基于无人机遥感的元阳梯田典型灌区渠系结构特征

张兆豪, 宋维峰

(西南林业大学 生态与环境学院, 昆明 650224)

灌溉是影响农业发展的重要因素，良好的灌溉方式可以保证我国粮食安全、带动农村经济增长和保障农民收益[1]。我国灌溉水资源的问题越来越严重，精准灌溉成为当下的研究热点。农田灌溉渠系作为灌区输水的纽带，通过各级渠系合理的分配灌溉水资源，保障灌区得到充分灌溉。灌渠除了工程自身排灌水的作用,在景观生态格局上,还起着物质流动、能量循环等作用[2]。研究灌溉渠系的结构特征，准确获得灌区渠系分布信息，对于实现精准灌溉具有重要的现实意义。

现有研究方法主要采用卫星遥感影像及DEM(数字高程模型)来提取灌区渠系。乔哲贤等[3]采用WorldView-Ⅱ卫星遥感影像来提取渠系，发现对于无水或者少水的沟渠，直接分类提取精度较低，有错分漏分的情况出现。Caxorzi等[4]利用原始DEM，通过设置不同阈值来提取渠系信息，结果发现该方法会出现多余的地形冗余信息，且DEM数据主要是针对自然水系、沟渠来提取，无法准确提取人工渠系。许迪等[5]利用3种卫星遥感作为数据源来识别灌区农田排灌沟渠，容易受到季节、云层、地形等因素的干扰，识别精度大大降低。与无人机遥感相比，传统卫星遥感影像由于分辨率较低，很难精确地监测到灌区渠系。无人机凭借其运载便利、灵活性高、作业周期短、影像数据清晰的特点，弥补了传统遥感影像分辨率不足的缺陷[6-9]。目前国内外针对无人机遥感技术在灌区渠系提取的研究相对较少。元阳梯田作为世界遗产，至今已有1 300多年历史，梯田至今能保持常年有水，依靠的是其独特的灌溉系统[10-11]。元阳梯田水稻种植仍使用传统的农家肥，无需人工搬运，沟渠成为了水稻所需营养物质传送的纽带。近年来，由于人类活动加剧，干旱频发，梯田在灌溉中出现了输水分配不均等问题，导致部分梯田由水田向旱地转变，景观水稳定性降低。合理的渠系结构布置，成为了保障元阳梯田灌溉农业可持续发展，保护梯田文化遗产的关键所在。

针对上述问题，本文以元阳梯田全福庄灌区为研究对象，采用无人机遥感技术获取灌区遥感影像，利用ArcGIS 10.1软件提取灌溉渠系，通过计算渠系结构参数特征(渠频数、渠网密度、分维数等)，对全福庄灌区渠系布置的合理性进行研究评价，旨在为元阳梯田下一步的渠系结构布置提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于云南省红河州元阳县全福庄灌区，地理坐标为102°45′28″—102°46′18″E，23°06′01″—23°07′01″N，灌区内海拔1 499～1 844 m。研究区属亚热带山地季风气候，具有降雨量充足、日照时间长、相对湿度大的特点，年均气温14.19℃，年降水量1 375 mm，年均湿度90.3%。受下游河谷水汽蒸发的影响，梯田内终年雨雾环绕，形成了绿色水库。梯田灌溉水源主要来自梯田上方的水源林，水源林内植被生长茂盛，坑塘发育众多，形成了山有多高，水有多高的自然景象。研究区沟渠分为自然沟渠和人工沟渠，自然沟渠数量较少但渠顶宽度大于人工沟渠。哈尼族人根据梯田的分布情况，从大的沟渠里面引水出来，再引向梯田进行灌溉，形成一个完整的灌溉网络系统，由大大小小的沟渠和成百上千层梯田连成了一个整体。本研究在同一时段内实地调查了灌区内3个片区共计90块梯田，测量其蓄水深度并求平均值，分别为小寨片区14.65 cm，大寨片区18.21 cm，大鱼塘片区16.44 cm。

1.2 遥感影像获取

遥感试验采用的无人机型号为大疆精灵Phantom4，该无人机组成部分包括飞行器、云台、视觉系统、遥控器。飞行器重1 350g，最大飞行时间约30 min，相机配备1 240万像素影像传感器。无人机飞行前需要布置像控点，目的是为了提高航拍精度。采用Pix4DCapture航线规划软件来制定飞行计划，通过设定航线来确定飞行范围。设置飞行高度为120 m，影像重叠度为75%。无人机起飞后自动执行任务，任务结束后自动返航，休息15～20 min后再进行下一区域飞行。本次无人机航拍时间为2019年3月，该时段梯田无种植农作物，灌溉渠系特征较为明显，是解译的最佳时期。试验应用Pix4Dmapper软件来拼接无人机遥感影像图片，把影像导入该软件后自动拼接，无需人工干预。拼接完成后可形成高分辨率的正射影像，并加载到地图中。

