摘要：针对作物秸秆资源调查和秸秆收储加工设施规划中对农田空间地理信息的需求特点，利用天地图·江苏免费影像构建农田电子地图的方法，描述农田电子地图的基本组成要素和绘制农田电子地图的主要步骤。以江苏省泗洪县车门乡为例，采取手工描绘和图像识别相结合的方法实现农田、道路、水系等地理要素的矢量化，构建车门乡农田电子地图，并对误差来源、精度控制进行简要分析。结果表明，该方法精度较高，周期短，费用低，操作简便。

关键词：天地图；农田电子地图；矢量化；秸秆产生量；估算方法

中图分类号： S181；S216.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0294-04

收稿日期：2013-09-03

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（10）225、CX（12）1002]。

作者简介：张恒敢（1970—），男，江苏邳州人，硕士，副研究员，主要从事耕作栽培研究。E-mail：hungerzs@163.com。秸秆资源综合利用规划是实现秸秆资源科学利用的前提，详细可执行的规划一般以乡镇为基本单元。其中，秸秆资源调查、秸秆收储加工设施选址、秸秆污染物迁移建模等工作都要用到大比例尺农田电子地图。电子地图数据是针对在线浏览和专题标图的需要，对矢量数据、影像数据进行内容选取组合所形成的数据集。电子地图是电子地图数据经符号化处理、图面整饰后形成重点突出、色彩协调、符号形象、图面美观的视屏显示地图[1]。农田电子地图是以农田地物为主要描绘对象的主要应用于农业科研和农业生产管理的电子地图。

目前，面向公众的电子地图服务如谷歌、必应、百度、天地图等都是以图像格式提供，而很少提供电子地图数据服务。这些电子地图只能用于显示和简单的标绘，不能直接用于秸秆资源调查和秸秆设施规划等专业的研究和生产领域。农田方面的专业电子地图资源更少，目前仅国土资源部第2次全国土地调查（以下简称二调）的成果较接近专业应用的目标。然而，由于二调的专题属性设置服务于土地确权的目标，与秸秆综合利用规划的目标不完全吻合，作物种类、种植结构方面明显不足，农田道路、农田水系方面不够精细，属性设置也不充分，因而不能直接用于秸秆资源规划。

构建农田电子地图的方法大致可分为3种：一是用传统的测绘方法，这种方法得到的数据精度高，但工作量大，费工费时，即使是乡镇、村组级别的农田数量也成百上千，测绘工作繁重，成本高。二是根据已有的土地利用现状图进行矢量化，但这些图大多成图年代较早，多有遗失或残缺，不能反映最新的农田状况。三是用遥感影像或者航空影像矢量化构建电子地图，这种方法简便，工作量相对较小，精度高，现势性好；主要缺点是所需高分辨率影像价格较高（一般为100～150元/km2），以100 km2的乡镇为例，仅影像费用就需要几万元。另外，这种方法过程复杂，技术要求高，需要专业人员应用专业的软件在较高配置的计算机或工作站上才能完成。不菲的费用和高技术门槛大大限制了其实用价值，为解决这2个问题，笔者探索应用天地图免费影像绘制大比例尺农田电子地图。

天地图·江苏为天地图省级分节点，由江苏省测绘地理信息局开发和维护，其影像地图覆盖江苏全境，分辨率高，即使是在农村地区和笔者感兴趣的农田区域，其瓦片级别普遍达到17级（地面分辨率为1.19 m/像素）以上，田埂清晰可见，市级节点更是达到18～20级（0.15～0.6 m/像素），完全能够满足农田电子地图制图的需要。天地图影像是经过校准的数字正射影像，无需前期处理，可大大降低绘制地图的技术门槛，提高效率。

1农田基本地理要素

农田基本地理要素是指与农田相关的位于目标农田区域内的基础地理信息要素。根据基础地理信息要素的定义和分类[2]可知，农田基础地理信息要素主要包括农田地块、农田道路、农田水系、农田植被与土质、农田设施等。区域内的境界和政区、居民地、各种注记等非农田特异性的要素也是绘制农田电子地图所必需的，但不归类于农田基本地理信息要素。本研究仅对农田地块、农田道路、农田水系等要素加以详细说明。

1.1农田地块

农田地块是指被沟、渠、路、田埂等线状地物分割的种植农作物的土地地块。这些线状地物不仅阻止了水分、养分、农田污染物的自由流动，也使农田在耕翻、收割、管理方面成为相互独立的单元，以此作为分割界限能够正确反映农田的栽培管理特征，应用上会更加方便。在高分辨率影像地图上，这些线状地物与农田作物具有明显差异，很容易区分。如图1所示，越冬以后的小麦田的田埂和田间沟渠与麦田的颜色差异十分明显，易于识别。

