2023年12月19日发(作者：)
精准养分管理
基于Arc/Info的土壤养分图制作技术
白由路，梁鸣早，杨俐苹
（中国农业科学院土壤肥料研究所，北京 100081）
土壤养分图是精准农业中土壤养分管理的基础，也是研究土壤养分空间变异特征的基本方法之一。然而，土壤养分图不象地形图和行政图那样可通过现有地图直接数字化而成。土壤养分图必须在野外采样、室内化验的基础上，经过一系列数学处理才能制成土壤养分的分布图。目前制图的软件很多，但都存在着一定的局限性，随着GPS技术的发展，可以使得土壤养分图的制作大为简便和精确。本文通过在Arc/Info7.1平台上，以一个村为例，介绍土壤养分图的基本制作过程，旨在为精准农业技术的推广和土壤养分精准管理服务。
1 土壤养分图制作流程
土壤养分图的制作过程可分为网格取样、数据库建立、采样点导入、数据库链接、空间插值、养分分类等步骤。其流程示于图1。
2 土壤养分图的制作过程
2.1 网格取样
为了了解土壤养分的分布状况，土壤样品采集多采用系统取样法，即网格取样。其基本方法是将所取样的地块分成一定大小的网格（图2），在网格中心2~3m的半径内取8~10钻土样，然后将这些土样混合成一个样品，作为该样点的土壤样品，混合这些土样的目的是消除土壤在小范围内的变异。在实际取样过程中，也可在网结上取样，只要保证样点间距基本一致即可，当样点确实不能代表该地块的状况时，也应因地制宜地适当移动样点，以取得有代表性的土壤样品，在田间操作时，可通过计算作物的行数、量算距离等方法也能基本确定网格。
[5][4][3][1][2]
(图：图1 土壤养分图制作流程)
(图：图2 网格取样示意图)
为了以后成图方便，最好采用差分式GPS在每个取样点进行定位，这样在取样时就可得到每个样点的精确坐标。当没有GPS的情况下，最好在大比例尺的地形图上随时标注取样点的位置，以便以后进行数字化。
采用网格取样有两个优点：①可以避免人为因素对土壤取样过程的干扰，可均匀采取研究区域的土壤样品，使其更具有代表性；②可以利用Arc/Info软件进行土壤养分的插值。因为Arc/Info软件在计算半方差时，要求每一种采样间距必须有三个以上相同距离的样点才能工作，而非等距离的随机采样很难满足其要求。
关于网格取样的间距，目前还没有一个具体的规定，根据一些学者的研究，随着取样间距的减小，变量施肥的费用逐渐增加，当网格间距小于60m时，变量施肥的费用迅速增加(图3)。但是，土壤养分图的准确性决定于取样方法和取样密度，
一般以100m的间距为宜。
(图：图3 网格取样间距与成本的关系)
[7][6]
2.2 室内养分分析
从田间采集的土壤样品，须在室内经过风干、磨碎、过筛等处理，然后进行土壤养分的化学分析。目前土壤养分的化学分析方法很多，但大部分都将土壤养分的形态分为三大类，第一类为土壤的有效养分，即能被作物立即吸收的土壤养分；第二类为缓效养分，即经过简单转化被作物吸收的养分；第三类为迟效养分，即经过长时间转化才能为作物吸收的养分。根据土壤养分图制作目的不同，土壤养分分析方法也不同，当用于土壤养分管理时，最好选择土壤的有效养分，而用于土壤评价时，可选用土壤的缓效养分或迟效养分。需要注意的是，不同的养分种类、不同养分形态，其分类方法都不相同。不同的分析方法，其测定值的分类也不同。所以，在制图时，养分种类、养分形态、分类指标等均应匹配。本文举例中使用的是土壤养分系统研究法（ASI）的测定方法，其养分的分类也与之对应。
2.3 建立土壤养分数据库
土壤养分数据库建立的方法很多，不同的数据库平台，其方法各异。当土壤养分仅用于土壤养分制图时，可建立较为简单的数据库，或将电子表格的养分数据存为数据库格式的文件即可，在Arc/Info平台上制图时，最好将土壤养分的分析数据存为Dbase Ⅲ 文件格式。
为了和Arc/Info较好地实现链接，土壤养分数据库可转化为info文件，命令为：
[8]
arc： dbaseinfo (为土壤养分数据库库文件名，为info文件名)
2.4采样点坐标导入，建立采样点图层
土壤养分的田间采样结束后，在土壤养分分析的同时，即可建立采样点图层，根据采样时是否使用GPS，这里将其分为两类介绍。
2.4.1 使用GPS时的采样点图层建立
当采用GPS定位的方法采取土壤时，每一个采样点均有一个样品编号和X、Y的坐标，如表1，这时，在EXCEL上将其保存为CSV格式（逗号分隔）文件，并将文件复制到Arc/Info的工作目录下，然后运行下列命令：
