農(nóng)田水利工程中地形測量技術(shù)的優(yōu)化與實(shí)踐研究

摘 要：地形測量技術(shù)在農(nóng)田水利工程中起著至關(guān)重要的作用，測量結(jié)果直接影響工程的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。目前，傳統(tǒng)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(xiàn)代農(nóng)田水利工程日益復(fù)雜的需求。通過對高分辨率衛(wèi)星影像、無人機(jī)航測、三維激光掃描和移動GIS平臺等現(xiàn)代測量技術(shù)的應(yīng)用分析，提出了多種優(yōu)化方案，并結(jié)合具體實(shí)踐案例，驗(yàn)證方案的有效性，為農(nóng)田水利工程的可持續(xù)發(fā)展提供了一定程度的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利工程；地形測量；技術(shù)優(yōu)化；實(shí)踐研究

中圖分類號：S29 文獻(xiàn)標(biāo)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(nóng)田水利工程作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其施工質(zhì)量關(guān)系到水資源的合理利用、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提高及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。地形測量是決定農(nóng)田水利工程施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。然而，隨著實(shí)際需求的提高，傳統(tǒng)地形測量技術(shù)的局限性日益凸顯，測量精度不高、數(shù)據(jù)處理效率低下等問題制約了工程項(xiàng)目的進(jìn)展。與此同時，現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使地形測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新的突破，高分辨率衛(wèi)星影像、無人機(jī)航測、三維激光掃描等技術(shù)的引入，為農(nóng)田水利工程提供了更為精準(zhǔn)、快捷的測量解決方案。尤其在復(fù)雜地形和極端天氣條件下，這些技術(shù)更顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，技術(shù)需要結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以確保測量結(jié)果的可靠性和有效性。基于此，深入分析不同地形測量技術(shù)的優(yōu)勢與局限，結(jié)合具體案例的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了幾種地形測量技術(shù)的優(yōu)化方案，分析了其在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用前景。

1 農(nóng)田水利工程中地形測量技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)地形測量技術(shù)的應(yīng)用

在農(nóng)田水利工程中，傳統(tǒng)的地形測量技術(shù)主要依賴于水準(zhǔn)儀和全站儀等測量工具。水準(zhǔn)儀通過測量視距和高差來提供地形高程數(shù)據(jù)；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(yīng)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(tǒng)設(shè)備依賴人工操作，工作效率較低，尤其在大面積測量或復(fù)雜地形中，測量周期較長。其次，測量數(shù)據(jù)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(jīng)驗(yàn)和環(huán)境因素的影響［1］。

1.2 現(xiàn)代地形測量技術(shù)的發(fā)展

隨著科技的進(jìn)步，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellien Satelliten System，GNSS）、無人機(jī)遙感和激光雷達(dá)等現(xiàn)代地形測量技術(shù)在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用愈加廣泛。這些技術(shù)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(shù)據(jù)，使測量工作更具有便捷性和準(zhǔn)確性。無人機(jī)遙感技術(shù)通過航測獲取大范圍的高分辨率影像，結(jié)合地理信息系統(tǒng)，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(dá)技術(shù)則通過激光束掃描，能夠精確捕捉復(fù)雜地形的三維結(jié)構(gòu)，尤其在植被覆蓋或地形復(fù)雜的區(qū)域，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢。這些現(xiàn)代技術(shù)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(nèi)完成大面積的測量任務(wù)，為農(nóng)田水利工程的規(guī)劃和施工提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，推動了整個工程測量領(lǐng)域的進(jìn)步。

2 基于新技術(shù)的地形測量優(yōu)化方案

2.1 高分辨率衛(wèi)星影像與無人機(jī)航測相結(jié)合的應(yīng)用探索

在農(nóng)田水利工程的地形測量中，高分辨率衛(wèi)星影像與無人機(jī)航測技術(shù)相結(jié)合，為大范圍地形數(shù)據(jù)的高效獲取提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。衛(wèi)星影像具有覆蓋范圍廣、空間分辨率高的優(yōu)勢，可在短時間內(nèi)獲取大面積的地形數(shù)據(jù)。然而，衛(wèi)星影像由于受大氣干擾和分辨率限制，難以滿足局部區(qū)域高精度測量的要求［2］。無人機(jī)航測作為一種靈活性強(qiáng)、分辨率高的測量手段，可以對衛(wèi)星影像中的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，尤其在小面積復(fù)雜地形測量中具有明顯的優(yōu)勢。

將兩者結(jié)合的地形測量技術(shù)流程通常包括：先利用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行大面積的初步測量，生成地形初步模型，然后利用無人機(jī)航測對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化掃描，生成高精度的三維地形數(shù)據(jù)。這種結(jié)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(yōu)勢，又能通過無人機(jī)航測的高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)補(bǔ)充。

測量數(shù)據(jù)可以通過數(shù)字高程模型公式進(jìn)行處理，具體公式見式（1）：

2.2 移動GIS平臺支持下的現(xiàn)場快速采集與實(shí)時處理技術(shù)

