基于無人機遙感的元陽梯田典型灌區渠系結構特征

張兆豪, 宋維峰

(西南林業大學 生態與環境學院, 昆明 650224)

灌溉是影響農業發展的重要因素，良好的灌溉方式可以保證我國糧食安全、帶動農村經濟增長和保障農民收益[1]。我國灌溉水資源的問題越來越嚴重，精準灌溉成為當下的研究熱點。農田灌溉渠系作為灌區輸水的紐帶，通過各級渠系合理的分配灌溉水資源，保障灌區得到充分灌溉。灌渠除了工程自身排灌水的作用,在景觀生態格局上,還起著物質流動、能量循環等作用[2]。研究灌溉渠系的結構特征，準確獲得灌區渠系分布信息，對于實現精準灌溉具有重要的現實意義。

現有研究方法主要采用衛星遙感影像及DEM(數字高程模型)來提取灌區渠系。喬哲賢等[3]采用WorldView-Ⅱ衛星遙感影像來提取渠系，發現對于無水或者少水的溝渠，直接分類提取精度較低，有錯分漏分的情況出現。Caxorzi等[4]利用原始DEM，通過設置不同閾值來提取渠系信息，結果發現該方法會出現多余的地形冗余信息，且DEM數據主要是針對自然水系、溝渠來提取，無法準確提取人工渠系。許迪等[5]利用3種衛星遙感作為數據源來識別灌區農田排灌溝渠，容易受到季節、云層、地形等因素的干擾，識別精度大大降低。與無人機遙感相比，傳統衛星遙感影像由于分辨率較低，很難精確地監測到灌區渠系。無人機憑借其運載便利、靈活性高、作業周期短、影像數據清晰的特點，彌補了傳統遙感影像分辨率不足的缺陷[6-9]。目前國內外針對無人機遙感技術在灌區渠系提取的研究相對較少。元陽梯田作為世界遺產，至今已有1 300多年歷史，梯田至今能保持常年有水，依靠的是其獨特的灌溉系統[10-11]。元陽梯田水稻種植仍使用傳統的農家肥，無需人工搬運，溝渠成為了水稻所需營養物質傳送的紐帶。近年來，由于人類活動加劇，干旱頻發，梯田在灌溉中出現了輸水分配不均等問題，導致部分梯田由水田向旱地轉變，景觀水穩定性降低。合理的渠系結構布置，成為了保障元陽梯田灌溉農業可持續發展，保護梯田文化遺產的關鍵所在。

針對上述問題，本文以元陽梯田全福莊灌區為研究對象，采用無人機遙感技術獲取灌區遙感影像，利用ArcGIS 10.1軟件提取灌溉渠系，通過計算渠系結構參數特征(渠頻數、渠網密度、分維數等)，對全福莊灌區渠系布置的合理性進行研究評價，旨在為元陽梯田下一步的渠系結構布置提供參考數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于云南省紅河州元陽縣全福莊灌區，地理坐標為102°45′28″—102°46′18″E，23°06′01″—23°07′01″N，灌區內海拔1 499～1 844 m。研究區屬亞熱帶山地季風氣候，具有降雨量充足、日照時間長、相對濕度大的特點，年均氣溫14.19℃，年降水量1 375 mm，年均濕度90.3%。受下游河谷水汽蒸發的影響，梯田內終年雨霧環繞，形成了綠色水庫。梯田灌溉水源主要來自梯田上方的水源林，水源林內植被生長茂盛，坑塘發育眾多，形成了山有多高，水有多高的自然景象。研究區溝渠分為自然溝渠和人工溝渠，自然溝渠數量較少但渠頂寬度大于人工溝渠。哈尼族人根據梯田的分布情況，從大的溝渠里面引水出來，再引向梯田進行灌溉，形成一個完整的灌溉網絡系統，由大大小小的溝渠和成百上千層梯田連成了一個整體。本研究在同一時段內實地調查了灌區內3個片區共計90塊梯田，測量其蓄水深度并求平均值，分別為小寨片區14.65 cm，大寨片區18.21 cm，大魚塘片區16.44 cm。

1.2 遙感影像獲取

遙感試驗采用的無人機型號為大疆精靈Phantom4，該無人機組成部分包括飛行器、云臺、視覺系統、遙控器。飛行器重1 350g，最大飛行時間約30 min，相機配備1 240萬像素影像傳感器。無人機飛行前需要布置像控點，目的是為了提高航拍精度。采用Pix4DCapture航線規劃軟件來制定飛行計劃，通過設定航線來確定飛行范圍。設置飛行高度為120 m，影像重疊度為75%。無人機起飛后自動執行任務，任務結束后自動返航，休息15～20 min后再進行下一區域飛行。本次無人機航拍時間為2019年3月，該時段梯田無種植農作物，灌溉渠系特征較為明顯，是解譯的最佳時期。試驗應用Pix4Dmapper軟件來拼接無人機遙感影像圖片，把影像導入該軟件后自動拼接，無需人工干預。拼接完成后可形成高分辨率的正射影像，并加載到地圖中。