基于我国农村家庭联产承包的现状，以这种方法分割得到的田块往往是一个宗地的单元，即隶属于生产队或村民小组的较大田块，而不是基本的种植单元，一个地块可能包括多个承包户的土地，种植的作物种类、季节往往存在差异，在影像上也难以准确区分，即使因种植作物的不同或空闲可以准确区分，年度之间也不稳定，这给精确的空间分析和设施规划带来困难。

1.2农田道路

农田道路由公共道路、田间道、生产路和一部分田埂组成。农田道路要素用于估算秸秆物流成本、收储加工设施、优化选址。

1.2.1公共道路公共道路是指穿行于农田区域之间的用于普通运输的交通线，其主要功能是普通客货运输，道路起始点不一定与农田相连，运输的货物也不一定与农田有关。天地图·江苏线划地图上将道路分为国道、省道、主干道、次干道、县道、乡道、机耕路（大路）、乡村路（小路）几个等级。这些道路一般是公共道路，其中有些大路、小路与田间道重合。

1.2.2田间道和生产路田间道和生产路是农田专用道路，与特定农田田块相连接，专用于农机人畜通行、农资农产品运输和田间管理作业。田间道宽一般为3～4 m，可行驶拖拉机、收割机等大型农机具。生产路宽2.0～2.5 m，可行驶平板车、三轮车等小型农用车辆。在天地图·江苏线划地图上未标出田间道和生产路，需要利用影像地图绘制，同时结合田间调查确定其连通性和通行能力。田间道、生产路是农田道路系统的主要组成部分，其地理和属性信息是农产品、农资物流成本计算和规划的基础数据。

1.2.3田埂田埂用于分隔农田种植区块，以便于施肥、抛秧等田间操作，也可作为手工收获的临时通道。田埂宽 0.5～1.0 m，略高于农田地面。较宽的田埂也具有一定的通行能力，可供单人行走。规划良好的农田田埂不作为农田道路系统的一部分，但在沟渠道路系统并不完善的地方，如本研究试验区江苏省泗洪县车门乡岗朱村的岗坡地，地块较小，田间道路依地势自然形成，较宽的田埂可作为道路使用，也可纳入农田道路体系。

1.3农田水系

农田水系由农田区域中的河流、湖泊、水库、水塘、灌排渠沟、暗管组成。与农田道路系统相对应，农田水系包括公共水网、斗渠（沟）、农渠（沟）和一部分毛渠（沟）4个级别。农田水系要素用于分割农田地块、构建水系拓扑结构和建立秸秆养分及污染物迁移模型。

1.3.1公共水系农田小区域中的河流、湖泊、水库一般具有公共溶泄的功能，不与特定的农田田块相连，属于公共水系。灌区内干渠（沟）、支渠（沟）承担较大区域的农田灌排功能，在绘制小区域农田电子地图时也归入公共水系。

1.3.2斗渠（沟）、农渠（沟）规划良好的农田，斗渠（沟）对应于田间道，与农作物种植方向垂直。农渠（沟）对应于生产路，与农作物种植方向平行，三者并行或相间排列。农渠为最末一级固定渠道，农沟为最末一级固定沟，是农田地块的主要分割界限。试验区内车门街道东部农田显示了典型的农田沟渠路布局（图3），其他农田大都遵循这种布局方式，或在此基础上有因地制宜的变化。

1.3.3毛渠、毛沟、墒沟天地图·江苏影像地图能够清楚地区分农渠、农沟以上级别的渠沟。分辨率较高时，也能分辨出毛沟和墒沟。毛沟和墒沟多数情况下不是固定沟，随着作物种类、季节的变化临时开掘，在计算作物布局、种植面积、秸秆资源量、污染物动态时可以不予考虑，因此本研究农田电子地图不包括毛沟和墒沟。

1.4其他要素

为了使地图显示得清晰明了，电子地图还应该包括乡村行政界限、居民地、各种注记等辅助要素，但这些要素不作为主要标绘目标，可以尽量简化。而与研究目标相关的一些要素则可作适当的扩充。本研究中电子地图的应用目标为秸秆资源规划，因此设置土地类型、作物种类、秸秆资源、秸秆收储设施等专业要素。