在農(nóng)田水利工程的地形測量中，移動地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System GIS）平臺的應(yīng)用能夠極大地提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的速度和實(shí)時處理的能力。移動GIS平臺結(jié)合了地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，能夠通過手持設(shè)備或移動終端，在現(xiàn)場快速獲取地形數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)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(shù)字地形圖，能夠?qū)崟r校準(zhǔn)和優(yōu)化采集數(shù)據(jù)的目的，減少了后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

2.3 三維激光掃描儀在復(fù)雜地形區(qū)域的應(yīng)用

三維激光掃描儀在復(fù)雜地形區(qū)域能夠展現(xiàn)其強(qiáng)大的測量能力。該技術(shù)通過激光束對地形進(jìn)行高密度掃描，快速捕捉大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠精確還原復(fù)雜地形的真實(shí)情況［4］。

在農(nóng)田水利工程中，三維激光掃描儀不僅能夠應(yīng)對復(fù)雜多變的地形，還能在短時間內(nèi)生成精確的三維地形數(shù)據(jù)，極大提高了測量效率和結(jié)果的精確度，為復(fù)雜地形的工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供了重要支持。

2.4 數(shù)據(jù)融合與智能算法輔助下的高效信息提取流程

在農(nóng)田水利工程的地形測量中，數(shù)據(jù)融合與智能算法的應(yīng)用能夠顯著提高信息提取的效率和精度。將衛(wèi)星影像、無人機(jī)航測數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，能夠自動化分析和處理這些海量數(shù)據(jù)，提取出高精度的地形模型，減少了傳統(tǒng)人工分析中可能存在的誤差［5］。

3 地形測量技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用與成效分析

3.1 某農(nóng)田水利工程中的技術(shù)優(yōu)化實(shí)踐

項(xiàng)目位于我國華北地區(qū)，旨在改善當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉系統(tǒng)，涵蓋土地平整和水利設(shè)施建設(shè)。該地區(qū)地勢起伏不大，但長期農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致地塊不均，精確測量是確保灌溉系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵。項(xiàng)目初期，采用傳統(tǒng)測量技術(shù)，但數(shù)據(jù)精度不足，無法為灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定引入現(xiàn)代地形測量技術(shù)，包括RTK-GNSS和無人機(jī)航測，以提高測量精度和效率［6］。

首先，使用RTK-GNSS技術(shù)進(jìn)行初步測量，獲取大范圍的地形高程數(shù)據(jù)。實(shí)時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-time Kinematic RTK）結(jié)合了GNSS的高精度定位與實(shí)時動態(tài)校正，能夠在短時間內(nèi)生成精度達(dá)厘米級的地形數(shù)據(jù)。隨后，利用無人機(jī)航測對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的三維地形掃描，捕捉細(xì)微的地形變化。無人機(jī)搭載高分辨率攝像頭，飛行高度設(shè)定在100m以內(nèi)，確保數(shù)據(jù)的高精度。在數(shù)據(jù)采集完成后，采用數(shù)字高程模型和地理信息系統(tǒng)軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過三角網(wǎng)插值算法生成精準(zhǔn)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(qū)域的數(shù)據(jù)融合，通過GIS軟件對所有測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，生成高精度的三維地形模型，為農(nóng)田水利工程的設(shè)計(jì)和施工提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

3.2 成效分析

在測量技術(shù)優(yōu)化前，傳統(tǒng)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(qū)域。采用RTK-GNSS和無人機(jī)航測技術(shù)后，數(shù)據(jù)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(xiàng)目測量時間減少了約40%。此外，生成的三維地形圖為灌溉設(shè)計(jì)提供了更加可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使水資源的分配更加精準(zhǔn)，減少了灌溉盲區(qū)。測量技術(shù)成效分析的具體數(shù)據(jù)如表1。

現(xiàn)代測量技術(shù)，在短時間內(nèi)獲取高精度、大范圍地形數(shù)據(jù)的優(yōu)勢較為突出。這一技術(shù)優(yōu)化方案的實(shí)施不僅能夠降低成本，而且顯著提高項(xiàng)目的整體效率和精準(zhǔn)度，能為類似工程項(xiàng)目提供可參考的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4 地形測量技術(shù)的應(yīng)用場景拓展與挑戰(zhàn)應(yīng)對

4.1 復(fù)雜地形環(huán)境下的測量技術(shù)改進(jìn)

在農(nóng)田水利工程施工中，較為復(fù)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(zhàn)。這些區(qū)域一般具備地形起伏大、植被覆蓋密集等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測量手段往往難以應(yīng)對，無法提供高精度的測量數(shù)據(jù)。鑒于此背景，現(xiàn)代地形測量技術(shù)應(yīng)進(jìn)行具有針對性的優(yōu)化，以適應(yīng)多樣化的測量需求。對于這些不規(guī)則的地形環(huán)境，具體可以采用以下幾種技術(shù)方案改進(jìn)措施。

