本發(fā)明涉及一種農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，屬于農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于淺翻等傳統(tǒng)耕整地作業(yè)模式的大范圍推廣使用，我國的土壤耕層逐年變淺，并導(dǎo)致土壤耕層下出現(xiàn)堅硬的犁底層。犁底層的出現(xiàn)導(dǎo)致農(nóng)作物的根系難以下扎，既降低了產(chǎn)量又易誘發(fā)水土流失問題。深松作業(yè)是解決這一系列問題的有效途徑。深松作業(yè)能夠疏松土壤，打破犁底層，改善耕層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱排澇的能力。開展深松整地作業(yè)有利于農(nóng)作物生長，是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要手段之一，對于改善我國耕地情況，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。
國務(wù)院為大力推廣深松作業(yè)，實行根據(jù)深松作業(yè)面積和深松作業(yè)質(zhì)量對深松作業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼的政策。目前，可以根據(jù)來自農(nóng)機(jī)管理平臺的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)數(shù)據(jù)來計算深松作業(yè)面積。然而，對于深松作業(yè)質(zhì)量的評價，至今還沒有提出對其進(jìn)行客觀評價的指標(biāo)和體系。因此，無法有效地保證深松作業(yè)的質(zhì)量，也影響了政策補(bǔ)貼的實際效果。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決現(xiàn)有對農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量的評價并未采用客觀的評價體系的問題，提出了一種基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法。
本發(fā)明所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法包括：
步驟一、采集多臺農(nóng)機(jī)在一次深松作業(yè)中的作業(yè)數(shù)據(jù)；
一臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)包括多個時間節(jié)點以及該農(nóng)機(jī)的深耕犁在每個時間節(jié)點下的經(jīng)度、緯度、三軸加速度、三軸角速度以及耕地深度數(shù)據(jù)；
一臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)所包含的相鄰的兩個時間節(jié)點之間的時間間隔相同；
每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)所包含的相鄰的兩個時間節(jié)點之間的時間間隔均相同；
所述三軸分別為x軸、y軸和z軸，深耕犁的前進(jìn)方向為x軸方向，深耕犁的作業(yè)方向為z軸方向，x軸、y軸和z軸構(gòu)成三軸直角坐標(biāo)系；
步驟二、對農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理的具體內(nèi)容為：
將每臺農(nóng)機(jī)的深耕犁在大地坐標(biāo)下的多個經(jīng)緯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系下的多個坐標(biāo)，將所述多個坐標(biāo)作為多個軌跡點，進(jìn)而得到深耕犁在平面直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動軌跡；
按照所對應(yīng)的時間節(jié)點的先后順序?qū)Χ鄠€軌跡點進(jìn)行排序，以第一軌跡點為起點，將所述運(yùn)動軌跡分為多個地塊軌跡，相鄰的兩個地塊軌跡的起始點的間距大于l，l為預(yù)設(shè)的距離；
對三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和校正；
步驟三、對預(yù)處理后的農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到量化的農(nóng)機(jī)作業(yè)特征值，通過對每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值進(jìn)行打分得到農(nóng)機(jī)的深松作業(yè)標(biāo)簽值，將每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值與深松作業(yè)標(biāo)簽值作為訓(xùn)練樣本集；
所述農(nóng)機(jī)作業(yè)特征值包括：
采用動態(tài)時間規(guī)整方法獲得的每臺農(nóng)機(jī)的多個地塊軌跡的軌跡規(guī)整度；
根據(jù)預(yù)處理后的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，獲得的每臺農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量；
耕地深度穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值為耕地深度的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值；