2试验区概况与试验方法

2.1试验区概况

试验区选择江苏省泗洪县车门乡，该乡位于泗洪县城西部、苏皖交界处，总面積84 km2，辖8个行政村，耕地面积占全乡面积的70%以上，有旱田也有水田，水旱分区较明显，土壤类型以砂姜黑土为主。主要农作物为小麦、水稻、玉米、花生、大豆。马公农场坐落境内。

2.2软硬件及其配置

2.2.1绘图软件采用作物实验室软件（Croplab）的地图插件绘图和分析。Croplab是笔者自主研发的作物科研专用软件，其地图插件专用于生产大田和试验小区的地理信息管理，具备农田矢量化、数据采集、空间分析的功能。Croplab运行于Windows系统 .net 4.0框架之下。

2.2.2硬件设备绘制农田电子地图需要较高配置的计算机（CPU 2.0 G以上，内存2 G以上）。本研究应用联想 ThinkCentre 个人计算机，CPU为Intel Core i5四核2.67 G，内存 40 G，操作系统为 Win7 home 版。

田间位置数据采集使用合众思壮UniStrong MG838高精度差分GPS接收机，标称实时差分精度<0.5 m，静态精度为5 mm+1 ppm（平面），支持SBAS和CORS等2种差分模式。

2.3绘图步骤

农田电子地图采用坐标系为2000国家大地坐标系（CGCS2000），坐标单位为度，无投影。绘图分图层及属性设计、源地图矢量化、标记地物属性、符号化4步。

2.3.1图层和属性设计农田电子地图数据以数据库方式存储，每个图层对应一个数据表，参考《土地利用数据库标准》[3]和《第二次全国土地调查技术规程》[4]，结合秸秆资源规划的具体需求设置农田地块、农田道路、农田水系3个基本图层，乡镇界、村界2个辅助图层以及秸秆设施、农田重心等派生图层。每个图层包括唯一性标志、几何数据字段和一些特定的属性。农田地块图层设置计算面积、作物类型、作物产量、秸秆资源量4个属性，根据实际需要可自由增减。

农田地块属性结构

字段名称字段代码字段类型字段长度标识码BSMInt10地类名称DLMCChar60计算面积JSMJFloat15作物类型ZWLXInt6作物产量ZWCLFloat15秸秆资源量JGZYLFloat15网络标识码NIDInt4

农田道路图层设置道路类型、路面类型、车道宽度3个属性。道路类型分公共道路、田间道、生产路、田埂4类。路面类型分水泥和沥青路面、砂石路面、土路3类。车道宽度分宽、中、窄3个等级

农田水系图层为线状图层，面状河流、湖泊、水塘等面状地物取其中轴线化，并保持与连接水系的拓扑关系。水系图层设水系类型属性，包括公共水系、干支沟（渠）、斗渠（沟）、农渠（沟）、毛沟和墒沟等。

表2农田道路属性结构

字段名称字段代码字段类型字段长度标识码BSMInt10道路类型DLLXVar20路面类型LMLXVar20车道宽度CDKDVar2网络标识码NIDInt4

农田水系属性结构

字段名称字段代码字段类型字段长度标识码BSMInt10水系类型SXLXVar20网络标识码NIDInt4

为了实现秸秆资源规划的目的，除基本几何字段外，每个图层增加网络属性，并增加相应的数据表用以存储节点属性。

2.3.2源地图矢量化公众能够得到的天地图数据无论是线划地图还是影像地图都是图像格式，而不是矢量数据，要用于空间分析和规划，必须首先对这些图像格式的地图进行矢量化。

Croplab地图插件针对天地图在农业上的应用开发了相应的功能，主要有：（1）内嵌天地图底图获取模块，并实现国家天地图、天地图·江苏、江苏省内县级天地图数据的整合，无需切换地址就能加载天地图底图。（2）针对农田影像的具体特征开发图像识别程序。分割出包含目标地物的微小区域以作为识别目标，从而降低了图像处理的复杂度，提高了运算效率和识别精度。（3）利用农田道路、水系、田埂等线性地物多为直线、农田田块多为格田或条田的特征，通过曲线拟合将识别精度提高到亚像素级。（4）采用人机结合的半自动化处理方式，先由图像处理模块自动识别特征点，追踪边界，然后建立临时矢量图层，用以显示识别的边界点和追踪得到的道路、河流，当光标靠近这些点和线时自动吸附，再由人工确认识别结果，对错误或偏离的点和线进行纠正。这种人机结合的方法不仅提高了效率和精度，也保证了结果的准确性。