1.3 灌溉渠系提取及灌区划分

本次灌溉渠系提取主要运用ArcGIS 10.1软件，把拼接完成后的遥感影像导入软件中，采用人工目视解译的方法，根据沟渠在遥感影像上表现出来的线性和纹理特征，对灌溉渠系进行初步解译，通过野外调查对难以识别的沟渠进行更正，在初步解译和野外调查的基础上对解译结果进行完善，最终得到研究区灌溉渠系分布图(图1)。由图1可以看出部分沟渠出现“断渠”的情况，这是由于哈尼梯田独特的灌溉方式决定的。哈尼梯田由于层数太多，部分沟渠无法贯穿于梯田，每块梯田里面都留有进水口和出水口，有的沟渠就修建在梯田出水口处，以田为渠，从梯田出水口引水灌溉。为了方便了解灌溉渠系分布信息，合理分配水资源，把研究区分为由东向西分为3个亚灌区，分别为小寨灌区、大寨灌区、大鱼塘灌区。

图1 灌区渠系提取结果及灌区划分

1.4 基于Horton定律渠系特征参数特征

灌溉渠系和河系的基本属性有很大的相似性，可以用Horton河系定律来计算渠系参数特征。借助河系特征参数，对渠系参数结构特征进行量化表征，选取的指标主要包括渠频数、渠网密度、分支比、长度比、分形维数等指标[12]。

(1) 渠频数(Rf)：单位灌区面积内渠系的数目。

Rf=N/S

式中：N为灌区内渠系数目；S为灌区总面积(km2)。

(2) 渠网密度(Rd)：单位灌区面积内渠系长度。

Rd=L/S

式中：L为灌区内渠系总长度(km)；S为灌区总面积(km2)。

(3) 分枝比(Rb)；相邻渠系数目的比值。

Rb=Nm-1/Nm

式中：Nm-1为灌区下一级渠系总数目(个)；Nm为灌区本级渠系总数目(个)。

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(4) 长度比(R1)：相邻渠系长度的比值。

R1=Lm-1/Lm

式中：Lm-1为灌区下一级渠系长度(km)；Lm为灌区本级渠系长度(km)。

(5) 分形维数：作为灌区渠系最重要的参数特征指标之一。分形维数为渠系结构布置提供了重要的参考依据。本文主要依据平均分枝比(Rb)和平均长度比(R1)采用La Barbera和Rosso公式来计算分形维数D值[13]，其表达式如下。

D=lgRb/lgR1

2 结果与分析

2.1 灌区渠系结构特征

以元阳梯田典型灌区全福庄灌区的无人机遥感影像为基础资料，按照从灌区源头引水的次序对渠系进行分级，从源头直接引水出来的为1级渠系，从1级渠系引水出来的为2级渠系，从2级渠系引水出来的为3级渠系，以此类推下去。利用上述公式来计算灌区渠系结构参数特征，计算结果见表1。

表1 全福庄灌区渠系基本情况

由表1可知，全福庄灌区内渠系级别最高为5级，而且仅在大寨灌区出现5级渠系情况，小寨和大鱼塘灌区内渠系级别最高为3级，可能的原因是大寨灌区灌溉面积较大，其渠系分级就越多，渠系结构越复杂。灌区内渠系总量为151条，其中1级渠系24条，2级渠系72条，3级渠系34条，4级渠系13条，5级渠系8条。1级渠系平均长度都在其余渠系长度两倍以上，1级渠系贯穿于整个灌区中，主要是为了引水和输水。

渠频数和渠网密度是衡量渠系结构的重要指标。在相似条件下渠网密度越大，渠道输水流量越大，对灌区的发展越有利。表1中全福庄亚灌区中的渠频数和渠网密度都表现出随着灌区面积的增大，渠频数和渠网密度都增加的趋势。其中大寨灌区的面积为1.01 km2，在3个灌区中最大，其相应的渠频数(73.27条/km2)和渠网密度(24.28 km/km2)也最大，小寨灌区的相对偏小，分别为58.73条/km2，16.92 km/km2，其面积也最小(0.63 km2)。通过实地调查发现，小寨灌区内的灌溉渠系在旱季会出现部分沟渠断流的情况，而且梯田的蓄水位也要低于其它灌区。造成这种现象的原因可能是：小寨灌区的渠网密度要低于其它灌区，输水量就有所减少。灌区内灌溉渠系的水源除了来自梯田上方的水源林外，还有部分村寨里面的生活废水排入，而小寨灌区村寨比其它灌区小，其生活废水量较其它灌区少。另外大鱼塘灌区上部建有小型水库，把雨季多余的雨水蓄积起来，在旱季的时候又把水放入梯田中，充分利用水资源，保证灌溉。