步驟四、采用排序?qū)W習(xí)法對所述訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，得到最優(yōu)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型；
步驟五、將待評價農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值輸入所述農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型，得到該農(nóng)機(jī)的深松作業(yè)標(biāo)簽值。
作為優(yōu)選的是，步驟二采用高斯-克呂格投影法將大地坐標(biāo)下的經(jīng)緯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
作為優(yōu)選的是，采用動態(tài)時間規(guī)整方法獲得每臺農(nóng)機(jī)的多個地塊軌跡的軌跡規(guī)整度的具體過程為：對地塊軌跡和該地塊對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌跡進(jìn)行歸一化處理，并將歸一化地塊軌跡與歸一化標(biāo)準(zhǔn)軌跡之間的動態(tài)時間規(guī)整距離作為地塊軌跡的軌跡規(guī)整度。
作為優(yōu)選的是，根據(jù)預(yù)處理后的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，獲得每臺農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量的具體過程為：根據(jù)預(yù)處理后的x軸加速度和z軸角速度數(shù)據(jù)來判斷農(nóng)機(jī)是否發(fā)生不良作業(yè)行為，當(dāng)x軸加速度大于2.5m/s2或z軸角速度大于0.3rad/s時，判斷農(nóng)機(jī)發(fā)生不良作業(yè)行為；
根據(jù)農(nóng)機(jī)在一次作業(yè)中的行駛里程以及發(fā)生的不良作業(yè)行為數(shù)量，獲得農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量。
作為優(yōu)選的是，步驟四的具體過程為：對訓(xùn)練樣本集進(jìn)行歸一化處理，采用排序支持向量機(jī)法并選取徑向基核函數(shù)對歸一化的訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，通過優(yōu)化參數(shù)的方式得到最優(yōu)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型。
本發(fā)明所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，對采集到的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并采用軌跡相似性度量和數(shù)據(jù)平穩(wěn)性比較的方式對預(yù)處理后的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取并量化表示，采用排序?qū)W習(xí)法對由農(nóng)機(jī)作業(yè)特征值與深松作業(yè)標(biāo)簽值構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，建立最優(yōu)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型，并使用該模型對待評價的農(nóng)機(jī)進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評價。
附圖說明
在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中：
圖1為實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法的流程圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步說明。
實施例一：下面結(jié)合圖1詳細(xì)地說明本實施例。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法包括：
步驟一、采集多臺農(nóng)機(jī)在一次深松作業(yè)中的作業(yè)數(shù)據(jù)；
一臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)包括多個時間節(jié)點以及該農(nóng)機(jī)的深耕犁在每個時間節(jié)點下的經(jīng)度、緯度、三軸加速度、三軸角速度以及耕地深度數(shù)據(jù)；
一臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)所包含的相鄰的兩個時間節(jié)點之間的時間間隔相同；
每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)所包含的相鄰的兩個時間節(jié)點之間的時間間隔均相同；
所述三軸分別為x軸、y軸和z軸，深耕犁的前進(jìn)方向為x軸方向，深耕犁的作業(yè)方向為z軸方向，x軸、y軸和z軸構(gòu)成三軸直角坐標(biāo)系；
步驟二、對農(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理的具體內(nèi)容為：
將每臺農(nóng)機(jī)的深耕犁在大地坐標(biāo)下的多個經(jīng)緯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系下的多個坐標(biāo)，將所述多個坐標(biāo)作為多個軌跡點，進(jìn)而得到深耕犁在平面直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動軌跡；