首先，激光雷達(dá)技術(shù)是應(yīng)對復(fù)雜地形的有效手段。激光雷達(dá)通過激光掃描生成高密度點(diǎn)云，能夠穿透植被，獲取精確的地形數(shù)據(jù)，特別是在起伏較大的地形條件下表現(xiàn)出色。與傳統(tǒng)的全站儀測量相比激光雷達(dá)技術(shù)不僅能夠縮短測量時間，還能提供更加精細(xì)的三維地形模型。

其次，采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)雜地形的測量。將激光雷達(dá)技術(shù)數(shù)據(jù)與GNSS、無人機(jī)航測、衛(wèi)星影像等多源數(shù)據(jù)結(jié)合，利用加權(quán)插值等算法實(shí)現(xiàn)多源信息的融合，能夠有效彌補(bǔ)單一測量手段的局限性，獲得更加精準(zhǔn)的地形模型。

4.2 應(yīng)對氣候變化和極端天氣的測量技術(shù)提升

隨著全球氣候變化和極端天氣頻發(fā)，農(nóng)田水利工程中的地形測量工作面臨新的挑戰(zhàn)。暴雨、強(qiáng)風(fēng)等極端天氣條件對測量設(shè)備的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shè)備選型尤為重要。無人機(jī)航測技術(shù)在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下容易受到影響，因此可以引入具備抗風(fēng)性能的固定翼無人機(jī)。相比于傳統(tǒng)的多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)飛行更穩(wěn)定，可以在強(qiáng)風(fēng)中保持較高精度的飛行軌跡。同時，激光雷達(dá)設(shè)備應(yīng)具備防水、防塵設(shè)計(jì)，以確保在暴雨和高濕環(huán)境下正常工作。

其次，數(shù)據(jù)處理流程的優(yōu)化也是提升穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在極端天氣條件下，測量數(shù)據(jù)可能存在不穩(wěn)定問題，因此需要采用數(shù)據(jù)濾波和修正技術(shù)，剔除噪聲和誤差。例如，采用卡爾曼濾波算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時修正，確保在數(shù)據(jù)波動較大時，仍能獲得較為穩(wěn)定的地形模型。

最后，測量技術(shù)的智能化發(fā)展也能有效應(yīng)對極端天氣的挑戰(zhàn)。通過引入人工智能算法對氣象條件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，測量設(shè)備可以根據(jù)氣象變化進(jìn)行自動調(diào)整，如自動避開強(qiáng)風(fēng)區(qū)域或在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時自動調(diào)整測量頻率。這種智能化的測量技術(shù)不僅提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，也增強(qiáng)了設(shè)備在極端環(huán)境下的適應(yīng)能力。

5 地形測量技術(shù)的優(yōu)化成效

通過對多種地形測量技術(shù)方案的優(yōu)化實(shí)踐，水利工程測量技術(shù)在精度、效率和成本方面均實(shí)現(xiàn)顯著提升。首先，采用RTK-GNSS、無人機(jī)航測和激光雷達(dá)等現(xiàn)代測量技術(shù)，測量誤差從傳統(tǒng)方法的±15 cm降至±3 cm，精度大幅提高，能夠確保復(fù)雜地形條件下的精確數(shù)據(jù)獲取。其次，在測量效率上，結(jié)合無人機(jī)和激光雷達(dá)技術(shù)的多源數(shù)據(jù)采集方式，顯著擴(kuò)大了覆蓋范圍和提升了采集速度，實(shí)現(xiàn)了更大范圍和更復(fù)雜地形的高效覆蓋，工程項(xiàng)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(shù)的快速響應(yīng)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(jìn)設(shè)備，但由于高效的數(shù)據(jù)處理能力和自動化程度的提高，大大減少了人工干預(yù)，使得整體項(xiàng)目成本降低了約30%。

優(yōu)化成效不僅體現(xiàn)在工程實(shí)施階段，還在數(shù)據(jù)管理和后期分析中展現(xiàn)了出來。數(shù)字高程模型等技術(shù)的引入，使得測量數(shù)據(jù)能夠直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和后期維護(hù)，減少了后續(xù)施工中數(shù)據(jù)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(jié)束語

在農(nóng)田水利工程建設(shè)中，合理選擇地形測量技術(shù)方案可以為農(nóng)田水利工程項(xiàng)目實(shí)施提供較為全面的技術(shù)保障。在工程項(xiàng)目實(shí)施中引入現(xiàn)代化的測量工具與智能算法，能夠突破傳統(tǒng)測量方式的局限性，使精準(zhǔn)度和效率均得到顯著提升。隨著智能化、大數(shù)據(jù)和綠色測量技術(shù)的不斷發(fā)展，地形測量技術(shù)將朝著更加自動化、環(huán)?；透咝Щ姆较蜻~進(jìn)。地形測量技術(shù)的變革和應(yīng)用擴(kuò)展，將為我國農(nóng)業(yè)水利建設(shè)和糧食安全保障提供更好的技術(shù)支持。

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