Arc: generate ptcov （建立一个名为ptcov的图层）
Generate: input （从文件上导入样点号与样点坐标）
Generate: points （输入导入属性，其中：point为点、line为线、poly为多边形）
Generate: quit （退出）
Externalling BND
此时，土壤采样点的编号与坐标全部导入Arc/Info系统，为了和土壤养分数据库实现链接，需要给土壤采样点图层建立拓扑关系。可用以下命令：
Arc: Build ptcov point (给名为ptcov的图层文件建立点属性的拓扑关系)
建立拓扑关系后，在工作目录中形成一个名为的属性文件，该属性文件含有AREA、PERIMETER、PTCOV#和PTCOV-ID四个字段，其中PTCOV-ID字段为样点编号，arc： dbaseinfo (为土壤养分数据库库文件名，为info文件名)
2.4采样点坐标导入，建立采样点图层
土壤养分的田间采样结束后，在土壤养分分析的同时，即可建立采样点图层，根据采样时是否使用GPS，这里将其分为两类介绍。
2.4.1 使用GPS时的采样点图层建立
当采用GPS定位的方法采取土壤时，每一个采样点均有一个样品编号和X、Y的坐标，如表1，这时，在EXCEL上将其保存为CSV格式（逗号分隔）文件，并将文件复制到Arc/Info的工作目录下，然后运行下列命令：
Arc: generate ptcov （建立一个名为ptcov的图层）
Generate: input （从文件上导入样点号与样点坐标）
Generate: points （输入导入属性，其中：point为点、line为线、poly为多边形）
Generate: quit （退出）
Externalling BND
此时，土壤采样点的编号与坐标全部导入Arc/Info系统，为了和土壤养分数据库实现链接，需要给土壤采样点图层建立拓扑关系。可用以下命令：
Arc: Build ptcov point (给名为ptcov的图层文件建立点属性的拓扑关系) 建立拓扑关系后，在工作目录中形成一个名为的属性文件，该属性文件含有AREA、PERIMETER、PTCOV#和PTCOV-ID四个字段，其中PTCOV-ID字段为样点编号，该编号可以作为以后链接的关键字段。
2.4.2 不使用GPS采样时的点图层建立
不使用GPS采样时，须将采样点精确标记在大比例尺的地形图上，然后通过地图的数字化，将土壤采样点导入GIS，这样也可以得到网格采样点的绝对坐标（大地坐标）和相对坐标。具体步骤为：
1）建立图层文件
arc：create ptcov （建立一个名为ptcov的图层文件）
arc： info （进入Info模块，注意在该模块下，输入的符号必须是大写）
ENTER USER NAME＞ ARC
ENTER COMMOND＞ SEL （选择名为的文件，该文件为新建图层的控制点文件）
ENTER COMMOND＞ADD （增加控制点，控制点不得少于4个）
IDTIC, XTIC,YTIC （手工输入控制点的编号、X坐标、Y坐标）
………
[ENTER] （控制点输入结束）
ENTER COMMOND＞ SEL （选择名为的文件，该文件为新建图层的边界文件）
ENTER COMMOND＞ UPDATE （更新边界）
RECNO?＞ 1 （输入更新的记录号，一般边界文件只有一个记录，记录号为1）
?＞ XMIN = XXXXX （输入X坐标的最小值）
?＞ YMIN = XXXXX （输入Y坐标的最小值）
?＞ XMAX = XXXXX （输入X坐标的最大值）
?＞ YMAN = XXXXX （输入Y坐标的最大值）
RECNO?＞[ENTER] （按回车键退出输入）
ENTER COMMOND＞Q STOP （退出Info模块）
Arc＞
至此，建立了采样点图层和图层的控制点文件和边界文件。
2）数字化采样点
建立好采样点文件后，可在数字化仪上将采样点数字化，也可进行屏幕数字化。
这里主要介绍在数字化仪上进行数字化的基本步骤，其基本命令如下：
Arc： & station 9100 （运行数字化仪的驱动程序）
Arc：ae （进入图层编辑模块）
Arcedite： ec ptcov (编辑ptcov图层)
Arcedite： de tic ids (显示控制点及编号)
Arcedite： draw （显示图形）
Arcedite： coordinate digitizer ptcov (用数字化仪上的鼠标进行数字化ptcovl图层)
