農田水利工程中地形測量技術的優化與實踐研究

摘 要：地形測量技術在農田水利工程中起著至關重要的作用，測量結果直接影響工程的設計與施工質量。目前，傳統的地形測量方法存在效率和精度上的局限性，無法完全滿足現代農田水利工程日益復雜的需求。通過對高分辨率衛星影像、無人機航測、三維激光掃描和移動GIS平臺等現代測量技術的應用分析，提出了多種優化方案，并結合具體實踐案例，驗證方案的有效性，為農田水利工程的可持續發展提供了一定程度的參考與借鑒。

關鍵詞：農田水利工程；地形測量；技術優化；實踐研究

中圖分類號：S29 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）16-145-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.16.033

0 引言

農田水利工程作為農業生產重要的基礎設施，其施工質量關系到水資源的合理利用、農業產量的提高及生態環境的保護。地形測量是決定農田水利工程施工質量的重要環節之一。然而，隨著實際需求的提高，傳統地形測量技術的局限性日益凸顯，測量精度不高、數據處理效率低下等問題制約了工程項目的進展。與此同時，現代科技的快速發展使地形測量技術實現了新的突破，高分辨率衛星影像、無人機航測、三維激光掃描等技術的引入，為農田水利工程提供了更為精準、快捷的測量解決方案。尤其在復雜地形和極端天氣條件下，這些技術更顯出其獨特的優勢。然而，技術需要結合實際工程環境進行優化和調整，以確保測量結果的可靠性和有效性。基于此，深入分析不同地形測量技術的優勢與局限，結合具體案例的實踐經驗，提出了幾種地形測量技術的優化方案，分析了其在農田水利工程中的應用前景。

1 農田水利工程中地形測量技術的應用與發展

1.1 傳統地形測量技術的應用

在農田水利工程中，傳統的地形測量技術主要依賴于水準儀和全站儀等測量工具。水準儀通過測量視距和高差來提供地形高程數據；全站儀則整合了角度和距離測量功能，用于精確的平面與高程測量。這些工具在過去的工程中廣泛應用，具備一定的精度和可靠性，但其局限性也十分明顯。首先，傳統設備依賴人工操作，工作效率較低，尤其在大面積測量或復雜地形中，測量周期較長。其次，測量數據的獲取和處理較為繁瑣，難以快速生成三維地形模型，且容易受操作人員經驗和環境因素的影響［1］。

1.2 現代地形測量技術的發展

隨著科技的進步，全球導航衛星系統（Global Navigation Satellien Satelliten System，GNSS）、無人機遙感和激光雷達等現代地形測量技術在農田水利工程中的應用愈加廣泛。這些技術大幅提升了測量精度和效率。GNSS能夠提供高精度的全球定位數據，使測量工作更具有便捷性和準確性。無人機遙感技術通過航測獲取大范圍的高分辨率影像，結合地理信息系統，可以快速生成三維地形圖，極大提高了測量的效率。激光雷達技術則通過激光束掃描，能夠精確捕捉復雜地形的三維結構，尤其在植被覆蓋或地形復雜的區域，展現出了強大的技術優勢。這些現代技術不僅能夠減少測量過程中的人為誤差，還能在極短的時間內完成大面積的測量任務，為農田水利工程的規劃和施工提供更為精準的數據支持，推動了整個工程測量領域的進步。

2 基于新技術的地形測量優化方案

2.1 高分辨率衛星影像與無人機航測相結合的應用探索

在農田水利工程的地形測量中，高分辨率衛星影像與無人機航測技術相結合，為大范圍地形數據的高效獲取提供了強大的技術支持。衛星影像具有覆蓋范圍廣、空間分辨率高的優勢，可在短時間內獲取大面積的地形數據。然而，衛星影像由于受大氣干擾和分辨率限制，難以滿足局部區域高精度測量的要求［2］。無人機航測作為一種靈活性強、分辨率高的測量手段，可以對衛星影像中的關鍵區域進行補充，尤其在小面積復雜地形測量中具有明顯的優勢。

將兩者結合的地形測量技術流程通常包括：先利用高分辨率衛星影像進行大面積的初步測量，生成地形初步模型，然后利用無人機航測對重點區域進行精細化掃描，生成高精度的三維地形數據。這種結合模式在效率和精度上都有顯著提升，既能保持大范圍覆蓋優勢，又能通過無人機航測的高分辨率數據進行細節補充。

