辛明華，韓迎春，王國平，王占彪，馮璐，雷亞平，楊北方，李小飛，范正義，熊世武，邢芳芳，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽 455000）

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的墑情、苗情、病蟲情況、災(zāi)情（簡稱為“四情”）進(jìn)行全程監(jiān)測，對大田作物各生育階段的長勢長相進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和趨勢分析，對大田作物生產(chǎn)、田間管理進(jìn)行快捷高效的指導(dǎo)，提高精細(xì)生產(chǎn)和田間管理能力[1-3]。該類系統(tǒng)還可以根據(jù)不同類型的溫室大棚和生產(chǎn)管理要求，結(jié)合溫室大棚作物種植特點(diǎn)、分布特點(diǎn)，運(yùn)用傳感器實(shí)時采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照、二氧化碳含量、土壤墑情、土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子信息以及視頻圖像信息，將抽象的農(nóng)情信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為技術(shù)人員提供及時、準(zhǔn)確的植物生長環(huán)境信息，大幅提升管理效率[4-8]。與此同時，智慧農(nóng)業(yè)存儲的相關(guān)技術(shù)參數(shù)等數(shù)據(jù)量較大，因此科研人員要付出大量時間和精力對繪制的圖件進(jìn)行反復(fù)修改，非常繁瑣，成圖時間太長、重復(fù)性工作多[9]。

等值線圖是農(nóng)業(yè)科研工作者常用的農(nóng)業(yè)要素圖形顯示方法，能較直觀地顯示農(nóng)田各要素的分布情況，便于分析和判斷[10]。在科研工作及服務(wù)領(lǐng)域中，須將大量數(shù)據(jù)繪制成等值線圖以供分析使用，因此及時、高效地繪制等值線圖是業(yè)務(wù)工作及業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中急需解決的問題[11-12]。大田環(huán)境監(jiān)測等值線圖是農(nóng)業(yè)科技決策服務(wù)中常用的圖表，能較直觀地展示出目標(biāo)區(qū)域地下土壤環(huán)境要素指標(biāo)變化以及作物冠層指標(biāo)的分布情況，可使決策者或田間管理者及時準(zhǔn)確地了解田間地上及地下各要素情況。在決策服務(wù)時需要提供不同區(qū)域的地下以及地上部作物長勢要素等值線圖，以直觀反映區(qū)域光、溫、水的分布。借助Surfer20軟件在繪制平面等值線圖方面的優(yōu)勢，可以大大減輕圖形繪制的工作量，高效表達(dá)具有空間屬性特征的時空分布。因此，本文重點(diǎn)介紹了在棉田智慧農(nóng)業(yè)裝備數(shù)據(jù)分析中如何運(yùn)用Surfer20軟件制作等值線圖，為相關(guān)工作提供參考。

1 Surfer2 0 軟件及其在農(nóng)業(yè)制圖中的應(yīng)用概述

Surfer是一款強(qiáng)大的等高線、網(wǎng)格和表面圖繪制軟件，具有強(qiáng)大的插值功能和繪制圖件能力，其出色的網(wǎng)格和輪廓功能使Surfer成為處理XYZ數(shù)據(jù)文件的首選軟件，適用于科研工作者精確展示智慧農(nóng)業(yè)裝備監(jiān)測數(shù)據(jù)。作為一個網(wǎng)格的映射程序，它可以將不規(guī)則的XYZ數(shù)據(jù)插值到規(guī)則的網(wǎng)格中，生成不同類型的地圖，添加多個等高線地圖層和對象，自定義地圖顯示形式，并使用文本注釋創(chuàng)建有吸引力和信息豐富的地圖，生成代表性強(qiáng)的映射。Surfer20提供12種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，幾乎包括所有常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算方法，具有各種流行圖形的圖像文件格式及GIS軟件文件格式的輸入輸出接口，極大地便利了文件和數(shù)據(jù)的交流和交換；提供新版的腳本編輯引擎，極大加強(qiáng)了自動化功能。用戶可對網(wǎng)格文件內(nèi)容進(jìn)行編輯、組合、過濾、切片、查詢和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