然后，将数字化仪上的鼠标放在TIC点上，先按TIC的编号，然后按A键，再按B键。依次按下其它TIC，最后按0和A结束。屏幕出现误差值。以后用下列命令进行数字化：
Arcedite： nodesnap closest 20 （设定最小点误差）
Arcedite： arcsnap on 5 （设定最小线误差）
Arcedite： intersectarcs all （将线交叉点设为一个node）
Arcedite： ef point (编辑点属性)
Arcedite： add （增加点）
数字化点时，1为point，数字化线时，2为node点，1为vertex点。均经9结束。
Arcedite： save (保存文件)
数字化采样点结束后，用build命令建立图层的拓扑关系（同2.4.1）
3）属性赋值
通过数字化仪数字化的样点，其编号是按数字化的顺序编排的。为了能有一个字段与土壤养分数据库相链接，就需要在点文件的属性数据库中增加一个字段，以便和土壤养分数据库链接。增加字段的命令为
Arc： additem num 4 4 b
以上命令的意义为在文件中增加一个名为num的字段，宽度为4个字节，显示宽度也为4个字节，为字节型。
增加好字段后，需要给该字段赋值，赋值的命令为：
Arc：ae
Arcedite： display 9999 3
Arcedite： ec ptcov
Arcedite： draw
Arcedite： ef point
Arcedite： & term 9999
Arcedite： forms
此时，在屏幕上开出一个forms窗口，将地图窗口上黄色点的编号输入，然后按[NEXT]输入下一个点编号，输入完后，关闭forms窗口，保存修改后的图层文件即可。
2.4.3 边界文件的建立
边界文件的数字化与点文件的数字化基本相同，边界为线属性，数字化完后，可用下列命令对数字化的图层进行修改编辑：
Arcedite： de node error （显示错误结点）
Arcedite： extend vertex （移动拐点至线段上）
Arcedite： node unsplit （删除多余结点）
Arcedite： vertex move (add、delete) （移动、增加和删除拐点）
用这些命令修正图层后，保存图层。退出Arcedite模块
对编辑好的边界图层，建立多边形拓扑关系，以用作土壤养分图的边界。
2.5 采样点与数据库链接
采样点图层文件和土壤养分数据库建好后，需要建立采样点图层属性数据库与土壤养分数据库的链接，以用于土壤养分的空间插值，其命令为：
arc： relate add （增加一个链接）
Relation name：relation_name （输入链接名称，relation_name为链接名称）
Table identifer： （输入的链接土壤养分数据库名称，这里已将土壤养分数据库转为了info文件）
Database name： info （输入链接的数据库类型）
Info item：num （输入数据库的链接字段）
Ralate column： num （输入与属性表链接的字段）
Relate type：ordered （链接类型）
Relate access： rw （链接过程）
Relation name： ＜enter＞ （结果链接）
建立好链接关系以后，可将链接关系保存，以便以后再用。下次使用时，可恢复链接关系。其命令为：
Arc： relate save (将链接关系保存为文件)
Arc：relate restore (恢复链接关系)
2.6 养分插值，生成养分分布的栅格图层
在Arc/Info系统中，有两种方法可将点数据转化为面数据，一种为Kriging插值法，另一种为TIN模型，其原理在本书的《土壤养分空间预测的基本方法》一文中作了详细介绍，这里主要介绍使用Kriging插值的基本方法。其命令为：
Arc: Kriging ＜in_point_cover＞ ＜out_lattice＞ {variance_lattice} {spot_item} {in_barrier_cover} {BOTH |
GRAPH | LATTICE} {method} {SAMPLE {num_points} {max_radius} | RADIUS {radius} {min_points}} 命令中的各项含义为：
in_point_cover ：插值的点图层文件名。
