茶园DEM快速构建与应用研究

刘 序，雷百战，李向伟，周灿芳，余华荣，刘亚琼，陈宏真

（1.广东省农科院农业经济与农村发展研究所，广东 广州 510640；2.乐昌市庆云联丰茶叶专业合作社，广东 乐昌 512235）

茶园DEM快速构建与应用研究

刘 序1，雷百战1，李向伟1，周灿芳1，余华荣1，刘亚琼1，陈宏真2

（1.广东省农科院农业经济与农村发展研究所，广东 广州 510640；2.乐昌市庆云联丰茶叶专业合作社，广东 乐昌 512235）

茶园建设一般以地形图作为辅助支持。Google Earth能提供1∶10000～1∶50000的小比例尺地形数据，通过构建数字高程模型，可为坡地茶园规划提供一种快速而较为精准的地形数据。以广东韶关一个茶园规划为例，通过在Google Earth采集高程数据，利用克里格法选择高斯模型进行空间插值和构建数字高程模型，制作两种等高距地形图，并在茶园种植区划分与道路、灌溉设施、排水设施的规划中应用，为茶园的概念规划与总体规划提供了一种地形图快速获取与应用的方式。

数字高程模型；克里格法；茶园；应用

刘序，雷百战，李向伟，等.茶园DEM快速构建与应用研究［J］.广东农业科学，2016，43（5）：157-161.

茶园规划是对园地的整体规划，既要考虑自然环境，又要研究农业生产的总体布局，通常需要测绘地形图或用皮尺等进行测量绘制地形示意图来进行规划［1］。数字高程模型（DEM）以高程来描述地面特性，是一种连续地形的数字格式，是进行地形分析和二维地形空间模拟的基础，广泛用于地形分析等［2］。Google Earth（GE）能提供全球的多源、多尺度的卫星影像和地形数据，可以提取高程点来制作比例尺小于1∶10 000的大比例尺地形图，能满足各类工程前期规划及可研阶段应用研究［3-4］。通过GE采样直接生成DEM，通过提取等高线的方式为茶园规划提供较为准确的地形图，对于总体规划概念规划能够满足需求，且应用方式较为便捷、规划效率较高［5-6］。目前构建DEM的方法有三角插值（TIN）、距离加权插值（IDW）、克里格法（Kriging）等［7］，应用Kriging构建DEM的精度相对其他方法更高［8］。

本文利用GE高程采样点和Kriging法构建DEM，并制作两种等高距地形图，进行茶园种植区、道路、灌溉与排水设施等规划应用研究。通过DEM的构建与应用，可以为坡地茶园规划提供一种地形数据快速获取与应用参考，同时提高了规划效率和降低了工作成本。

1 研究区概况

乐昌是广东韶关市传统茶叶产区，1 200多年前就有茶叶种植，曾远销东南亚等地区［9］。2016年超过3.33 hm2的茶园面积达到732.00 hm2，可采摘面积达449.20 hm2，其中超过1/3茶园位于庆云镇。本研究区域位于庆云镇金坪村，由庆云联丰茶叶专业合作社经营，面积84.89 hm2，大部分为茶园种植区，南部边界与乡道接壤，交通便利。根据《乐昌市土地利用规划（2010—2020）》，90.93%为林地，其余为风景名胜及特殊用地等。茶园目前已有部分种植区建成，但存在少量果树种植区域，主要道路已建成砂石路面。

2 研究方法

2.1 GE高程数据来源

2000年，美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）共同进行了航天飞机的雷达地形测绘（SRTM）获得了地球陆地表面80%以上的三维雷达数据，2003年免费公布了3''×3''（相当于90 m栅格分辨率）的SRTM3数据［10］。GE高程数据来自SRTM3，目前数据修订版本为V4.1，可以制作1∶10 000～1∶50 000地形图［4-5］。

2.2 Kriging法

Kriging法是地统计学的一种空间插值方法。该方法主要依据区域化变量理论和地理数据空间依赖性，通过半变异图和半变异函数（也称半方差函数）找到空间采样数据变异的拟合函数模型，是一种对未采样点的区域化变量取值进行线性无偏最优估计［11］。拟合函数模型主要有圆形模型、球面模型、高斯模型、指数模型等。模型选择可采用理论模型拟合程度、数据交叉验证等方法。本研究采用数据交叉验证方法，通过对Kriging法插值精度的评估来寻找最适合的半变异函数理论模型。

Kriging插值方法有普通 Kriging、简单Kriging、统一Kriging、指示Kriging等，根据相关研究［8］，选择普通Kriging、简单Kriging作为高程点插值方法。插值精度检验指标有平均值（M）、均方根（RMS）、平均标准差（MS）、均方根误差（RMSE）、均方根标准误差（RMSSE）、平均标准误差（ASE）等多种，本研究选择RMSE和RMSSE作为Kriging插值精度检验指标。设测定点的实测值为Z（xi），预测值为Z'（xi），具体计算公式如下［12］：

（1）均方根误差（RMSE）

RMSE越小，表示预测值越接近实测值，预测精度越高。

（2）均方根标准预测误差（RMSSE）

RMSSE等于1，表示正确有效地对预测的不确定性进行了估计；RMSSE＞1，表示过低估计了预测的变异性；若RMSSE＜1，表示过高估计了预测的变异性。

2.3 采样间隔与数量

根据茶园规划一般要求［1］，地形图需要覆盖整个茶园。由于本研究中茶园地形起伏较大，为兼顾地形与插值精度，在范围内外均采样，采用均匀采样方式。在采用间距上，考虑数据GE高程数据精度与茶园规划实际需求，设定间距30 m，以提高茶园高程插值的精度、减小误差。利用ArcGIS设定采样点及采样间距，在GE上采集样点的高程数据。采样点共计1 083个，详见图1。采样点最高为468 m，最低为278 m，平均高程为402 m。