按照所對應(yīng)的時間節(jié)點的先后順序?qū)Χ鄠€軌跡點進(jìn)行排序，以第一軌跡點為起點，將所述運(yùn)動軌跡分為多個地塊軌跡，相鄰的兩個地塊軌跡的起始點的間距大于l，l為預(yù)設(shè)的距離；
對三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和校正；
步驟三、對預(yù)處理后的農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到量化的農(nóng)機(jī)作業(yè)特征值，通過對每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值進(jìn)行打分得到農(nóng)機(jī)的深松作業(yè)標(biāo)簽值，將每臺農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值與深松作業(yè)標(biāo)簽值作為訓(xùn)練樣本集；
所述農(nóng)機(jī)作業(yè)特征值包括：
采用動態(tài)時間規(guī)整方法獲得的每臺農(nóng)機(jī)的多個地塊軌跡的軌跡規(guī)整度；
根據(jù)預(yù)處理后的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，獲得的每臺農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量；
耕地深度穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值為耕地深度的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值；
步驟四、采用排序?qū)W習(xí)法對所述訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，得到農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型；
步驟五、將待評價農(nóng)機(jī)的作業(yè)特征值輸入所述農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型，得到該農(nóng)機(jī)的深松作業(yè)標(biāo)簽值。
本實施例的步驟一通過農(nóng)機(jī)管理平臺獲取100臺農(nóng)機(jī)在一次深松作業(yè)中的作業(yè)數(shù)據(jù)。
在本實施例中，將耕地深度的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值作為耕地深度穩(wěn)定值：
其中，c.v為深松作業(yè)深度穩(wěn)定值，n為軌跡點的數(shù)量，xi為第i個軌跡點對應(yīng)的耕地深度值，μ為平均耕地深度值。
實施例二：本實施例是對實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步的限定。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，步驟二采用高斯-克呂格投影法將大地坐標(biāo)下的經(jīng)緯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
實施例三：本實施例是對實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步的限定。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，采用動態(tài)時間規(guī)整方法獲得每臺農(nóng)機(jī)的多個地塊軌跡的軌跡規(guī)整度的具體過程為：對地塊軌跡和該地塊對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌跡進(jìn)行歸一化處理，并將歸一化地塊軌跡與歸一化標(biāo)準(zhǔn)軌跡之間的動態(tài)時間規(guī)整距離作為地塊軌跡的軌跡規(guī)整度。
對于軌跡a＝{a1,a2,…,am}和軌跡b＝{b1,b2,…,bn}，為了采用動態(tài)時間規(guī)整方法將這兩個時間序列非線性對齊，需要構(gòu)建m×n的代價矩陣c＝[c(i,j)]。其中，第(i,j)元素為bj和ai的距離，c(i,j)＝||bj-ai||p。本實施例選用的為歐式距離，即p＝2。
為了找到這兩個時間序列的最佳匹配，從代價矩陣c中找出一個路徑來使它們之間的累計距離最小。軌跡a和軌跡b之間規(guī)整距離p的累計代價函數(shù)可以表示為cp(a,b)，它是關(guān)于局部代價度量的加權(quán)和：
其中，規(guī)整路徑p＝(p1,p2,…,pl,…pl)，l∈[1,l]為一個軌跡a與軌跡b之間映射的隊列，它由來自軌跡a的元素ail和來自軌跡b的元素bjl組成，而軌跡a與軌跡b之間的最優(yōu)規(guī)整路徑p*就是累計代價函數(shù)取得最小值時候的路徑，于是dtw距離公式為
最優(yōu)規(guī)整路徑p*可以通過下面的遞歸公式得到：
其中，γ為存儲距離的矩陣，γ(m,n)為矩陣中的第m行n列的元素，該元素需要通過其余元素計算得到，矩陣中的第一行元素通過
γ(i,j)＝c(i,j)+min{γ(i-1,j),γ(i,j-1),γ(i-1,j-1)},i∈[1,m],j∈[1,n](5)
dtw距離反映了軌跡之間的相似性程度，dtw距離越小表示軌跡越相似，選取標(biāo)準(zhǔn)軌跡作為評價基準(zhǔn)，根據(jù)官方給出的深松作業(yè)規(guī)范要求，作業(yè)前應(yīng)根據(jù)地塊形狀規(guī)劃出作業(yè)路線和轉(zhuǎn)彎地帶，保證行車方便，空行程最短，確保直線行走。因此標(biāo)準(zhǔn)軌跡是最規(guī)整的行駛軌跡。計算歸一化的地塊軌跡和歸一化的標(biāo)準(zhǔn)軌跡之間的dtw距離，將其作為量化的軌跡規(guī)整度特征值。