測量數據可以通過數字高程模型公式進行處理，具體公式見式（1）：

2.2 移動GIS平臺支持下的現場快速采集與實時處理技術

在農田水利工程的地形測量中，移動地理信息系統（Geographic Information System GIS）平臺的應用能夠極大地提高現場數據采集的速度和實時處理的能力。移動GIS平臺結合了地理信息系統和全球定位系統的技術優勢，能夠通過手持設備或移動終端，在現場快速獲取地形數據并進行初步處理，實現數據的實時傳輸和共享［3］。

通過移動GIS平臺，工程人員可以在測量過程中快速獲取數字地形圖，能夠實時校準和優化采集數據的目的，減少了后期數據處理的工作量。

2.3 三維激光掃描儀在復雜地形區域的應用

三維激光掃描儀在復雜地形區域能夠展現其強大的測量能力。該技術通過激光束對地形進行高密度掃描，快速捕捉大量的三維坐標點，生成點云數據，能夠精確還原復雜地形的真實情況［4］。

在農田水利工程中，三維激光掃描儀不僅能夠應對復雜多變的地形，還能在短時間內生成精確的三維地形數據，極大提高了測量效率和結果的精確度，為復雜地形的工程設計和規劃提供了重要支持。

2.4 數據融合與智能算法輔助下的高效信息提取流程

在農田水利工程的地形測量中，數據融合與智能算法的應用能夠顯著提高信息提取的效率和精度。將衛星影像、無人機航測數據、激光雷達點云數據等多源數據進行融合處理，能夠得到更加全面的地形信息。智能算法，尤其是機器學習與深度學習技術的引入，能夠自動化分析和處理這些海量數據，提取出高精度的地形模型，減少了傳統人工分析中可能存在的誤差［5］。

3 地形測量技術的實踐應用與成效分析

3.1 某農田水利工程中的技術優化實踐

項目位于我國華北地區，旨在改善當地的農田灌溉系統，涵蓋土地平整和水利設施建設。該地區地勢起伏不大，但長期農業活動導致地塊不均，精確測量是確保灌溉系統有效運行的關鍵。項目初期，采用傳統測量技術，但數據精度不足，無法為灌溉系統設計提供依據。因此，項目團隊決定引入現代地形測量技術，包括RTK-GNSS和無人機航測，以提高測量精度和效率［6］。

首先，使用RTK-GNSS技術進行初步測量，獲取大范圍的地形高程數據。實時動態載波相位差分技術（Real-time Kinematic RTK）結合了GNSS的高精度定位與實時動態校正，能夠在短時間內生成精度達厘米級的地形數據。隨后，利用無人機航測對關鍵區域進行詳細的三維地形掃描，捕捉細微的地形變化。無人機搭載高分辨率攝像頭，飛行高度設定在100m以內，確保數據的高精度。在數據采集完成后，采用數字高程模型和地理信息系統軟件對采集數據進行整合，通過三角網插值算法生成精準的三維地形模型。

通過插值算法，生成的地形高程為85.38 m。該過程適用于整個測量區域的數據融合，通過GIS軟件對所有測量點的數據進行整合，生成高精度的三維地形模型，為農田水利工程的設計和施工提供精準的數據支持。

3.2 成效分析

在測量技術優化前，傳統測量方式的測量誤差為±15 cm，測量時間較長且難以覆蓋大范圍區域。采用RTK-GNSS和無人機航測技術后，數據精度顯著提升，誤差縮小至±3 cm，測量效率提高了50%以上，整個項目測量時間減少了約40%。此外，生成的三維地形圖為灌溉設計提供了更加可靠的基礎數據，使水資源的分配更加精準，減少了灌溉盲區。測量技術成效分析的具體數據如表1。

現代測量技術，在短時間內獲取高精度、大范圍地形數據的優勢較為突出。這一技術優化方案的實施不僅能夠降低成本，而且顯著提高項目的整體效率和精準度，能為類似工程項目提供可參考的實踐經驗。

4 地形測量技術的應用場景拓展與挑戰應對

4.1 復雜地形環境下的測量技術改進

在農田水利工程施工中，較為復雜的地形（如山地、丘陵等）給地形測量工作帶來了極大的挑戰。這些區域一般具備地形起伏大、植被覆蓋密集等特點，傳統的測量手段往往難以應對，無法提供高精度的測量數據。鑒于此背景，現代地形測量技術應進行具有針對性的優化，以適應多樣化的測量需求。對于這些不規則的地形環境，具體可以采用以下幾種技術方案改進措施。

首先，激光雷達技術是應對復雜地形的有效手段。激光雷達通過激光掃描生成高密度點云，能夠穿透植被，獲取精確的地形數據，特別是在起伏較大的地形條件下表現出色。與傳統的全站儀測量相比激光雷達技術不僅能夠縮短測量時間，還能提供更加精細的三維地形模型。

