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        茶園DEM快速構(gòu)建與應(yīng)用研究

        2016-08-06 03:58:35雷百戰(zhàn)李向偉周燦芳余華榮劉亞瓊陳宏真
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:插值茶園高程

        劉 序,雷百戰(zhàn),李向偉,周燦芳,余華榮,劉亞瓊,陳宏真

        (1.廣東省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)村發(fā)展研究所,廣東 廣州 510640;2.樂昌市慶云聯(lián)豐茶葉專業(yè)合作社,廣東 樂昌 512235)

        茶園DEM快速構(gòu)建與應(yīng)用研究

        劉 序1,雷百戰(zhàn)1,李向偉1,周燦芳1,余華榮1,劉亞瓊1,陳宏真2

        (1.廣東省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)村發(fā)展研究所,廣東 廣州 510640;2.樂昌市慶云聯(lián)豐茶葉專業(yè)合作社,廣東 樂昌 512235)

        茶園建設(shè)一般以地形圖作為輔助支持。Google Earth能提供1∶10000~1∶50000的小比例尺地形數(shù)據(jù),通過構(gòu)建數(shù)字高程模型,可為坡地茶園規(guī)劃提供一種快速而較為精準(zhǔn)的地形數(shù)據(jù)。以廣東韶關(guān)一個(gè)茶園規(guī)劃為例,通過在Google Earth采集高程數(shù)據(jù),利用克里格法選擇高斯模型進(jìn)行空間插值和構(gòu)建數(shù)字高程模型,制作兩種等高距地形圖,并在茶園種植區(qū)劃分與道路、灌溉設(shè)施、排水設(shè)施的規(guī)劃中應(yīng)用,為茶園的概念規(guī)劃與總體規(guī)劃提供了一種地形圖快速獲取與應(yīng)用的方式。

        數(shù)字高程模型;克里格法;茶園;應(yīng)用

        劉序,雷百戰(zhàn),李向偉,等.茶園DEM快速構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,43(5):157-161.

        茶園規(guī)劃是對園地的整體規(guī)劃,既要考慮自然環(huán)境,又要研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體布局,通常需要測繪地形圖或用皮尺等進(jìn)行測量繪制地形示意圖來進(jìn)行規(guī)劃[1]。數(shù)字高程模型(DEM)以高程來描述地面特性,是一種連續(xù)地形的數(shù)字格式,是進(jìn)行地形分析和二維地形空間模擬的基礎(chǔ),廣泛用于地形分析等[2]。Google Earth(GE)能提供全球的多源、多尺度的衛(wèi)星影像和地形數(shù)據(jù),可以提取高程點(diǎn)來制作比例尺小于1∶10 000的大比例尺地形圖,能滿足各類工程前期規(guī)劃及可研階段應(yīng)用研究[3-4]。通過GE采樣直接生成DEM,通過提取等高線的方式為茶園規(guī)劃提供較為準(zhǔn)確的地形圖,對于總體規(guī)劃概念規(guī)劃能夠滿足需求,且應(yīng)用方式較為便捷、規(guī)劃效率較高[5-6]。目前構(gòu)建DEM的方法有三角插值(TIN)、距離加權(quán)插值(IDW)、克里格法(Kriging)等[7],應(yīng)用Kriging構(gòu)建DEM的精度相對其他方法更高[8]。

        本文利用GE高程采樣點(diǎn)和Kriging法構(gòu)建DEM,并制作兩種等高距地形圖,進(jìn)行茶園種植區(qū)、道路、灌溉與排水設(shè)施等規(guī)劃應(yīng)用研究。通過DEM的構(gòu)建與應(yīng)用,可以為坡地茶園規(guī)劃提供一種地形數(shù)據(jù)快速獲取與應(yīng)用參考,同時(shí)提高了規(guī)劃效率和降低了工作成本。