与影像地图相比，天地图线划地图对象较少，结构简单，便于图像识别。因此，矢量化过程按政区、道路、水系、农田的顺序进行。先以线划地图为底图对公共道路和水系进行矢量化，然后以影像地图为底图对田间道、生产路、农渠、农沟等地物矢量化，再以这些线状地物分割包围的区域为目标，提取农田田块的图像进行图像识别，通过人机交互绘制农田图像边界，最后经过修整、抽稀、平滑等后处理完成整个矢量化步骤。

2.3.3标记地物属性农田地物矢量化完成以后，需要對农田要素的属性进行标记。标记的方法主要是影像识别和田间调查。农田地块的地类名称、作物类型属性由田间调查结合影像识别完成。面积属性根据国土办发[2008]32号文件提供的方法计算得到。作物产量和秸秆资源量以样本获得的产量和谷草比估算。农田道路的道路类型、路面类型、车道宽度以及农田水系的水系类型等属性通过外业调查得到。外业调查使用GPS接收机辅助完成。本研究使用UniStrong MG838GPS接收机辅助完成外业调查工作。MG838使用Windows Mobile 6.5操作系统，安装有PocketFarm 1.0软件，把矢量化的地图数据拷贝到MG838，携带到田间进行实地调查标记。

2.3.4符号化为了使农田电子地图的显示风格与天地图和二调成果尽量保持一致，境界与政区、公共道路、公共水系、居民地及相应的注记符号参照《电子地图数据规范》（试行稿-20100125版）设计，农田地类、作物类型、秸秆和秸秆设施参照二调规定的土地分类的符号设计。

2.4发布地图

地图矢量化工作一般在室内进行，矢量地图的验证、修改、地物属性标记工作在田间进行。为实现室内和田间的同步，需要把电子地图数据发布到地图服务器上。

采用OGC-WFS发布农田电子地图矢量数据。地图服务器采用开源的gView Server，经过适当的修改，增加编辑、更新功能。普通用户可通过公共Web页面查询田块面积、种植作物等信息，下载地图数据，授权用户可通过客户端GIS应用程序获取地图及其属性信息，也可通过带有GPS功能的移动客户端在田间查看或编辑修改。

发布地图要注意符合相关法律法规，防止泄密。经过允许精确校正后的矢量数据以及获得的控制点数据除须遵守相关法律法规的规定之外，还要遵守原始数据提供方的保密约定，仅限本单位用于科研或本辖区内作物生产管理使用。

3结果与分析

3.1试验结果

笔者用上述方法绘制了车门乡农田电子地图，主要包括农田地块、农田道路、农田水系和乡村行政界限。图4显示了车门乡农田地块图层及种植的作物类型及其分布。

从试验结果可以看出，在精度要求不高的情况下，如本研究的秸秆资源调查和规划、作物栽培管理、农田污染物迁移分析等领域，基于天地图构建农田电子地图是可行的，该方法简便易行，快速准确，且费用低廉，尤其适用于农村科技推广部门应用。随着天地图的不断更新，分辨率不断提高，底图质量不断改善，这种方法很有应用前景。

3.2误差分析

电子地图的误差指获得的地图要素的坐标观测值与真值之间的差异。

3.2.1误差来源误差主要来源于3个方面：一是数据本身的误差。根据相关法律法规，数据提供方对数据进行了加密处理，降低了地理坐标数据的精度，原始影像经过重采样、校正等处理也会产生误差。二是运算误差。计算机自动矢量化运算过程中采用适宜的精度模型可减少计算误差，但不能完全消除。三是人工识别误差。人眼的识别能力、鼠标的灵敏度、精度等限制都会引入一定的误差。

3.2.2误差检验在区域内有控制点时，可以区域内控制点的实际值为真值，通过静态测量方法对区域内的地形控制点进行检验。在没有控制点的情况下，可以应用JSCORS系统对控制点进行定位检验。JSCORS系统的定位精度可达厘米级，完全能够满足绘制农田电子地图的需要。

如以上条件均不具备，也可以用高精度差分GPS的测量结果作为真值进行检验。高精度差分GPS的定位精度一般小于1 m，本试验采用的GPS定位精度<0.5 m，而农田应用的电子地图要求精度在1 m以下就可以了，因此可以使用差分GPS作为真值粗略计算本方法的绝对定位误差。

参考文献：

[1]周凌云，罗建锋，赵钢，等. 农作物秸秆资源回收物流网络建设[J]. 江苏农业科学，2011，39（1）：474-476，481.

[2]GB/T 13923—2006基础地理信息要素分类与代码[S].

[3]TD/T 1016—2007土地利用数据库标准[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[4]TD/T 1014—2007第二次全国土地调查技术规程[S].