基于Arcview软件的麦地信息的表达与分析

贾爱莲,张淑娟

(1.山西农业大学信息学院,山西 太谷030801;2.山西农业大学 工程技术学院,山西 太谷030801)

目前,精细农业已在世界许多国家开始实施,它是基于田间作物生长环境和产量差异性的变量管理,因此,田间信息差异性的测量和描述是开展精细农业实践的重要基础[1～3]。近年来,国内外对田间信息差异性的研究多起步于农田土壤养分空间变异性的研究。Carlos A.B.[4]等在一块大豆田,以30 m×30 m的网格采样,测试土壤的全氮、有机质、速效磷、速效钾等,统计分析表明,速效磷和速效钾的变异系数最大;Mallarino.A.P[5]等在八块农田中,采用不同的采样方法,测试土壤表层的速效磷、速效钾和有机质,结果表明,在所有的农田中,土壤特性都存在空间变异性,对所有的养分没有一种方案是最优的。我国在90年代中期后,王学锋,周慧珍,杨丽苹[6～8]等用不同的方法对土壤养分变异性进行了研究。但是麦地信息及其之间的相互关系受多种因素的影响,有关规律性尚无定论。本文利用地理信息系统软件ArcView 3.3对麦地信息进行分析与表达,它将为麦地信息的处理提供一种新方法,并为农田的精细管理提供科学的依据。

1 ArcView软件简介

ArcView是美国环境系统研究所的系列产品之一,是一种“基于GIS的桌面制图系统”软件,它不仅具有强大而丰富的空间数据编辑、查询和分析、可视化等功能,而且还可以方便、灵活地制作各种专题地图[9]。它常用的扩展模块有三维分析、空间分析、互联网地图服务器、网络分析、图像分析等,它们是进行深层开发的必要工具。本文选用了扩展模块中的空间分析模块。空间分析模块的工作对象是栅格数据类型,主要作用是帮助揭示和理解空间数据的相互关系。

2 麦地信息的采集与获取

2.1 土壤及产量信息的获取

在山西农大的一块面积为13.3 hm2的冬小麦试验田内用GPS接收机按50 m×50 m的栅格定位采样,共采63个样点,采样深度为20 cm,为了使每一采样点在该采样小区内具有代表性,用土钻在采样点上及每一采样点附近3 m左右的四个点上各取一钻土,五个点的土样合成一个土样,装入样品袋,注明编号。并采用实验室常规分析法分析所采土壤的碱解氮、速效磷和速效钾等土壤信息以及用“小麦实验调查记载项目的标准及方法”测定小麦籽粒产量、千粒重等产量信息。

2.2 麦地信息采样方案的确定

本文以碱解氮为例,利用原63个采样数据,分别按50 m×100 m和100 m×100 m的间隔选取样点,形成两种新的采样方案,然后绘出不同采样方案的空间分布图并进行定性分析;利用ArcView中的克立格法按1 m×1 m的栅格插值,求出插值数据与原来测试数据的误差统计指标,并进行分析比较,综合两方面分析确定合理的采样方案。

2.2.1 不同采样方案的采样点位置分布图

50 m×50 m的采样方案及分别按50 m×100 m和100 m×100 m的间隔选取样点形成的两种新的采样方案的点位置分布见图1(a)、1(b)、1(c)。

2.2.2 碱解氮各种采样方案的空间分布图

碱解氮各种采样方案的空间分布图见图2。

图1 各种采样方案的点位分布图Fig.1 The position distributions of sample points in all kinds of sample schemes

图2 各种采样方案的碱解氮空间分布图Fig.2 The available N spatial distribution map of all sample schemes

2.2.3 不同采样方案的误差分析

在不同采样方案下,将碱解氮的克立格插值数据与对应测试数据进行误差分析[1,10,11]。误差指标包括:平均误差、均方差、最大绝对误差和最大相对误差。统计分析结果见表1。

2.2.4 碱解氮不同采样方案的效果分析

分析碱解氮在不同采样方案下的误差计算值并与50 m×50 m采样方案的误差指标对比,从表1可以看出:各种采样方案的指标值都比较小,都是较好的采样方案。而采样方案为50 m×100 m和100 m×100 m的各项指标均大于50 m×50 m采样方案的对应指标值,这说明采样点少精度较低。但方案50 m×100 m和100 m×100 m的各项指标值又都相近,在误差允许的范围内,可优先选100 m×100 m的采样方案,在相同条件下较经济。