國內(nèi)外關(guān)于Surfer的研究在多個領(lǐng)域都取得了一定成果，包括環(huán)境、農(nóng)業(yè)、地學(xué)、氣象、工程等。在農(nóng)業(yè)方面現(xiàn)階段主要是應(yīng)用于農(nóng)田土壤水分、pH、電導(dǎo)率、鹽分以及冠層空氣溫濕度、冠層光合分布等指標(biāo)等高線圖的繪制。邢芳芳等[13]利用Surfer軟件的空間插值計算不同土層土壤的溫度并繪制了等值線圖；劉帥等[14]采用Surfer軟件的克里金（Kriging）空間插值法（克里金法）估算出棉花冠層光合有效輻射的空間分布；李騰等[15]還采用Surfer軟件繪制了土壤速效磷的時空分布，實(shí)現(xiàn)可視化。此外，Yu等[16]為了直觀了解建筑室內(nèi)溫度分布特點(diǎn)，通過實(shí)際測量結(jié)果與Surfer插值結(jié)果進(jìn)行比較計算生成空間溫度分布等值線圖；Cetin等[17]通過繪制棉田土壤鹽度等值線圖，確定了棉花耐鹽閾值和灌溉方法。隨著Surfer軟件的應(yīng)用普及，國內(nèi)外許多專家在不同領(lǐng)域?qū)υ撥浖M(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)運(yùn)用，使它成為處理XYZ數(shù)據(jù)文件的首選軟件，也成為了農(nóng)業(yè)工作者的必備制圖軟件。

2 Surfer軟件在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的融合應(yīng)用

2.1 設(shè)備介紹

由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所（簡稱“中棉所”）棉花智慧栽培創(chuàng)新團(tuán)隊研發(fā)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，是一套針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用管理技術(shù)與產(chǎn)品集成系統(tǒng)，由作物長勢自動監(jiān)測、作物環(huán)境自動監(jiān)測、遠(yuǎn)程自動控制、云端智能化管理平臺組成。其主要設(shè)備包括中央控制器、采集器＋控制器、傳感器（光、溫、水、鹽分、電導(dǎo)率等實(shí)時監(jiān)測）、攝像頭、云端管理設(shè)備。該產(chǎn)品可以獨(dú)立使用或2個以上配合使用，能夠高效、快速、精準(zhǔn)地獲取棉花長勢和田間管理所需的大量數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化決策，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化種植、無人管理智能控制。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立

2.2.1數(shù)據(jù)收集與整理轉(zhuǎn)換。在棉田長勢監(jiān)測調(diào)查過程中，數(shù)據(jù)采集全程利用不同類型的傳感器，根據(jù)自身試驗(yàn)需要進(jìn)行網(wǎng)格排列和設(shè)計。所收集的數(shù)據(jù)包括植株地上和地下兩部分生長環(huán)境信息，其中地下部分包括土壤溫濕度、水分、養(yǎng)分含量等指標(biāo)的測定結(jié)果，地上部分包括冠層溫濕度、冠層光合特征等指標(biāo)測定的結(jié)果。將收集的原始數(shù)據(jù)（txt格式文件），在stata中批量處理，快速生成dat格式數(shù)據(jù)文件。打開保存的dat文件，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。該格式的文件也可在Surfer中按照相同操作生成網(wǎng)格文件（*.grd）。導(dǎo)入后的數(shù)據(jù)被儲存在網(wǎng)絡(luò)窗口中，作為網(wǎng)絡(luò)的最高層次可被應(yīng)用于后續(xù)的繪圖工作。這樣即完成了數(shù)據(jù)的整理與轉(zhuǎn)換。

2.2.2數(shù)據(jù)處理。打開Surfer20軟件，通過2種方式建立數(shù)據(jù)：一是軟件內(nèi)部通過Worksheet建立Surfer-Sheet1，界面中A、B列通常為位置信息，C列為屬性數(shù)據(jù)；二是通過命令打開數(shù)據(jù)文件，直接在工作表中鍵入數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)復(fù)制粘貼到工作表中，使用數(shù)據(jù)菜單命令進(jìn)行數(shù)據(jù)排序、過濾、查看統(tǒng)計信息、數(shù)學(xué)函數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等操作。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，點(diǎn)擊Grid菜單中的Grid Date，選擇需要處理的已保存的Sheet數(shù)據(jù)，或者將MS Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入，轉(zhuǎn)換生成網(wǎng)格文件（*.grd）。在彈出的對話框Gridding Method下選擇合適的插值方法，Dataset1下選擇X、Y、Z值（文件以列和行格式組織，X、Y、Z數(shù) 據(jù) 位 于 單 獨(dú) 的3列）。 通 過Home-Contoure打開保存的已網(wǎng)格化的格式目標(biāo)文件（*.grd），點(diǎn)擊確定，即可生成等值線圖。選中圖層，在圖的左上側(cè)可見Property Manager-Map，通過在Contents窗口中選擇圖層對象或在plot窗口中單擊圖層來打開1個或多個圖層的屬性，點(diǎn)擊各項(xiàng)可對坐標(biāo)軸或者圖的相關(guān)屬性，包括標(biāo)簽、內(nèi)容格式、大小、填充顏色等進(jìn)行設(shè)定（圖1）。全部調(diào)整完成后保存為srf文件。