[9]
out_lattice： 输出的栅格文件名。
variance_lattice：输出的方差文件名。
spot_item：用于插值的字段，当使用链接时，应为：//item。即为链接文件名，item为被链接文件中需要插值的字段。
in_barrier_cover：边界图层文件名。
BOTH | GRAPH | LATTICE：这三个选项为方差图的输出方式，当选择both时，即输出半方差图，也输出一个数值文件。选择Lattice时，仅输出半方差图。 Method：选择半方差模型。在Arc/Info系统中，使用的半方差模型有：Spherical（球状模型）、Circular（环状模型）、Exponential（指数模型）、Gaussian（高斯模型）、Linear（线性模型）和两个自定义模型。可根据土壤养分空间变异的特性选择模型。
SAMPLE和RADIUS为插值时所使用信息点的点数或范围。
2.7 养分分类，生成养分等值线图
通过对养分的插值，可得到土壤养分的分布图。但是，要对土壤养分进行管理与评价时，就需要对养分图进行分类，以得到养分的等值线图。其命令为：
Arc： Latticepoly ＜in_lattice＞ ＜out_cover＞＜SLOPE | ASPECT | RANGE | NODATA | BOX | EXTENT> {lookup_table}
{z_factor} 命令中的各项定义为：
in_lattice：输入的栅格文件名。
out_cover：输出的等值线图层文件名。
SLOPE | ASPECT | RANGE | NODATA | BOX | EXTENT：该选项使用RANG即可。
lookup_table：输入分类表文件，不输入时，需要手工键入，后面介绍关于该文件的建立方法。
z_factor：输入容差。在土壤养分图制作中可不使用该项。
使用该命令后，系统将形成一个属性为多边形、名称为out_cover的土壤养分等值线图。
lookup_table文件的建立方法：在栅格文件转化为等值线文件中，等值线的值与密度均由分类表文件决定。分类表文件由三个字段组成，一个为记录号（RECORD）；另一个为代码（RANGE），可用于养分类别代码；第三个为养分范围（RANGE－CODE），定义养分类别代码的范围。以下命令可建立分类表文件：
arc： info
ENTER USER NAME＞ARC
INTER COMMAND＞ DEFINE (建立一个名为的分类文件)
1
ITEM NAME＞ RECORD,4,4,B （增加一个名为RECORD的字段）
2
ITEM NAME＞ Range, 4, 4, B （增加一个名为RANGE的字段）
3
ITEM NAME＞ Range-code, 8, 8, F, 2 （增加一个名为RANGE-CODE的字段）
INTER COMMAND＞ ADD （添加记录）
1
RECORD＞ 1 （输入第一个记录号）
RANGE＞ 1 （输入第一个养分类别代码）
RANGE-CODE＞ 10 （输入第一个养分类别代码的养分范围的最大值）
2
RECORD＞ 2 （输入第二个记录号）
RANGE＞ 2 （输入第二个养分类别代码）
RANGE-CODE＞ 20 （输入第二个养分类别代码的养分范围的最大值）
……
n＞ [Enter] （结束输入）
INTER COMMAND＞ Q STOP （退出Info模块）
至此，土壤养分图制作完毕。
3 应用举例
本例为河北省辛集市马兰村，面积为173.4ha，地势平坦，土壤为潮土，质地为中壤，主要作物为小麦-玉米轮作。2000年6月初在小麦刚收获后，用差分式GPS在试验区用100m的网格采取土壤耕层样品，风干备用。
用土壤养分状况系统研究法（ASI）[10]分析土壤养分状况。土壤速效磷(P)、钾(K)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)和锌(Zn)采用ASI联合浸提剂（0.25mol/L NaHCO3-0.01 mol/L EDTA-0.01mol/L NH4F）浸提；速效硼(B)和硫(S)用0.08mol/L的过磷
酸钙溶液浸提；速效钙 (Ca)、镁(Mg)和铵态氮(N)用1mol/L的KCl浸提；有机质用0.2 mol/L NaOH - 0.01 mol/L EDTA -