1.3 灌溉渠系提取及灌區劃分

本次灌溉渠系提取主要運用ArcGIS 10.1軟件，把拼接完成后的遙感影像導入軟件中，采用人工目視解譯的方法，根據溝渠在遙感影像上表現出來的線性和紋理特征，對灌溉渠系進行初步解譯，通過野外調查對難以識別的溝渠進行更正，在初步解譯和野外調查的基礎上對解譯結果進行完善，最終得到研究區灌溉渠系分布圖(圖1)。由圖1可以看出部分溝渠出現“斷渠”的情況，這是由于哈尼梯田獨特的灌溉方式決定的。哈尼梯田由于層數太多，部分溝渠無法貫穿于梯田，每塊梯田里面都留有進水口和出水口，有的溝渠就修建在梯田出水口處，以田為渠，從梯田出水口引水灌溉。為了方便了解灌溉渠系分布信息，合理分配水資源，把研究區分為由東向西分為3個亞灌區，分別為小寨灌區、大寨灌區、大魚塘灌區。

圖1 灌區渠系提取結果及灌區劃分

1.4 基于Horton定律渠系特征參數特征

灌溉渠系和河系的基本屬性有很大的相似性，可以用Horton河系定律來計算渠系參數特征。借助河系特征參數，對渠系參數結構特征進行量化表征，選取的指標主要包括渠頻數、渠網密度、分支比、長度比、分形維數等指標[12]。

(1) 渠頻數(Rf)：單位灌區面積內渠系的數目。

Rf=N/S

式中：N為灌區內渠系數目；S為灌區總面積(km2)。

(2) 渠網密度(Rd)：單位灌區面積內渠系長度。

Rd=L/S

式中：L為灌區內渠系總長度(km)；S為灌區總面積(km2)。

(3) 分枝比(Rb)；相鄰渠系數目的比值。

Rb=Nm-1/Nm

式中：Nm-1為灌區下一級渠系總數目(個)；Nm為灌區本級渠系總數目(個)。

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(4) 長度比(R1)：相鄰渠系長度的比值。

R1=Lm-1/Lm

式中：Lm-1為灌區下一級渠系長度(km)；Lm為灌區本級渠系長度(km)。

(5) 分形維數：作為灌區渠系最重要的參數特征指標之一。分形維數為渠系結構布置提供了重要的參考依據。本文主要依據平均分枝比(Rb)和平均長度比(R1)采用La Barbera和Rosso公式來計算分形維數D值[13]，其表達式如下。

D=lgRb/lgR1

2 結果與分析

2.1 灌區渠系結構特征

以元陽梯田典型灌區全福莊灌區的無人機遙感影像為基礎資料，按照從灌區源頭引水的次序對渠系進行分級，從源頭直接引水出來的為1級渠系，從1級渠系引水出來的為2級渠系，從2級渠系引水出來的為3級渠系，以此類推下去。利用上述公式來計算灌區渠系結構參數特征，計算結果見表1。

表1 全福莊灌區渠系基本情況

由表1可知，全福莊灌區內渠系級別最高為5級，而且僅在大寨灌區出現5級渠系情況，小寨和大魚塘灌區內渠系級別最高為3級，可能的原因是大寨灌區灌溉面積較大，其渠系分級就越多，渠系結構越復雜。灌區內渠系總量為151條，其中1級渠系24條，2級渠系72條，3級渠系34條，4級渠系13條，5級渠系8條。1級渠系平均長度都在其余渠系長度兩倍以上，1級渠系貫穿于整個灌區中，主要是為了引水和輸水。

渠頻數和渠網密度是衡量渠系結構的重要指標。在相似條件下渠網密度越大，渠道輸水流量越大，對灌區的發展越有利。表1中全福莊亞灌區中的渠頻數和渠網密度都表現出隨著灌區面積的增大，渠頻數和渠網密度都增加的趨勢。其中大寨灌區的面積為1.01 km2，在3個灌區中最大，其相應的渠頻數(73.27條/km2)和渠網密度(24.28 km/km2)也最大，小寨灌區的相對偏小，分別為58.73條/km2，16.92 km/km2，其面積也最小(0.63 km2)。通過實地調查發現，小寨灌區內的灌溉渠系在旱季會出現部分溝渠斷流的情況，而且梯田的蓄水位也要低于其它灌區。造成這種現象的原因可能是：小寨灌區的渠網密度要低于其它灌區，輸水量就有所減少。灌區內灌溉渠系的水源除了來自梯田上方的水源林外，還有部分村寨里面的生活廢水排入，而小寨灌區村寨比其它灌區小，其生活廢水量較其它灌區少。另外大魚塘灌區上部建有小型水庫，把雨季多余的雨水蓄積起來，在旱季的時候又把水放入梯田中，充分利用水資源，保證灌溉。

