茶園DEM快速構(gòu)建與應(yīng)用研究

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(duì)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(cè)繪地形圖或用皮尺等進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)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(yíng)，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(cè)繪局（NIMA）共同進(jìn)行了航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測(cè)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(duì)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(duì)Kriging法插值精度的評(píng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)定點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為Z（xi），預(yù)測(cè)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(cè)值越接近實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)精度越高。

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

RMSSE等于1，表示正確有效地對(duì)預(yù)測(cè)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(cè)的變異性；若RMSSE＜1，表示過高估計(jì)了預(yù)測(cè)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(tái)上，利用普通Kriging和簡(jiǎn)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(cè)誤差最小、預(yù)測(cè)精度最高，但由于RMSSE較為接近1，過高估計(jì)了預(yù)測(cè)的變異性，預(yù)測(cè)值的不確定性也有所增加。模型的塊金值為0.0004，基臺(tái)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(zhǎng)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(shì)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(yíng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)比測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(píng)價(jià)［J］.測(cè)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.

［7］包世泰，廖衍旋，胡月明，等.基于Kriging的地形高程插值［J］.地理與地理信息科學(xué)，2007（3）：28-32.

［8］梁向棋.基于地統(tǒng)計(jì)法的數(shù)字高程模型建模方法研究［D］.桂林：桂林理工大學(xué)，2013.

［9］雷百戰(zhàn)，劉序，李向偉，等.韶關(guān)市茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)與對(duì)策［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（5）：334-335，337.

［10］詹蕾，湯國安，楊昕.SRTM DEM高程精度評(píng)價(jià)［J］.地理與地理信息科學(xué)，2010（1）：34-36.

［11］Corstanje R，Grunwald S，Reddy K R，et al.Assessment of the spatial distribution of soil properties in a Northern Everglades Marsh［J］.Journal of Environmental Quality，2006，35（3）：938-949.

［12］史舟，李艷.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤學(xué)中的應(yīng)用［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

（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