基于無人機(jī)遙感的元陽梯田典型灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)特征

張兆豪, 宋維峰

(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224)

灌溉是影響農(nóng)業(yè)發(fā)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(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長和保障農(nóng)民收益[1]。我國灌溉水資源的問題越來越嚴(yán)重，精準(zhǔn)灌溉成為當(dāng)下的研究熱點。農(nóng)田灌溉渠系作為灌區(qū)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(qū)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(tài)格局上,還起著物質(zhì)流動、能量循環(huán)等作用[2]。研究灌溉渠系的結(jié)構(gòu)特征，準(zhǔn)確獲得灌區(qū)渠系分布信息，對于實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)有研究方法主要采用衛(wèi)星遙感影像及DEM(數(shù)字高程模型)來提取灌區(qū)渠系。喬哲賢等[3]采用WorldView-Ⅱ衛(wèi)星遙感影像來提取渠系，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。Caxorzi等[4]利用原始DEM，通過設(shè)置不同閾值來提取渠系信息，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法會出現(xiàn)多余的地形冗余信息，且DEM數(shù)據(jù)主要是針對自然水系、溝渠來提取，無法準(zhǔn)確提取人工渠系。許迪等[5]利用3種衛(wèi)星遙感作為數(shù)據(jù)源來識別灌區(qū)農(nóng)田排灌溝渠，容易受到季節(jié)、云層、地形等因素的干擾，識別精度大大降低。與無人機(jī)遙感相比，傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像由于分辨率較低，很難精確地監(jiān)測到灌區(qū)渠系。無人機(jī)憑借其運載便利、靈活性高、作業(yè)周期短、影像數(shù)據(jù)清晰的特點，彌補了傳統(tǒng)遙感影像分辨率不足的缺陷[6-9]。目前國內(nèi)外針對無人機(jī)遙感技術(shù)在灌區(qū)渠系提取的研究相對較少。元陽梯田作為世界遺產(chǎn)，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(tǒng)[10-11]。元陽梯田水稻種植仍使用傳統(tǒng)的農(nóng)家肥，無需人工搬運，溝渠成為了水稻所需營養(yǎng)物質(zhì)傳送的紐帶。近年來，由于人類活動加劇，干旱頻發(fā)，梯田在灌溉中出現(xiàn)了輸水分配不均等問題，導(dǎo)致部分梯田由水田向旱地轉(zhuǎn)變，景觀水穩(wěn)定性降低。合理的渠系結(jié)構(gòu)布置，成為了保障元陽梯田灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)梯田文化遺產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

針對上述問題，本文以元陽梯田全福莊灌區(qū)為研究對象，采用無人機(jī)遙感技術(shù)獲取灌區(qū)遙感影像，利用ArcGIS 10.1軟件提取灌溉渠系，通過計算渠系結(jié)構(gòu)參數(shù)特征(渠頻數(shù)、渠網(wǎng)密度、分維數(shù)等)，對全福莊灌區(qū)渠系布置的合理性進(jìn)行研究評價，旨在為元陽梯田下一步的渠系結(jié)構(gòu)布置提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于云南省紅河州元陽縣全福莊灌區(qū)，地理坐標(biāo)為102°45′28″—102°46′18″E，23°06′01″—23°07′01″N，灌區(qū)內(nèi)海拔1 499～1 844 m。研究區(qū)屬亞熱帶山地季風(fēng)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(fā)的影響，梯田內(nèi)終年雨霧環(huán)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(nèi)植被生長茂盛，坑塘發(fā)育眾多，形成了山有多高，水有多高的自然景象。研究區(qū)溝渠分為自然溝渠和人工溝渠，自然溝渠數(shù)量較少但渠頂寬度大于人工溝渠。哈尼族人根據(jù)梯田的分布情況，從大的溝渠里面引水出來，再引向梯田進(jìn)行灌溉，形成一個完整的灌溉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，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(nèi)實地調(diào)查了灌區(qū)內(nèi)3個片區(qū)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(qū)14.65 cm，大寨片區(qū)18.21 cm，大魚塘片區(qū)16.44 cm。

1.2 遙感影像獲取

遙感試驗采用的無人機(jī)型號為大疆精靈Phantom4，該無人機(jī)組成部分包括飛行器、云臺、視覺系統(tǒng)、遙控器。飛行器重1 350g，最大飛行時間約30 min，相機(jī)配備1 240萬像素影像傳感器。無人機(jī)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(guī)劃軟件來制定飛行計劃，通過設(shè)定航線來確定飛行范圍。設(shè)置飛行高度為120 m，影像重疊度為75%。無人機(jī)起飛后自動執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后自動返航，休息15～20 min后再進(jìn)行下一區(qū)域飛行。本次無人機(jī)航拍時間為2019年3月，該時段梯田無種植農(nóng)作物，灌溉渠系特征較為明顯，是解譯的最佳時期。試驗應(yīng)用Pix4Dmapper軟件來拼接無人機(jī)遙感影像圖片，把影像導(dǎo)入該軟件后自動拼接，無需人工干預(yù)。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(qū)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(dǎo)入軟件中，采用人工目視解譯的方法，根據(jù)溝渠在遙感影像上表現(xiàn)出來的線性和紋理特征，對灌溉渠系進(jìn)行初步解譯，通過野外調(diào)查對難以識別的溝渠進(jìn)行更正，在初步解譯和野外調(diào)查的基礎(chǔ)上對解譯結(jié)果進(jìn)行完善，最終得到研究區(qū)灌溉渠系分布圖(圖1)。由圖1可以看出部分溝渠出現(xiàn)“斷渠”的情況，這是由于哈尼梯田獨特的灌溉方式?jīng)Q定的。哈尼梯田由于層數(shù)太多，部分溝渠無法貫穿于梯田，每塊梯田里面都留有進(jìn)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(qū)分為由東向西分為3個亞灌區(qū)，分別為小寨灌區(qū)、大寨灌區(qū)、大魚塘灌區(qū)。

