辛明華，韓迎春，王國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000）

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的墑情、苗情、病蟲(chóng)情況、災(zāi)情（簡(jiǎn)稱為“四情”）進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，對(duì)大田作物各生育階段的長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析，對(duì)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(shí)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(hào)，為技術(shù)人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的植物生長(zhǎng)環(huán)境信息，大幅提升管理效率[4-8]。與此同時(shí)，智慧農(nóng)業(yè)存儲(chǔ)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(shí)間和精力對(duì)繪制的圖件進(jìn)行反復(fù)修改，非常繁瑣，成圖時(shí)間太長(zhǎng)、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(shí)、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(kāi)發(fā)中急需解決的問(wèn)題[11-12]。大田環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)需要提供不同區(qū)域的地下以及地上部作物長(zhǎng)勢(shì)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(shì)，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(shí)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(cè)數(shù)據(jù)。作為一個(gè)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(gè)等高線地圖層和對(duì)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(jì)計(jì)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(dòng)化功能。用戶可對(duì)網(wǎng)格文件內(nèi)容進(jìn)行編輯、組合、過(guò)濾、切片、查詢和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于Surfer的研究在多個(gè)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(jì)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(shí)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(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與Surfer插值結(jié)果進(jìn)行比較計(jì)算生成空間溫度分布等值線圖；Cetin等[17]通過(guò)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(guó)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(kāi)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(cè)系統(tǒng)中的融合應(yīng)用

2.1 設(shè)備介紹

由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所（簡(jiǎn)稱“中棉所”）棉花智慧栽培創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，是一套針對(duì)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(zhǎng)勢(shì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、作物環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、云端智能化管理平臺(tái)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(shí)監(jiān)測(cè)）、攝像頭、云端管理設(shè)備。該產(chǎn)品可以獨(dú)立使用或2個(gè)以上配合使用，能夠高效、快速、精準(zhǔn)地獲取棉花長(zhǎng)勢(shì)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(wú)人管理智能控制。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

2.2.1數(shù)據(jù)收集與整理轉(zhuǎn)換。在棉田長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)調(diào)查過(guò)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(jì)。所收集的數(shù)據(jù)包括植株地上和地下兩部分生長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(kāi)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(chǔ)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(kāi)Surfer20軟件，通過(guò)2種方式建立數(shù)據(jù)：一是軟件內(nèi)部通過(guò)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(guò)命令打開(kāi)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(guò)濾、查看統(tǒng)計(jì)信息、數(shù)學(xué)函數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等操作。然后對(duì)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(duì)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(guò)Home-Contoure打開(kāi)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(jiàn)Property Manager-Map，通過(guò)在Contents窗口中選擇圖層對(duì)象或在plot窗口中單擊圖層來(lái)打開(kāi)1個(gè)或多個(gè)圖層的屬性，點(diǎn)擊各項(xiàng)可對(duì)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(jiǎn)析

本實(shí)例選取中棉所東場(chǎng)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(gè)5TE傳感器，傳感器每隔1h記錄1次數(shù)據(jù)，以測(cè)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(cè)量范圍或重新設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的能力，其采集間隔、次數(shù)、周期等都對(duì)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(shí)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(gè)指標(biāo)來(lái)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(duì)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(guò)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(gè)方向上的差異性。以上述數(shù)據(jù)為對(duì)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(duì)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(jiàn)圖2～圖5（見(jiàn)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(duì)復(fù)雜，在超過(guò)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(lái)，且向下遷移的趨勢(shì)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(jiǎn)便、處理快捷、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)5TE傳感器測(cè)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(guò)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(shí)空層面上對(duì)棉田土壤水分等的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行快速而簡(jiǎn)便的分析。同時(shí)，由于Surfer軟件可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(lái)，可以增加數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)量，并增加測(cè)定時(shí)長(zhǎng)，在棉花生長(zhǎng)的不同階段進(jìn)行測(cè)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(shí)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(cè)、智能化管理提供支撐。