2% 甲醇溶液提取。有机质和非金属元素用比色法测定，金属元素用原子吸收分光光度计测定。GIS平台为ESRI公司的arcinfo7.1。根据采样点整理的采样坐标文件格式见表1，其中第一列为样点编号，第二列为X坐标，这里为经度，第三列为Y坐标，这里使用的是纬度。导入后的采样点示于图4。其中外框不是地块边界。
(表：表1 采样点坐标文件格式 )
1 115.1964467 37.9905548
2 115.1965177 37.9896563
3 115.1965925 37.9887543
……
178 115.2151340 37.9897178
(图：图4 土壤采样点图)
土壤养分分析后建立的数据库文件格式示于表2，其中第一列为样品编号，和土壤采样点属性数据库链接的关键字段也使用该列。
(表：表2 土壤养分数据格式 )
num pH OM Ca Mg K N …… Zn
1 8.0 0.52 1863.7 448.3 66.5 9.6 3.3
2 8.0 0.82 2204.4 528.5 66.5 11.8 3.4
3 8.0 0.62 2825.6 603.9 89.9 10.9 3.1
……
178 8.2 0.66 1082.2 353.6 39.1 13.0 2.2
经过数字化的地块边界。插值后得到的土壤养分图，可参见《基于GIS的土壤养分分区管理模型研究》
这里仅介绍了土壤图制作过程中一些专业性较强的步骤，除此之外，土壤图制作过程还应包括土壤图的整饰、输出等，这可参见其它有关资料和联机帮助文件等。
主要参考文献
[1] Reetz H F, Jr. Site-specific nutrient management system of the 1990s. Better crops with plant food, 1994,
78(4): 14~19.
[2] White J G, Welch R M and Norvell W A. Soil Zn map of the USA using geostatistics and geographic information
systems. Soil Sci. Soc. Am. J. 1997, 61: 185~194
[3] 金继运. “精准农业”及其在我国的应用前景. 植物营养与肥料学报,1998,4(1):1~7.
[4] Flynn J, Pitts T. Inside ArcInfo(2nd Edition)[M].OnWord Press, 2000.
[5] Wollenhaupt N C, Wolkowski R P. Grid soil sampling. Better crops with plant food, 1994,78(4):6~7.
[6] Wollenhaupt N C, Wolkowski R P. Cost Associated with Variable Rate Phosphorus and Potassium Applications
Better crops with plant food, 1994,78(4):8~9.
[7] Don Lamker. Precision agriculter-lessons learned. Proceedings of international conference on engineering
and technological sciences 2000, Beijing: New World Press, 2000: 342~ 344
[8] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京:中国农业科技出版社，1999.
[9] Oliver M A. Kriging: A method of interpolation for geographical information systems. International Journal
of Geographic Information Systems, 1990, 4(4): 313~332.
[10] 吴荣贵. 土壤基本肥力的快速分析与应用前景. 土壤养分养状况系统研究法. 北京：中国农业科技出版社,1992:
54~70.
[11] 白由路，金继运，杨俐苹等. 基于GIS的土壤养分分区管理模型研究. 中国农业科学，2001,34(1): 46~50.
[11]一文。
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