圖1 灌區(qū)渠系提取結(jié)果及灌區(qū)劃分

1.4 基于Horton定律渠系特征參數(shù)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(shù)特征。借助河系特征參數(shù)，對渠系參數(shù)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行量化表征，選取的指標(biāo)主要包括渠頻數(shù)、渠網(wǎng)密度、分支比、長度比、分形維數(shù)等指標(biāo)[12]。

(1) 渠頻數(shù)(Rf)：單位灌區(qū)面積內(nèi)渠系的數(shù)目。

Rf=N/S

式中：N為灌區(qū)內(nèi)渠系數(shù)目；S為灌區(qū)總面積(km2)。

(2) 渠網(wǎng)密度(Rd)：單位灌區(qū)面積內(nèi)渠系長度。

Rd=L/S

式中：L為灌區(qū)內(nèi)渠系總長度(km)；S為灌區(qū)總面積(km2)。

(3) 分枝比(Rb)；相鄰渠系數(shù)目的比值。

Rb=Nm-1/Nm

式中：Nm-1為灌區(qū)下一級渠系總數(shù)目(個)；Nm為灌區(qū)本級渠系總數(shù)目(個)。

作為一家全球性的集團(tuán)公司，Walter主要研發(fā)、生產(chǎn)和銷售用于金屬加工的精密刀具。品牌Walter是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金和PCD刀具系統(tǒng)生產(chǎn)商；品牌Walter Titex是高速鋼和整體硬質(zhì)合金鉆頭及鉸刀生產(chǎn)商；品牌Walter Prototyp以高速鋼、整體硬質(zhì)合金螺紋加工刀具和銑刀而聞名；Walter Valenite提供可轉(zhuǎn)位車刀片、鉆頭、銑刀和高技術(shù)含量的MODCO品牌非標(biāo)刀具。

(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(qū)下一級渠系長度(km)；Lm為灌區(qū)本級渠系長度(km)。

(5) 分形維數(shù)：作為灌區(qū)渠系最重要的參數(shù)特征指標(biāo)之一。分形維數(shù)為渠系結(jié)構(gòu)布置提供了重要的參考依據(jù)。本文主要依據(jù)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(shù)D值[13]，其表達(dá)式如下。

D=lgRb/lgR1

2 結(jié)果與分析

2.1 灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)特征

以元陽梯田典型灌區(qū)全福莊灌區(qū)的無人機(jī)遙感影像為基礎(chǔ)資料，按照從灌區(qū)源頭引水的次序?qū)η颠M(jìn)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(qū)渠系結(jié)構(gòu)參數(shù)特征，計算結(jié)果見表1。

表1 全福莊灌區(qū)渠系基本情況

由表1可知，全福莊灌區(qū)內(nèi)渠系級別最高為5級，而且僅在大寨灌區(qū)出現(xiàn)5級渠系情況，小寨和大魚塘灌區(qū)內(nèi)渠系級別最高為3級，可能的原因是大寨灌區(qū)灌溉面積較大，其渠系分級就越多，渠系結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。灌區(qū)內(nèi)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(qū)中，主要是為了引水和輸水。

渠頻數(shù)和渠網(wǎng)密度是衡量渠系結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。在相似條件下渠網(wǎng)密度越大，渠道輸水流量越大，對灌區(qū)的發(fā)展越有利。表1中全福莊亞灌區(qū)中的渠頻數(shù)和渠網(wǎng)密度都表現(xiàn)出隨著灌區(qū)面積的增大，渠頻數(shù)和渠網(wǎng)密度都增加的趨勢。其中大寨灌區(qū)的面積為1.01 km2，在3個灌區(qū)中最大，其相應(yīng)的渠頻數(shù)(73.27條/km2)和渠網(wǎng)密度(24.28 km/km2)也最大，小寨灌區(qū)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，小寨灌區(qū)內(nèi)的灌溉渠系在旱季會出現(xiàn)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(qū)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：小寨灌區(qū)的渠網(wǎng)密度要低于其它灌區(qū)，輸水量就有所減少。灌區(qū)內(nèi)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(qū)村寨比其它灌區(qū)小，其生活廢水量較其它灌區(qū)少。另外大魚塘灌區(qū)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(qū)內(nèi)的渠系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)總體上處于一個較高的水平。有研究表明，渠網(wǎng)密度與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，即一般在降雨量較大的地區(qū)，渠網(wǎng)密度也相對較大[14]。研究區(qū)多年平均降雨量為1 375 mm，降雨量豐富，與研究區(qū)實際情況相符。

