3. 农田环境建模
农机路径规划的第一步不是“画线”，而是“认识田”。农田环境建模的任务，是把真实世界中连续、不规则、带噪声的地块信息，转换成计算机可计算、可存储、可更新的环境表达。没有可靠的环境模型，后续的覆盖路径、转弯策略和避障决策都会失去依据。本章围绕地块边界提取、障碍物表示，以及栅格地图、几何地图、拓扑地图三类主流建模方法展开。
一、核心原理：从连续农田到离散环境模型
农田环境建模本质上是“空间离散化 + 语义标注”的过程。原始输入通常包括农机定位轨迹、RTK 边界点、遥感影像、激光雷达点云或人工测绘坐标。建模需要回答三个问题：边界在哪里、哪些区域不可通行、如何用数据结构表达这些信息。
边界提取的核心是区分“田内”与“田外”。常用方法有：基于 GNSS 轨迹的凸包或 Alpha Shape 拟合、基于影像的语义分割边缘检测、基于点云的地面分割与轮廓提取。障碍物表示则要区分静态障碍（电杆、水井、坟头、树）与动态障碍（人、畜、临时车辆），并标注其位置、尺寸、膨胀半径和通行代价。
二、方法流程：五步构建可用农田地图
- 数据采集与预处理：收集 RTK 边界点、无人机正射影像、激光点云，统一到同一坐标系（如 UTM 或本地平面坐标），去除跳点和异常值。
- 地块边界提取：对边界点做排序、闭合和简化，得到多边形边界；对影像做分割后矢量化，提取田埂、道路和地块轮廓。
- 障碍物识别与膨胀：标注障碍物中心与轮廓，按农机外廓尺寸和安全距离做膨胀处理，形成不可通行区域。
- 地图表达选择：根据作业需求选择栅格地图、几何地图或拓扑地图，或采用混合表达。
- 验证与更新：用实际轨迹回放检查边界闭合性、障碍覆盖率和可通行区域连通性，作业季中定期更新。
三、三类地图的构建方法与对比
栅格地图把农田划分为固定分辨率的网格，每个格子赋予占用、空闲或代价值。它适合表达复杂障碍和覆盖计数，缺点是分辨率与存储量矛盾。构建时常用 0.1～0.5 m 分辨率，障碍物按膨胀半径写入占用栅格。
几何地图用点、线、多边形等几何图元描述边界和障碍，存储紧凑、计算精确，适合规则地块和边界跟踪。缺点是难以表达复杂不规则障碍和动态变化。
拓扑地图把农田抽象为节点和边，节点表示关键位置（地头、转弯点、机库），边表示可通行路径及其代价。它适合大范围路径搜索和任务调度，但丢失了精细几何信息。
| 地图类型 | 数据表达 | 优点 | 局限 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|
| 栅格地图 | 二维网格 + 占用/代价 | 障碍表达灵活、易做覆盖统计 | 存储大、分辨率敏感 | 避障、覆盖计数、精细作业 |
| 几何地图 | 点/线/多边形 | 存储小、边界精确 | 复杂障碍表达弱 | 边界跟踪、规则地块规划 |
| 拓扑地图 | 节点 + 边 + 代价 | 搜索快、适合大范围 | 几何细节丢失 | 全局调度、多地块转场 |
四、场景案例：一块带障碍的矩形田
假设某地块为 200 m × 120 m 矩形，田内有一口水井（半径 1.5 m）和一根电杆（半径 0.3 m），农机外廓宽 2.5 m，安全距离 0.5 m。建模时：边界用 RTK 点拟合为矩形多边形；水井和电杆按“障碍半径 + 农机半宽 + 安全距离”膨胀，分别得到约 3.25 m 和 2.05 m 的不可通行圆；栅格地图以 0.2 m 分辨率写入占用格；几何地图保留边界多边形和两个障碍圆；拓扑地图则把地头两端设为节点，中间可通行区域连边。
# 障碍膨胀半径计算示例
obstacle_radius = 1.5 # 水井半径 m
machine_half_width = 1.25 # 农机半宽 m
safety_margin = 0.5 # 安全距离 m
inflated_radius = obstacle_radius + machine_half_width + safety_margin
print(inflated_radius) # 3.25 m
五、误区与复盘
复盘时应重点检查：边界是否闭合、障碍是否全部膨胀、可通行区域是否连通、地图坐标系是否统一、更新机制是否到位。建议在作业前用模拟轨迹做一次“空跑验证”，确认地图与实际田块一致后再下发任务。
三类地图并非互斥。工程实践中常采用“几何地图定边界 + 栅格地图做避障 + 拓扑地图做全局调度”的混合方案，既保证精度，又兼顾效率。建模完成后，务必用真实轨迹回放验证，确保地图与田块一致，再进入路径规划环节。