其次，采用多源數據融合技術進一步優化復雜地形的測量。將激光雷達技術數據與GNSS、無人機航測、衛星影像等多源數據結合，利用加權插值等算法實現多源信息的融合，能夠有效彌補單一測量手段的局限性，獲得更加精準的地形模型。

4.2 應對氣候變化和極端天氣的測量技術提升

隨著全球氣候變化和極端天氣頻發，農田水利工程中的地形測量工作面臨新的挑戰。暴雨、強風等極端天氣條件對測量設備的穩定性和數據的準確性提出了更高的要求。

首先，針對極端天氣條件下的測量工作，設備選型尤為重要。無人機航測技術在強風環境下容易受到影響，因此可以引入具備抗風性能的固定翼無人機。相比于傳統的多旋翼無人機，固定翼無人機飛行更穩定，可以在強風中保持較高精度的飛行軌跡。同時，激光雷達設備應具備防水、防塵設計，以確保在暴雨和高濕環境下正常工作。

其次，數據處理流程的優化也是提升穩定性的關鍵。在極端天氣條件下，測量數據可能存在不穩定問題，因此需要采用數據濾波和修正技術，剔除噪聲和誤差。例如，采用卡爾曼濾波算法對測量數據進行實時修正，確保在數據波動較大時，仍能獲得較為穩定的地形模型。

最后，測量技術的智能化發展也能有效應對極端天氣的挑戰。通過引入人工智能算法對氣象條件進行實時監測，測量設備可以根據氣象變化進行自動調整，如自動避開強風區域或在數據不穩定時自動調整測量頻率。這種智能化的測量技術不僅提高了測量結果的準確性，也增強了設備在極端環境下的適應能力。

5 地形測量技術的優化成效

通過對多種地形測量技術方案的優化實踐，水利工程測量技術在精度、效率和成本方面均實現顯著提升。首先，采用RTK-GNSS、無人機航測和激光雷達等現代測量技術，測量誤差從傳統方法的±15 cm降至±3 cm，精度大幅提高，能夠確保復雜地形條件下的精確數據獲取。其次，在測量效率上，結合無人機和激光雷達技術的多源數據采集方式，顯著擴大了覆蓋范圍和提升了采集速度，實現了更大范圍和更復雜地形的高效覆蓋，工程項目整體的測量周期縮短了約40%，工作效率提升了50%以上。特別是在山地、丘陵等地形條件下，這些技術的快速響應能力有效降低了時間成本［7］。

從成本方面而言，盡管前期需要投入先進設備，但由于高效的數據處理能力和自動化程度的提高，大大減少了人工干預，使得整體項目成本降低了約30%。

優化成效不僅體現在工程實施階段，還在數據管理和后期分析中展現了出來。數字高程模型等技術的引入，使得測量數據能夠直接應用于工程設計和后期維護，減少了后續施工中數據修正和二次測量的需求，極大提升了工程的整體效益和可靠性。

6 結束語

在農田水利工程建設中，合理選擇地形測量技術方案可以為農田水利工程項目實施提供較為全面的技術保障。在工程項目實施中引入現代化的測量工具與智能算法，能夠突破傳統測量方式的局限性，使精準度和效率均得到顯著提升。隨著智能化、大數據和綠色測量技術的不斷發展，地形測量技術將朝著更加自動化、環保化和高效化的方向邁進。地形測量技術的變革和應用擴展，將為我國農業水利建設和糧食安全保障提供更好的技術支持。

參考文獻：

［1］李海洲，無人機航測技術在古帽竇電排站工程地形測量中的應用［J］.陜西水利，2024（7）：135-137.

［2］馮志偉.無人機傾斜攝影技術在水利工程周邊地形勘探中的應用［J］.水利科技與經濟，2023，29（8）：113-117.

［3］成喆，戴學昆.GPS-RTK測量技術在水利工程竣工檢測中的應用［J］.海河水利，2024（6）：79-82.

［4］周琮輝.無人機低空攝影測量技術在水利工程測量中的應用探究［J］.科學與信息化，2023（12）：75-78.

［5］胡鳳華.GPS-RTK技術在農田水利工程測量中的應用［J］.農業工程技術，2022，42（21）：43-44.

［6］孫磊.農田水利工程測量中GPS-RTK技術的應用研究［J］.地礦測繪，2022，5（5）：10-12.

［7］杜蒙蒙，劉穎超，姬江濤，等.基于無人機與激光測距技術的農田地形測繪［J］.農業工程學報，2020，36（22）：60-67.