考慮到原始軌跡包含大量的冗余點，平穩(wěn)變化的軌跡點只帶有較少的信息，為了簡化計算的同時兼顧相似性度量效果，將選取歸集的特征點進(jìn)行dtw距離計算，計算軌跡中的拐點，拐點是該點與相鄰點之間形成的夾角大于100度的點，計算每個地塊軌跡的特征點與標(biāo)準(zhǔn)軌跡特征點之間的dtw距離，將一次作業(yè)中所有地塊的軌跡規(guī)整度特征值進(jìn)行平均，得到最終的軌跡規(guī)整度平均值。
實施例四：本實施例是對實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步的限定。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，根據(jù)預(yù)處理后的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，獲得每臺農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量的具體過程為：根據(jù)預(yù)處理后的x軸加速度和z軸角速度數(shù)據(jù)來判斷農(nóng)機(jī)是否發(fā)生不良作業(yè)行為，當(dāng)x軸加速度大于2.5m/s2或z軸角速度大于0.3rad/s時，判斷農(nóng)機(jī)發(fā)生不良作業(yè)行為；
根據(jù)農(nóng)機(jī)在一次作業(yè)中的行駛里程以及發(fā)生的不良作業(yè)行為數(shù)量，獲得農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量。
實施例五：本實施例是對實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步的限定。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，步驟四的具體過程為：對訓(xùn)練樣本集進(jìn)行歸一化處理，采用排序支持向量機(jī)法并選取徑向基核函數(shù)對歸一化的訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，通過優(yōu)化參數(shù)的方式得到最優(yōu)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型。
排序支持向量機(jī)法總體來說可以分為兩步：
針對訓(xùn)練樣本集x＝{x1,x2,…,xn}，每個樣本均為多個特征值組成的向量。
第一步：假設(shè)存在一個函數(shù)f(x)，滿足
即對于同一個查詢中的樣本xi排在樣本xj之前時有：決策函數(shù)g(xi,xj)>0，反之有g(shù)(xi,xj)<0，這樣針對每個樣本對中根據(jù)位置關(guān)系可以進(jìn)行二分類，也就是將排序問題轉(zhuǎn)化為二分類問題。
第二步：使用排序支持向量機(jī)法求解上述二分類問題：
其中w為要學(xué)習(xí)的參數(shù)值，c為懲罰因子，ξi為松弛因子，zi的值為+1或者-1，當(dāng)xi排在xj前為+1，當(dāng)xi排在xj后為-1。
實施例六：本實施例是對實施例一所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法作進(jìn)一步的限定。
本實施例所述的基于排序?qū)W習(xí)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價方法，步驟二采用高斯-克呂格投影法將大地坐標(biāo)下的經(jīng)緯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
采用動態(tài)時間規(guī)整方法獲得每臺農(nóng)機(jī)的多個地塊軌跡的軌跡規(guī)整度的具體過程為：對地塊軌跡和該地塊對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軌跡進(jìn)行歸一化處理，并將歸一化地塊軌跡與歸一化標(biāo)準(zhǔn)軌跡之間的動態(tài)時間規(guī)整距離作為地塊軌跡的軌跡規(guī)整度。
根據(jù)預(yù)處理后的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，獲得每臺農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量的具體過程為：根據(jù)預(yù)處理后的x軸加速度和z軸角速度數(shù)據(jù)來判斷農(nóng)機(jī)是否發(fā)生不良作業(yè)行為，當(dāng)x軸加速度大于2.5m/s2或z軸角速度大于0.3rad/s時，判斷農(nóng)機(jī)發(fā)生不良作業(yè)行為；
根據(jù)農(nóng)機(jī)在一次作業(yè)中的行駛里程以及發(fā)生的不良作業(yè)行為數(shù)量，獲得農(nóng)機(jī)單位里程內(nèi)的不良作業(yè)行為數(shù)量。
步驟四的具體過程為：對訓(xùn)練樣本集進(jìn)行歸一化處理，采用排序支持向量機(jī)法并選取徑向基核函數(shù)對歸一化的訓(xùn)練樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，通過優(yōu)化參數(shù)的方式得到最優(yōu)的農(nóng)機(jī)深松作業(yè)質(zhì)量評價模型。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實施例僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。