2.2 灌區(qū)的分形維數(shù)

表2 全福莊灌區(qū)渠系參數(shù)特征及分形維數(shù)

把全福莊灌區(qū)分為3個亞灌區(qū)，但其分支比、長度比、分形維數(shù)都不是疊加關(guān)系。小寨灌區(qū)分支比、長度比、分形維數(shù)均在取值范圍內(nèi)，但分形維數(shù)值(1.93)偏低，說明小寨灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)比較簡單，在今后的渠系改造中可適當(dāng)通過提高分支比來增加分維數(shù)。大寨灌區(qū)的長度比(1.51)偏低，反映出該灌區(qū)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(yīng)適當(dāng)增加下一級渠系長度，來增加其長度比。大魚塘灌區(qū)的分支比(5.02)略大于現(xiàn)有研究分支比取值范圍，說明大魚塘灌區(qū)2級、3級渠系數(shù)量偏多，可通過適當(dāng)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(shù)目、渠系平均長度的關(guān)系

通過對全福莊及其亞灌區(qū)渠系級別與渠系數(shù)目、渠系平均長度的關(guān)系進(jìn)行分析做圖2和圖3，分析其變化規(guī)律。

圖2 渠系級別與渠系數(shù)目的關(guān)系

圖3 渠系級別與渠系平均長度的關(guān)系

由圖2可知，無論是全福莊總灌區(qū)還是其亞灌區(qū)，其渠系級別與渠系數(shù)目都呈現(xiàn)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(shù)量就越多。2級渠系占了全福莊灌區(qū)總量的48%，因為1級渠系主要負(fù)責(zé)從水源處引水和接納梯田出水口處的排水，2級渠系負(fù)責(zé)對1級渠系的水量進(jìn)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(qū)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(yīng)更加注重2級渠系的發(fā)展?fàn)顩r。

由圖3可知，灌區(qū)內(nèi)隨著渠系級別的增加，渠系平均長度呈現(xiàn)逐級遞減的趨勢。大寨灌區(qū)的各級渠系平均長度都要大于其它灌區(qū)，原因是大寨灌區(qū)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(qū)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(shù)與灌溉面積的關(guān)系

對全福莊及其亞灌區(qū)的灌溉面積與分形維數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析，繪制了圖4。從圖4各灌區(qū)灌溉面積與分形維數(shù)關(guān)系可以看出，灌區(qū)灌溉面積越大，其分形維數(shù)越大。全福莊灌區(qū)的灌溉面積為2.31 km2，分形維數(shù)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(jié)構(gòu)作為保障，其渠系結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜[15]。渠系的分形維數(shù)總體上可以反映灌區(qū)渠系復(fù)雜程度，渠系分維值越大，渠系復(fù)雜程度越高，渠系對于灌區(qū)的填滿程度就越高。正是如此高密度和復(fù)雜的渠系結(jié)構(gòu)才維持了元陽梯田終年淹水的機(jī)制。

圖4 分形維數(shù)與灌溉面積的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 采用無人機(jī)低空遙感技術(shù)獲取元陽梯田全福莊灌區(qū)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(qū)渠系結(jié)構(gòu)布置圖，彌補了傳統(tǒng)遙感影像精度的不足，大大提高了灌區(qū)渠系識別的精度和效率，實現(xiàn)了農(nóng)田灌溉渠系的信息化管理，節(jié)約了人力、財力，是傳統(tǒng)與現(xiàn)代、宏觀與微觀的結(jié)合。研究方法可行性強(qiáng)，研究結(jié)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(qū)分為3個亞灌區(qū)，采用Horton河系定律分別計算灌區(qū)的渠系結(jié)構(gòu)參數(shù)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1級渠系和2級渠系對梯田的灌溉作用最大，小寨灌區(qū)的渠頻數(shù)(58.73條/km2)、渠網(wǎng)密度(16.92 km/km2)、分形維數(shù)(1.93)都要略低于其它灌區(qū)。研究結(jié)論認(rèn)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(shù)量)來增加分形維數(shù)，或是在旱季水量不足的條件下可通過從大寨灌區(qū)引水的方式來增加梯田蓄水量，該結(jié)論可以為梯田的渠系改造工作提供理論支撐。

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

(4) 在灌區(qū)渠系提取方法中，人工目視解譯的方法太過于傳統(tǒng)，在下一步的改進(jìn)中可采用新的技術(shù)方法，如面向?qū)ο蠓?、監(jiān)督分類方法和改進(jìn)霍夫變換法等。本文僅從渠系空間結(jié)構(gòu)特征方面對研究區(qū)灌溉渠系布置進(jìn)行了分析，在今后的研究中應(yīng)尋求其它的影響因素來進(jìn)行分析，以發(fā)揮灌溉渠系的最大效益。