研究區內的渠系結構特征指標總體上處于一個較高的水平。有研究表明，渠網密度與降雨量呈正相關關系，即一般在降雨量較大的地區，渠網密度也相對較大[14]。研究區多年平均降雨量為1 375 mm，降雨量豐富，與研究區實際情況相符。

2.2 灌區的分形維數

表2 全福莊灌區渠系參數特征及分形維數

把全福莊灌區分為3個亞灌區，但其分支比、長度比、分形維數都不是疊加關系。小寨灌區分支比、長度比、分形維數均在取值范圍內，但分形維數值(1.93)偏低，說明小寨灌區渠系結構比較簡單，在今后的渠系改造中可適當通過提高分支比來增加分維數。大寨灌區的長度比(1.51)偏低，反映出該灌區下一級渠系長度偏低，在保持1級渠系引水長度不變的情況下，應適當增加下一級渠系長度，來增加其長度比。大魚塘灌區的分支比(5.02)略大于現有研究分支比取值范圍，說明大魚塘灌區2級、3級渠系數量偏多，可通過適當增加1級渠系或減少2級、3級渠系來降低其分支比。

2.3 渠系級別與渠系數目、渠系平均長度的關系

通過對全福莊及其亞灌區渠系級別與渠系數目、渠系平均長度的關系進行分析做圖2和圖3，分析其變化規律。

圖2 渠系級別與渠系數目的關系

圖3 渠系級別與渠系平均長度的關系

由圖2可知，無論是全福莊總灌區還是其亞灌區，其渠系級別與渠系數目都呈現出1級渠系到2級渠系成倍增長然后又緩慢下降的趨勢，而且渠系級別越多，其渠系總數量就越多。2級渠系占了全福莊灌區總量的48%，因為1級渠系主要負責從水源處引水和接納梯田出水口處的排水，2級渠系負責對1級渠系的水量進行再分配，保證其充分灌溉到各塊梯田中，由此可見，2級渠系在全福莊灌區水量分配中起著控制性作用。在今后的渠系改造和維修中，應更加注重2級渠系的發展狀況。

由圖3可知，灌區內隨著渠系級別的增加，渠系平均長度呈現逐級遞減的趨勢。大寨灌區的各級渠系平均長度都要大于其它灌區，原因是大寨灌區控制的灌溉面積較大，輸水的距離較長，其渠系平均長度也就越長，反之小寨灌區由于灌溉面積較小，其需要的輸水距離就短，渠系平均長度也就越短。

2.4 分形維數與灌溉面積的關系

對全福莊及其亞灌區的灌溉面積與分形維數關系進行分析，繪制了圖4。從圖4各灌區灌溉面積與分形維數關系可以看出，灌區灌溉面積越大，其分形維數越大。全福莊灌區的灌溉面積為2.31 km2，分形維數為4.72，甚至超過了Horton河系定律的合理取值范圍。因為灌溉面積越大，越需要豐富的渠系結構作為保障，其渠系結構就越復雜[15]。渠系的分形維數總體上可以反映灌區渠系復雜程度，渠系分維值越大，渠系復雜程度越高，渠系對于灌區的填滿程度就越高。正是如此高密度和復雜的渠系結構才維持了元陽梯田終年淹水的機制。

圖4 分形維數與灌溉面積的關系

3 結 論

(1) 采用無人機低空遙感技術獲取元陽梯田全福莊灌區的遙感影像，利用ArcGIS 10.1軟件提取灌溉渠系，精確得到了灌區渠系結構布置圖，彌補了傳統遙感影像精度的不足，大大提高了灌區渠系識別的精度和效率，實現了農田灌溉渠系的信息化管理，節約了人力、財力，是傳統與現代、宏觀與微觀的結合。研究方法可行性強，研究結果可為元陽梯田今后渠系布置提供一定的參考價值。

(2) 為了合理分配水源，把全福莊灌區分為3個亞灌區，采用Horton河系定律分別計算灌區的渠系結構參數特征，結果發現1級渠系和2級渠系對梯田的灌溉作用最大，小寨灌區的渠頻數(58.73條/km2)、渠網密度(16.92 km/km2)、分形維數(1.93)都要略低于其它灌區。研究結論認為在雨季水量充分的條件下可通過提高分支比(即提高下一級渠系數量)來增加分形維數，或是在旱季水量不足的條件下可通過從大寨灌區引水的方式來增加梯田蓄水量，該結論可以為梯田的渠系改造工作提供理論支撐。

(3) 灌區灌溉面積越大，分形維數越大，通過實際測量發現其梯田蓄水深度也越深。對于元陽梯田的一些小灌區，要維持終年淹水的機制，在下一步的渠系改造中可通過適當提高分形維數來滿足灌溉。

(4) 在灌區渠系提取方法中，人工目視解譯的方法太過于傳統，在下一步的改進中可采用新的技術方法，如面向對象法、監督分類方法和改進霍夫變換法等。本文僅從渠系空間結構特征方面對研究區灌溉渠系布置進行了分析，在今后的研究中應尋求其它的影響因素來進行分析，以發揮灌溉渠系的最大效益。