表1 碱解氮各种采样方案误差统计分析Table 1 The error Stat.Analysis of available N sample scheme

以50 m×50 m采样方案的空间分布图为标准,50 m×100 m和100 m×100 m采样方案的空间分布图与50 m×50 m采样方案的空间分布图都很相似,反映了地块西部和东部碱解氮含量高而中南部碱解氮含量低的情况。在50 m×100 m的采样方案中,地块中北部碱解氮含量少的区域没有反映出来,而100 m×100 m的采样方案基本反映出了地块碱解氮含量东西高,而中南部低的分布情况,见图2。

综上所述,对碱解氮而言,100 m×100 m的采样方案是较好的采样方案,利用该方案实施大面积的采样,既可以满足测试要求,又可以节约测试费用。以后在碱解氮测试采样时可以采用这种方案。

3 麦地信息的综合表达与分析

叠加分析是地理信息系统软件的一项非常重要的功能。本文利用软件ArcView 3.3中的叠加分析功能,将土壤特性的空间分布图、采样点的位置图与产量的等值线图迭加,产生新的综合信息图,见图3。该图直观地反映了小麦籽粒产量与土壤特性的相互关系。从图3(a)中可以看出,在地块东部和西部碱解氮含量高的区域,籽粒产量也高;从图3(b)中可以看出,除东部局部的地块大部分区域土壤速效磷含量较高的地方,籽粒产量也高;从图3(c)中可以看出,在地块东北部速效钾含量高的地方,籽粒产量也较高。由此可见,碱解氮、速效磷和速效钾是影响小麦产量的重要因素。

4 结论与讨论

(1)本文对土壤碱解氮的不同采样方案进行误差计算。通过误差分析可知,50 m×50 m的采样方案的各误差指标值均小,这说明采样点多,精度较高;而方案50 m×100 m和100 m×100 m的各项指标值又都相近,在误差允许的范围内进行大面积作业时,100 m×100 m的采样方案是一种较为经济有效的方案。

(2)利用ArcView软件的叠加分析功能,将各种信息图叠加产生新的综合信息图,可以直观地反映小麦籽粒产量与土壤特性的相互关系。在麦田养分含量高的区域,籽粒产量也相对较高,这与生产实际相符合。

(3)利用ArcView中的克立格插值法绘制各种土壤特性以及籽粒产量的分布图,可较准确和直观地了解整个麦地各种养分和作物的有关产量信息的空间分布状况,这对于及时调整麦地施肥、灌溉以及其它的农田精细管理措施具有重要的指导作用。

图3 籽粒产量与土壤各特性的关系图Fig.3 The relation maps of soil property and wheat yield

[1]张淑娟.基于GPS和GIS的精细农业田间采集和处理方法的研究[D].浙江:浙江大学,2003.

[2]姚建松.我国精细农业发展前景探讨与研究[J].中国农机化,2009(3):26-28.

[3]任丽萍,杜波.精细农业——现代化农业的发展方向[J].黑龙江科技信息,2009(21):145.

[4]Carlos A.Silva,Alberto C.C.Bernardi,Pedrol.O.etc.2000.Sampling for site-specific forming in Brazil:evaluation of soil fertility parameters.Proceedings of Fifth International Conference on Precision Agriculture(CD).July 16～19,2000.Blooming ton,MN,USA.

[5]Mallarino A.P.,Wittry D.J..1997.Use of DGPS,yield monitors and potassium in no-tilled soils fo r two sampling scales[J].SOILSci.Soc.Am.J.1997,60:1473-1481.

[6]王学锋,章衡.土壤有机质的空间变异性[J].土壤,1995,27(2):85-89.

[7]周慧珍,龚子同,Lamp J.土壤空间变异性研究[J].土壤学报,1996,33(3):232-241.

[8]杨俐苹,姜城,金继运,等.棉田土壤养分精准管理初探[J].中国农业科学,2000,33(6):67-72.

[9]秦其明,曹五丰,陈杉.ArcView地理信息系统实用教程[M].北京:北京大学出版社,2001:3-5.

[10]吴国富,安万富,刘景海.实用数据处理方法[M].北京:中国统计出版社,1992:87-162.

[11]孙波,赵其国,闾国年.低丘红壤肥力的时空变异[J].土壤学报,2002,39(2):190-198.