        1 研究區(qū)概況

        樂昌是廣東韶關(guān)市傳統(tǒng)茶葉產(chǎn)區(qū),1 200多年前就有茶葉種植,曾遠(yuǎn)銷東南亞等地區(qū)[9]。2016年超過3.33 hm2的茶園面積達(dá)到732.00 hm2,可采摘面積達(dá)449.20 hm2,其中超過1/3茶園位于慶云鎮(zhèn)。本研究區(qū)域位于慶云鎮(zhèn)金坪村,由慶云聯(lián)豐茶葉專業(yè)合作社經(jīng)營,面積84.89 hm2,大部分為茶園種植區(qū),南部邊界與鄉(xiāng)道接壤,交通便利。根據(jù)《樂昌市土地利用規(guī)劃(2010—2020)》,90.93%為林地,其余為風(fēng)景名勝及特殊用地等。茶園目前已有部分種植區(qū)建成,但存在少量果樹種植區(qū)域,主要道路已建成砂石路面。

        2 研究方法

        2.1 GE高程數(shù)據(jù)來源

        2000年,美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)共同進(jìn)行了航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測繪(SRTM)獲得了地球陸地表面80%以上的三維雷達(dá)數(shù)據(jù),2003年免費(fèi)公布了3''×3''(相當(dāng)于90 m柵格分辨率)的SRTM3數(shù)據(jù)[10]。GE高程數(shù)據(jù)來自SRTM3,目前數(shù)據(jù)修訂版本為V4.1,可以制作1∶10 000~1∶50 000地形圖[4-5]。

        2.2 Kriging法

        Kriging法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的一種空間插值方法。該方法主要依據(jù)區(qū)域化變量理論和地理數(shù)據(jù)空間依賴性,通過半變異圖和半變異函數(shù)(也稱半方差函數(shù))找到空間采樣數(shù)據(jù)變異的擬合函數(shù)模型,是一種對未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)[11]。擬合函數(shù)模型主要有圓形模型、球面模型、高斯模型、指數(shù)模型等。模型選擇可采用理論模型擬合程度、數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證等方法。本研究采用數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證方法,通過對Kriging法插值精度的評估來尋找最適合的半變異函數(shù)理論模型。

        Kriging插值方法有普通 Kriging、簡單Kriging、統(tǒng)一Kriging、指示Kriging等,根據(jù)相關(guān)研究[8],選擇普通Kriging、簡單Kriging作為高程點(diǎn)插值方法。插值精度檢驗(yàn)指標(biāo)有平均值(M)、均方根(RMS)、平均標(biāo)準(zhǔn)差(MS)、均方根誤差(RMSE)、均方根標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSSE)、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)等多種,本研究選擇RMSE和RMSSE作為Kriging插值精度檢驗(yàn)指標(biāo)。設(shè)測定點(diǎn)的實(shí)測值為Z(xi),預(yù)測值為Z'(xi),具體計(jì)算公式如下[12]:

        (1)均方根誤差(RMSE)

        RMSE越小,表示預(yù)測值越接近實(shí)測值,預(yù)測精度越高。

        (2)均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差(RMSSE)

        RMSSE等于1,表示正確有效地對預(yù)測的不確定性進(jìn)行了估計(jì);RMSSE>1,表示過低估計(jì)了預(yù)測的變異性;若RMSSE<1,表示過高估計(jì)了預(yù)測的變異性。

        2.3 采樣間隔與數(shù)量

        根據(jù)茶園規(guī)劃一般要求[1],地形圖需要覆蓋整個(gè)茶園。由于本研究中茶園地形起伏較大,為兼顧地形與插值精度,在范圍內(nèi)外均采樣,采用均勻采樣方式。在采用間距上,考慮數(shù)據(jù)GE高程數(shù)據(jù)精度與茶園規(guī)劃實(shí)際需求,設(shè)定間距30 m,以提高茶園高程插值的精度、減小誤差。利用ArcGIS設(shè)定采樣點(diǎn)及采樣間距,在GE上采集樣點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)共計(jì)1 083個(gè),詳見圖1。采樣點(diǎn)最高為468 m,最低為278 m,平均高程為402 m。