图1 高程采样点分布

3 DEM构建

3.1 空间插值理论模型选择

在ArcGIS平台上，利用普通Kriging和简单Kriging各自8个半变异理论模型分别进行插值和交叉验证，结果如表1所示。通过RMSE最小和RMSSE接近1两个指标判断，选择普通Kriging的高斯模型作为最终茶园高程插值的半变异函数理论模型。此时模型预测误差最小、预测精度最高，但由于RMSSE较为接近1，过高估计了预测的变异性，预测值的不确定性也有所增加。模型的块金值为0.0004，基台值为0.4001，块金系数为0.0010，变程为215.27 m。说明由采样误差、空间地域等变异因素带来的块金效应很小，可以忽略不计，高程值采样数据空间自相关程度很高而且连续，模型插值效果好。

表1 不同半变异模型的交叉验证

3.2 构建DEM与获取地形图

利用普通Kriging高斯模型进行空间插值，构建茶园DEM，如图2所示。从图2可以看出，茶园北部为山顶、最高为467.50 m，最低在茶园南部与西部（278.28 m）。通过表面分析提取等高线，以等高距5 m提取等高线作为茶园划分作业片、块的基础，以等高距2.5 m提取等高线作为茶园规划道路、排水沟的基础。

图2 茶园DEM

图3 茶园地形（等高距5m）

4 DEM在茶园规划中的应用

4.1 种植区划分

基于现状种植带基础上，参照等高线走向，划分种植作业区和片。按茶园规划要求［1］，茶园作业区以现状道路为基础，并结合DEM的地形走向，分为东区、中区、西区3个作业区。每个区参照5～6.67 hm2面积大小和建成的作业片，划分为12个片，详见表2、图4。

表2 茶园种植作业区划分

图4 茶园种植作业区划分

4.2 道路规划

在种植作业区和片基础上，以DEM生成的等高线为参照，规划干道、支道和步道。茶园现状道路宽4 m，规划拓宽为6 m，类别为干道，部分地段增加弯曲，降低高差和道路的坡降，方便机动车辆运输农业资料、设备、人员等。支道规划路宽为4 m，以等高线为辅助参考，主要联系干道和步道，也是作业片的边界。步道则按“之”字形，以现状步道为基础，在各个作业片内规划，路宽1.5 m（图5）。

图5 茶园道路规划

4.3 灌溉设施规划

当地气候条件一般可以满足茶树生长需要，但也存在季节性干旱等缺水情况。为保证茶园水源稳定，需要规划一定数量的蓄水池作为备用水源。在茶园近山顶处有一个0.10 hm2山塘，水深约1.5 m，可以作为整个茶园的蓄水塘。同时，在DEM上选择每个作业片地势高且靠近路边的地方规划一个蓄水池，用管道连接到蓄水塘，每个蓄水池引出干管通过自流灌溉方式覆盖各自作业片，保证整个茶园水源供给（图6）。

图6 茶园灌溉设施规划

4.4 排水设施规划

由于茶园位于山坡区域，高差大，遇到暴雨等多雨季节容易造成水土流失。因此，需要结合地形布设截洪沟、纵水沟、横水沟，及时排出园区过多的雨水。截洪沟主要规划在茶园边界、与其他区域进行隔离，延伸到园区的南部公路。纵水沟主要沿干道双侧布设。横水沟则依据等高线和支道布设，连接到纵水沟。通过布设3种类型的排水沟，可以将茶园过多的降水快速排出（图7）。

图7 茶园排水沟规划

5 结语

本研究以广东韶关乐昌市庆云联丰茶叶专业合作社经营茶园为例，通过在ArcGIS均匀布设采样点、在GE上均匀采集高程点数据，利用Kriging法构建DEM，较为快速和准确生成地形图，用于辅助茶园总体规划，提高了规划效率，降低了数据获取成本。

茶园规划通常在地形图的辅助下进行，尤其在坡地上建茶园更为需要。而测绘地形图通常花费较多时间和成本，在概念规划阶段或总体规划阶段，通过GE方式获取高程点来制作1∶10 000～1∶50 000比例尺地形图，可以为茶园规划提供一种相对成本较低、精度较高的地形数据获取方式，能够满足这个阶段的规划需求。另外，相对TIN、IDW等方法构建DEM，Kriging法提供了多种理论模型进行模拟和精度检验，提高了DEM插值精度，增强了应用效果。

然而，对比测绘地形图或1∶10 000以下更大比例尺地形图发现，GE高程数据本身数据精度相对较低。如果进入茶园梯田、道路、排水沟设计与施工等阶段，仍需要以1∶1 000等大比例尺测绘地形数据或地形图才能满足实际需求。

［1］李玉胜，秦旭.绿色茶园现代栽培技术［M］.北京：化学工业出版社，2016.

［2］Wu W，Fan 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］龚健雅.3维虚拟地球技术发展与应用［J］.地理信息世界，2011（2）：15-17.

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［5］黄琪，张宗毅.基于Google软件的农地区高程获取及精度评价［J］.测绘通报，2015（2）：51-54.

［6］刘序，肖广江，周灿芳，等.GIS技术在区域农业规划中的应用初探［J］.广东农业科学，2013，40（1）：204-206.

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［12］史舟，李艳.地统计学在土壤学中的应用［M］.北京：中国农业出版社，2006.

（责任编辑 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