Surfer繪制等值線圖在棉田智能監測中的應用

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

（中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

智慧農業監測系統可以對農業生產過程中的墑情、苗情、病蟲情況、災情（簡稱為“四情”）進行全程監測，對大田作物各生育階段的長勢長相進行動態監測和趨勢分析，對大田作物生產、田間管理進行快捷高效的指導，提高精細生產和田間管理能力[1-3]。該類系統還可以根據不同類型的溫室大棚和生產管理要求，結合溫室大棚作物種植特點、分布特點，運用傳感器實時采集農業生產過程中的溫度、濕度、光照、二氧化碳含量、土壤墑情、土壤養分等環境因子信息以及視頻圖像信息，將抽象的農情信息轉換成數字信號，為技術人員提供及時、準確的植物生長環境信息，大幅提升管理效率[4-8]。與此同時，智慧農業存儲的相關技術參數等數據量較大，因此科研人員要付出大量時間和精力對繪制的圖件進行反復修改，非常繁瑣，成圖時間太長、重復性工作多[9]。

等值線圖是農業科研工作者常用的農業要素圖形顯示方法，能較直觀地顯示農田各要素的分布情況，便于分析和判斷[10]。在科研工作及服務領域中，須將大量數據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務工作及業務系統開發中急需解決的問題[11-12]。大田環境監測等值線圖是農業科技決策服務中常用的圖表，能較直觀地展示出目標區域地下土壤環境要素指標變化以及作物冠層指標的分布情況，可使決策者或田間管理者及時準確地了解田間地上及地下各要素情況。在決策服務時需要提供不同區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勢，可以大大減輕圖形繪制的工作量，高效表達具有空間屬性特征的時空分布。因此，本文重點介紹了在棉田智慧農業裝備數據分析中如何運用Surfer20軟件制作等值線圖，為相關工作提供參考。

1 Surfer2 0 軟件及其在農業制圖中的應用概述

Surfer是一款強大的等高線、網格和表面圖繪制軟件，具有強大的插值功能和繪制圖件能力，其出色的網格和輪廓功能使Surfer成為處理XYZ數據文件的首選軟件，適用于科研工作者精確展示智慧農業裝備監測數據。作為一個網格的映射程序，它可以將不規則的XYZ數據插值到規則的網格中，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，并使用文本注釋創建有吸引力和信息豐富的地圖，生成代表性強的映射。Surfer20提供12種數據網格化方法，幾乎包括所有常用的數據統計計算方法，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據的交流和交換；提供新版的腳本編輯引擎，極大加強了自動化功能。用戶可對網格文件內容進行編輯、組合、過濾、切片、查詢和數據轉換。

國內外關于Surfer的研究在多個領域都取得了一定成果，包括環境、農業、地學、氣象、工程等。在農業方面現階段主要是應用于農田土壤水分、pH、電導率、鹽分以及冠層空氣溫濕度、冠層光合分布等指標等高線圖的繪制。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，實現可視化。此外，Yu等[16]為了直觀了解建筑室內溫度分布特點，通過實際測量結果與Surfer插值結果進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軟件的應用普及，國內外許多專家在不同領域對該軟件進行進一步開發運用，使它成為處理XYZ數據文件的首選軟件，也成為了農業工作者的必備制圖軟件。

2 Surfer軟件在智慧農業監測系統中的融合應用

2.1 設備介紹

由中國農業科學院棉花研究所（簡稱“中棉所”）棉花智慧栽培創新團隊研發的智慧農業管理系統，是一套針對農業生產的實用管理技術與產品集成系統，由作物長勢自動監測、作物環境自動監測、遠程自動控制、云端智能化管理平臺組成。其主要設備包括中央控制器、采集器＋控制器、傳感器（光、溫、水、鹽分、電導率等實時監測）、攝像頭、云端管理設備。該產品可以獨立使用或2個以上配合使用，能夠高效、快速、精準地獲取棉花長勢和田間管理所需的大量數據，為農業生產提供智能化決策，實現精準化種植、無人管理智能控制。