        圖1 高程采樣點(diǎn)分布

        3 DEM構(gòu)建

        3.1 空間插值理論模型選擇

        在ArcGIS平臺上,利用普通Kriging和簡單Kriging各自8個(gè)半變異理論模型分別進(jìn)行插值和交叉驗(yàn)證,結(jié)果如表1所示。通過RMSE最小和RMSSE接近1兩個(gè)指標(biāo)判斷,選擇普通Kriging的高斯模型作為最終茶園高程插值的半變異函數(shù)理論模型。此時(shí)模型預(yù)測誤差最小、預(yù)測精度最高,但由于RMSSE較為接近1,過高估計(jì)了預(yù)測的變異性,預(yù)測值的不確定性也有所增加。模型的塊金值為0.0004,基臺值為0.4001,塊金系數(shù)為0.0010,變程為215.27 m。說明由采樣誤差、空間地域等變異因素帶來的塊金效應(yīng)很小,可以忽略不計(jì),高程值采樣數(shù)據(jù)空間自相關(guān)程度很高而且連續(xù),模型插值效果好。

        表1 不同半變異模型的交叉驗(yàn)證

        3.2 構(gòu)建DEM與獲取地形圖

        利用普通Kriging高斯模型進(jìn)行空間插值,構(gòu)建茶園DEM,如圖2所示。從圖2可以看出,茶園北部為山頂、最高為467.50 m,最低在茶園南部與西部(278.28 m)。通過表面分析提取等高線,以等高距5 m提取等高線作為茶園劃分作業(yè)片、塊的基礎(chǔ),以等高距2.5 m提取等高線作為茶園規(guī)劃道路、排水溝的基礎(chǔ)。

        圖2 茶園DEM

        圖3 茶園地形(等高距5m)

        4 DEM在茶園規(guī)劃中的應(yīng)用

        4.1 種植區(qū)劃分

        基于現(xiàn)狀種植帶基礎(chǔ)上,參照等高線走向,劃分種植作業(yè)區(qū)和片。按茶園規(guī)劃要求[1],茶園作業(yè)區(qū)以現(xiàn)狀道路為基礎(chǔ),并結(jié)合DEM的地形走向,分為東區(qū)、中區(qū)、西區(qū)3個(gè)作業(yè)區(qū)。每個(gè)區(qū)參照5~6.67 hm2面積大小和建成的作業(yè)片,劃分為12個(gè)片,詳見表2、圖4。

        表2 茶園種植作業(yè)區(qū)劃分

        圖4 茶園種植作業(yè)區(qū)劃分

        4.2 道路規(guī)劃

        在種植作業(yè)區(qū)和片基礎(chǔ)上,以DEM生成的等高線為參照,規(guī)劃干道、支道和步道。茶園現(xiàn)狀道路寬4 m,規(guī)劃拓寬為6 m,類別為干道,部分地段增加彎曲,降低高差和道路的坡降,方便機(jī)動(dòng)車輛運(yùn)輸農(nóng)業(yè)資料、設(shè)備、人員等。支道規(guī)劃路寬為4 m,以等高線為輔助參考,主要聯(lián)系干道和步道,也是作業(yè)片的邊界。步道則按“之”字形,以現(xiàn)狀步道為基礎(chǔ),在各個(gè)作業(yè)片內(nèi)規(guī)劃,路寬1.5 m(圖5)。

        圖5 茶園道路規(guī)劃

        4.3 灌溉設(shè)施規(guī)劃

        當(dāng)?shù)貧夂驐l件一般可以滿足茶樹生長需要,但也存在季節(jié)性干旱等缺水情況。為保證茶園水源穩(wěn)定,需要規(guī)劃一定數(shù)量的蓄水池作為備用水源。在茶園近山頂處有一個(gè)0.10 hm2山塘,水深約1.5 m,可以作為整個(gè)茶園的蓄水塘。同時(shí),在DEM上選擇每個(gè)作業(yè)片地勢高且靠近路邊的地方規(guī)劃一個(gè)蓄水池,用管道連接到蓄水塘,每個(gè)蓄水池引出干管通過自流灌溉方式覆蓋各自作業(yè)片,保證整個(gè)茶園水源供給(圖6)。

        圖6 茶園灌溉設(shè)施規(guī)劃

        4.4 排水設(shè)施規(guī)劃

        由于茶園位于山坡區(qū)域,高差大,遇到暴雨等多雨季節(jié)容易造成水土流失。因此,需要結(jié)合地形布設(shè)截洪溝、縱水溝、橫水溝,及時(shí)排出園區(qū)過多的雨水。截洪溝主要規(guī)劃在茶園邊界、與其他區(qū)域進(jìn)行隔離,延伸到園區(qū)的南部公路??v水溝主要沿干道雙側(cè)布設(shè)。橫水溝則依據(jù)等高線和支道布設(shè),連接到縱水溝。通過布設(shè)3種類型的排水溝,可以將茶園過多的降水快速排出(圖7)。