圖1 圖層屬性調(diào)整

2.3 等值線圖繪制實(shí)例與效果簡析

本實(shí)例選取中棉所東場試驗(yàn)棉田，采用2.1 所述的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)在棉田中央土壤下部或地上部0～110cm以20cm為間距分層，水平方向上80cm內(nèi)以20cm為間距等分，共布置30個5TE傳感器，傳感器每隔1h記錄1次數(shù)據(jù)，以測量地下部各層次土壤水分、溫度、銅離子含量和地上部（包括冠層）光合分布特征數(shù)據(jù)。研究人員可根據(jù)需要擴(kuò)大測量范圍或重新設(shè)計。該系統(tǒng)具有全天候?qū)崟r監(jiān)測的能力，其采集間隔、次數(shù)、周期等都對最終數(shù)據(jù)量的獲取產(chǎn)生影響，所以在選擇網(wǎng)格化方法時應(yīng)當(dāng)考慮原始數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，結(jié)合田間實(shí)際操作狀況及自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，特別是考慮樣品數(shù)及采樣網(wǎng)格規(guī)則程度這2個指標(biāo)來選擇最合適的網(wǎng)格化算法。本實(shí)例的數(shù)據(jù)量中等，采用具有線性變異圖繪制功能的克里金法，以產(chǎn)生能較好反映原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)的高質(zhì)量網(wǎng)格。但對于大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化，用克里金法處理較慢。

本實(shí)例通過參考支曉宇等[18]、劉麗媛等[19]、李亞兵等[20]空間網(wǎng)格取樣法，以克里金法[21-24]為基本工具，在網(wǎng)格取樣法的基礎(chǔ)上，研究垂直、水平2個方向上的差異性。以上述數(shù)據(jù)為對象繪制相應(yīng)的空間分布等值線圖，將得到的等值線作平滑處理，并對其屬性、大小等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇合適的比例尺以及合理的顏色渲染，結(jié)果見圖2～圖5（見封三彩版）。如圖2所示，土壤溫度在垂直方向10～70cm的變化相對復(fù)雜，在超過70cm深度的水平方向變化平緩。土壤水分主要集中于10～20cm深度的土層，且在不同深度具有明顯的分層現(xiàn)象（圖3）。棉花冠層光截獲率均表現(xiàn)為行上大于行間，尤其是冠層上部光截獲率差異更大（圖4）。銅離子可以被表層的土壤截留下來，且向下遷移的趨勢較明顯（圖5）。綜上，運(yùn)用Surfer20軟件可以繪制清晰的等值線圖，以表示各指標(biāo)的高低，容易解析各種不同的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化。

3 結(jié)論

Surfer軟件不僅可以用于二維圖像的繪制，也可以在三維層面上進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)繪制，具有操作簡便、處理快捷、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)。在對5TE傳感器測得的棉田土壤水分、土壤溫度、銅離子含量、棉花冠層光合特征數(shù)據(jù)初步處理后，應(yīng)用Surfer軟件的數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理功能、等值線圖繪制功能繪制了相應(yīng)的等值線圖。通過觀察和分析表明，利用該軟件得到的等值線圖可以從三維時空層面上對棉田土壤水分等的時空變化規(guī)律進(jìn)行快速而簡便的分析。同時，由于Surfer軟件可以在短時間內(nèi)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，故該方法可以被廣泛應(yīng)用。在未來，可以增加數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量，并增加測定時長，在棉花生長的不同階段進(jìn)行測定，以探究棉花全生育期內(nèi)土壤水分、溫度、銅離子含量、冠層光合分布的時空變化總體規(guī)律；也可以將該方法用于棉花水分實(shí)際消耗量的分析中，從而為棉田精準(zhǔn)監(jiān)測、智能化管理提供支撐。