入的數據包括地塊長度、地塊寬度、小區數、大間距、小間距、間距、行長、小區寬度及東西南北保護區.其中,各保護區的大小受陽光、水分、土質等外界條件影響,大小視具體情況而定.輸入的各數據代表的含義在圖例中均已標注,如圖 1 所示.

繪圖程序框圖如圖 2 所示.根據不同育種專家的習慣、地塊大小及不同作物品種的需要,地塊分區有不同的要求,該軟件由輸入的數據判斷圖形的樣式.圖形繪制完成后,將圖形和數據分別保存為. bmp格式和. txt 格式,方便以后的調用.打開按鈕就是將保存的數據打開并繪制圖形.同時,由于所需輸入的數據較多,為了方便使用,在軟件的右側配有一張圖例,用戶可以方便地了解各數據所代表的意義.

3 地頭標定及坐標轉換

GPS 接收到的信息包括經緯度坐標和速度等信息.要想將所繪制的作業圖用于實際的播種工作中,需要將經緯度坐標轉化成大地坐標,并與作業圖對應起來.這就需要用高斯-克呂格投影進行坐標轉換,轉換后的長度單位為米,而作業圖中的長度單位為像素,將兩者按一定的比例對應起來,最后用三角形面積公式進行地頭標定.

3. 1 空間坐標與大地坐標的轉換

高斯-克呂格投影變換可將空間經緯度坐標轉換為平面直角坐標.如果以高斯-克呂格投影中的中央子午線的投影為 X 軸,以赤道的投影為 Y 軸,兩軸的交點為原點,就構成了高斯-克呂格平面直角坐標系[3],設大地坐標為\\( L,B\\) ,與高斯平面直角坐標\\( x,y\\) 之間的函數關系式為

式中 x、y-平面直角坐標系的縱、橫坐標;
L、B-橢球面上大地坐標系的經、緯度;
S-由赤道至緯度 B 的子午線弧長;
N-卯酉圈曲率半徑;η-η = e'cos2B,其中 e'為地球的第 2 偏心率.

由式\\( 1\\) 就可以得到播種機當前在大地上的坐標; 但是此次坐標系包括了整個地球的范圍,而地塊的面積相對來說極其微小,且地塊的方向不一定是正南正北方向.該坐標系使用起來極不方便,這就需要建立自己的坐標系.

3. 2 地頭標定及地塊方向的確定

坐標系的建立包括確定原點及 x、y 軸方向.原點的確定方法為: 在地頭上選定一個點,測出該點的x、y 坐標,設該點的坐標為 0,之后測得的點的坐標均減去原點處實際坐標的值,這樣原點就確定了.確定x、y 軸的方向后,坐標系也就建好了.由三角形面積公式可知,如果已知三角形的三邊的長度,就可以算出三角形的高.本文中就是利用三角形的高作為 x、y坐標.三角形面積公式為

坐標推導圖如圖 3 所示.

設 A 點為原點,x、y 軸方向如圖所示,B、D 分別為y 軸和 x 軸上的點,C 點為地塊內任意一點.由三角形面積公式可以算出 △ABC、△ACD 的高,分別作為x、y 軸坐標.利用這種方法的好處是,可以不必考慮地塊的實際方向,就可以將 GPS 測得的坐標與作業圖坐標吻合.

3. 3 像素與實際測量單位的轉換

在實際繪圖時,世界坐標系空間中的一個區域要先被映射到頁面空間,然后再由頁面空間映射到設備空間,再由設備空間映射到物理設備空間,這樣圖形就在計算機屏幕上顯示出來了[4].對于設備空間來說,它的左上角為坐標原點\\( 0,0\\) ,向右是 x 增加的方向,向下是 y 增加的方向.在圖例中,由于設定的小區 1 為左上角的第 1 個小區,所以坐標設定與物理設備空間的坐標一致.

在應用程序中需要建立設備描述表,并調用 GDI繪圖或輸出函數,但是幾乎所有的 GDI 函數中使用的坐標值都采用的是邏輯單位,Windows 必須將邏輯單位轉換為"設備單位"\\( 即像素\\) ,而利用高斯-克呂格投影轉換成的長度單位為米,所以需要進行實際的長度單位與像素之間的轉換.繪圖客戶區的長與寬的比為 3: 4 在繪圖時,如果實際的地塊長: 寬>3: 4 時,比例因子為 rect. Height\\( \\) /m_dklength; 否則,比例因子為 rect. Width\\( \\) /m_dkwidth.其中,rect 為控件客戶區域.

4 結語

用 Visual C++6. 0 開發的小區作業圖生成軟件,實現了地塊的自動分區; 由圖例引導,具有簡單實用、界面友好的特點,并可實現數據和圖形的雙重保存,節省了育種過程中的人力、成本和大量寶貴的時間,提高了育種效率.利用高斯-克呂格投影和三角形面積公式,將作業圖坐標與實際地塊坐標聯系起來,使作業圖的使用變為可能.該設計對實現育種過程自動化、提高育種質量具有重要的意義.

參考文獻:

[1] 王亮,尚書旗,龔麗農,等. 智能化小區播種機電源系統設計[J]. 機電產品開發與創新,2010,23\\( 5\\) : 44-46.

[2] 段濤. 軟件界面設計[J]. 工程技術,2011\\( 6\\) : 106.

[3] 劉健,劉高峰. 高斯-克呂格投影下的坐標變換算法研究[J]. 計算機仿真,2005,22\\( 10\\) : 124-129.

[4] 孫鑫. VC++深入詳解[M]. 北京: 電子工業出版社,2012:405.