2.2 數據庫建立

2.2.1數據收集與整理轉換。在棉田長勢監測調查過程中，數據采集全程利用不同類型的傳感器，根據自身試驗需要進行網格排列和設計。所收集的數據包括植株地上和地下兩部分生長環境信息，其中地下部分包括土壤溫濕度、水分、養分含量等指標的測定結果，地上部分包括冠層溫濕度、冠層光合特征等指標測定的結果。將收集的原始數據（txt格式文件），在stata中批量處理，快速生成dat格式數據文件。打開保存的dat文件，即可實現數據的導入。該格式的文件也可在Surfer中按照相同操作生成網格文件（*.grd）。導入后的數據被儲存在網絡窗口中，作為網絡的最高層次可被應用于后續的繪圖工作。這樣即完成了數據的整理與轉換。

2.2.2數據處理。打開Surfer20軟件，通過2種方式建立數據：一是軟件內部通過Worksheet建立Surfer-Sheet1，界面中A、B列通常為位置信息，C列為屬性數據；二是通過命令打開數據文件，直接在工作表中鍵入數據或將數據復制粘貼到工作表中，使用數據菜單命令進行數據排序、過濾、查看統計信息、數學函數轉換數據等操作。然后對數據進行網格化，點擊Grid菜單中的Grid Date，選擇需要處理的已保存的Sheet數據，或者將MS Excel數據導入，轉換生成網格文件（*.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 據 位 于 單 獨 的3列）。 通 過Home-Contoure打開保存的已網格化的格式目標文件（*.grd），點擊確定，即可生成等值線圖。選中圖層，在圖的左上側可見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，點擊各項可對坐標軸或者圖的相關屬性，包括標簽、內容格式、大小、填充顏色等進行設定（圖1）。全部調整完成后保存為srf文件。

圖1 圖層屬性調整

2.3 等值線圖繪制實例與效果簡析

本實例選取中棉所東場試驗棉田，采用2.1 所述的智慧農業管理系統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次數據，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）光合分布特征數據。研究人員可根據需要擴大測量范圍或重新設計。該系統具有全天候實時監測的能力，其采集間隔、次數、周期等都對最終數據量的獲取產生影響，所以在選擇網格化方法時應當考慮原始數據點數量，結合田間實際操作狀況及自身數據特點，特別是考慮樣品數及采樣網格規則程度這2個指標來選擇最合適的網格化算法。本實例的數據量中等，采用具有線性變異圖繪制功能的克里金法，以產生能較好反映原始數據特點的高質量網格。但對于大量數據的網格化，用克里金法處理較慢。

本實例通過參考支曉宇等[18]、劉麗媛等[19]、李亞兵等[20]空間網格取樣法，以克里金法[21-24]為基本工具，在網格取樣法的基礎上，研究垂直、水平2個方向上的差異性。以上述數據為對象繪制相應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、大小等參數進行調節，選擇合適的比例尺以及合理的顏色渲染，結果見圖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象（圖3）。棉花冠層光截獲率均表現為行上大于行間，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，運用Surfer20軟件可以繪制清晰的等值線圖，以表示各指標的高低，容易解析各種不同的數據源，實現大數據可視化。

3 結論

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行圖像數據繪制，具有操作簡便、處理快捷、圖像直觀等優點。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據初步處理后，應用Surfer軟件的數據網格化處理功能、等值線圖繪制功能繪制了相應的等值線圖。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律進行快速而簡便的分析。同時，由于Surfer軟件可以在短時間內對海量數據進行處理，故該方法可以被廣泛應用。在未來，可以增加數據采集點的數量，并增加測定時長，在棉花生長的不同階段進行測定，以探究棉花全生育期內土壤水分、溫度、銅離子含量、冠層光合分布的時空變化總體規律；也可以將該方法用于棉花水分實際消耗量的分析中，從而為棉田精準監測、智能化管理提供支撐。