        圖7 茶園排水溝規(guī)劃

        5 結(jié)語

        本研究以廣東韶關(guān)樂昌市慶云聯(lián)豐茶葉專業(yè)合作社經(jīng)營茶園為例,通過在ArcGIS均勻布設(shè)采樣點(diǎn)、在GE上均勻采集高程點(diǎn)數(shù)據(jù),利用Kriging法構(gòu)建DEM,較為快速和準(zhǔn)確生成地形圖,用于輔助茶園總體規(guī)劃,提高了規(guī)劃效率,降低了數(shù)據(jù)獲取成本。

        茶園規(guī)劃通常在地形圖的輔助下進(jìn)行,尤其在坡地上建茶園更為需要。而測繪地形圖通?;ㄙM(fèi)較多時(shí)間和成本,在概念規(guī)劃階段或總體規(guī)劃階段,通過GE方式獲取高程點(diǎn)來制作1∶10 000~1∶50 000比例尺地形圖,可以為茶園規(guī)劃提供一種相對成本較低、精度較高的地形數(shù)據(jù)獲取方式,能夠滿足這個(gè)階段的規(guī)劃需求。另外,相對TIN、IDW等方法構(gòu)建DEM,Kriging法提供了多種理論模型進(jìn)行模擬和精度檢驗(yàn),提高了DEM插值精度,增強(qiáng)了應(yīng)用效果。

        然而,對比測繪地形圖或1∶10 000以下更大比例尺地形圖發(fā)現(xiàn),GE高程數(shù)據(jù)本身數(shù)據(jù)精度相對較低。如果進(jìn)入茶園梯田、道路、排水溝設(shè)計(jì)與施工等階段,仍需要以1∶1 000等大比例尺測繪地形數(shù)據(jù)或地形圖才能滿足實(shí)際需求。

        [1]李玉勝,秦旭.綠色茶園現(xiàn)代栽培技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.

        [2]Wu W,F(xiàn)an Y,Wang Z Y,et al.Assessing effects of digital elevation model resolutions on soil-landscape correlations in a hilly area[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2008,126:209-216

        [3]龔健雅.3維虛擬地球技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].地理信息世界,2011(2):15-17.

        [4]宋春玉,劉新平.基于Google Earth繪制中小比例尺高程圖可行性研究[J].測繪與空間地理信息,2013 (6):89-91.

        [5]黃琪,張宗毅.基于Google軟件的農(nóng)地區(qū)高程獲取及精度評價(jià)[J].測繪通報(bào),2015(2):51-54.

        [6]劉序,肖廣江,周燦芳,等.GIS技術(shù)在區(qū)域農(nóng)業(yè)規(guī)劃中的應(yīng)用初探[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,40(1):204-206.

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        (責(zé)任編輯 白雪娜)

        Study on construction and application of DEM in tea garden

        LIU Xu1,LEI Bai-zhan1,LI Xiang-wei1,ZHOU Can-fang1,YU Hua-rong1,LIU Ya-qiong1,CHEN Hong-zhen2
        (1.Institute of Agricultural Economics and Rural Development,Guangdong Acadenly of Agricultural Sciences,Guangzhou 510640,China;2.Lechang Qingyun-Lianfeng Tea Professional Cooperative,Lechang 512235,China)

        In general,the tea garden construction must be supported by topographic map.Google Earth can provide 1∶10000-1∶50000 small scale terrain data,which can provide a fast and precise terrain data,by the construction of Digital Elevation Model.This paper collected elevation data in Google Earth,constructed the digital elevation model with a Gaussian model of Kriging method by spatially interpolating,and made the topographic maps with two types of contour interval to apply in planting region division,planning of roads,irrigation equipments,drainage facilities,taking a tea garden planning of Shaoguan City in Guangdong province as an example.It provides a way to make topographic maps quickly and support tea garden concept planning and the overall planning.

        DEM;Kriging;tea garden;application

        S126;P208

        A

        1004-874X(2016)05-0157-05

        10.16768/j.issn.1004-874X.2016.05.030

        2016-01-12



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