研究区内的渠系结构特征指标总体上处于一个较高的水平。有研究表明，渠网密度与降雨量呈正相关关系，即一般在降雨量较大的地区，渠网密度也相对较大[14]。研究区多年平均降雨量为1 375 mm，降雨量丰富，与研究区实际情况相符。

2.2 灌区的分形维数

表2 全福庄灌区渠系参数特征及分形维数

把全福庄灌区分为3个亚灌区，但其分支比、长度比、分形维数都不是叠加关系。小寨灌区分支比、长度比、分形维数均在取值范围内，但分形维数值(1.93)偏低，说明小寨灌区渠系结构比较简单，在今后的渠系改造中可适当通过提高分支比来增加分维数。大寨灌区的长度比(1.51)偏低，反映出该灌区下一级渠系长度偏低，在保持1级渠系引水长度不变的情况下，应适当增加下一级渠系长度，来增加其长度比。大鱼塘灌区的分支比(5.02)略大于现有研究分支比取值范围，说明大鱼塘灌区2级、3级渠系数量偏多，可通过适当增加1级渠系或减少2级、3级渠系来降低其分支比。

2.3 渠系级别与渠系数目、渠系平均长度的关系

通过对全福庄及其亚灌区渠系级别与渠系数目、渠系平均长度的关系进行分析做图2和图3，分析其变化规律。

图2 渠系级别与渠系数目的关系

图3 渠系级别与渠系平均长度的关系

由图2可知，无论是全福庄总灌区还是其亚灌区，其渠系级别与渠系数目都呈现出1级渠系到2级渠系成倍增长然后又缓慢下降的趋势，而且渠系级别越多，其渠系总数量就越多。2级渠系占了全福庄灌区总量的48%，因为1级渠系主要负责从水源处引水和接纳梯田出水口处的排水，2级渠系负责对1级渠系的水量进行再分配，保证其充分灌溉到各块梯田中，由此可见，2级渠系在全福庄灌区水量分配中起着控制性作用。在今后的渠系改造和维修中，应更加注重2级渠系的发展状况。

由图3可知，灌区内随着渠系级别的增加，渠系平均长度呈现逐级递减的趋势。大寨灌区的各级渠系平均长度都要大于其它灌区，原因是大寨灌区控制的灌溉面积较大，输水的距离较长，其渠系平均长度也就越长，反之小寨灌区由于灌溉面积较小，其需要的输水距离就短，渠系平均长度也就越短。

2.4 分形维数与灌溉面积的关系

对全福庄及其亚灌区的灌溉面积与分形维数关系进行分析，绘制了图4。从图4各灌区灌溉面积与分形维数关系可以看出，灌区灌溉面积越大，其分形维数越大。全福庄灌区的灌溉面积为2.31 km2，分形维数为4.72，甚至超过了Horton河系定律的合理取值范围。因为灌溉面积越大，越需要丰富的渠系结构作为保障，其渠系结构就越复杂[15]。渠系的分形维数总体上可以反映灌区渠系复杂程度，渠系分维值越大，渠系复杂程度越高，渠系对于灌区的填满程度就越高。正是如此高密度和复杂的渠系结构才维持了元阳梯田终年淹水的机制。

图4 分形维数与灌溉面积的关系

3 结 论

(1) 采用无人机低空遥感技术获取元阳梯田全福庄灌区的遥感影像，利用ArcGIS 10.1软件提取灌溉渠系，精确得到了灌区渠系结构布置图，弥补了传统遥感影像精度的不足，大大提高了灌区渠系识别的精度和效率，实现了农田灌溉渠系的信息化管理，节约了人力、财力，是传统与现代、宏观与微观的结合。研究方法可行性强，研究结果可为元阳梯田今后渠系布置提供一定的参考价值。

(2) 为了合理分配水源，把全福庄灌区分为3个亚灌区，采用Horton河系定律分别计算灌区的渠系结构参数特征，结果发现1级渠系和2级渠系对梯田的灌溉作用最大，小寨灌区的渠频数(58.73条/km2)、渠网密度(16.92 km/km2)、分形维数(1.93)都要略低于其它灌区。研究结论认为在雨季水量充分的条件下可通过提高分支比(即提高下一级渠系数量)来增加分形维数，或是在旱季水量不足的条件下可通过从大寨灌区引水的方式来增加梯田蓄水量，该结论可以为梯田的渠系改造工作提供理论支撑。

(3) 灌区灌溉面积越大，分形维数越大，通过实际测量发现其梯田蓄水深度也越深。对于元阳梯田的一些小灌区，要维持终年淹水的机制，在下一步的渠系改造中可通过适当提高分形维数来满足灌溉。

(4) 在灌区渠系提取方法中，人工目视解译的方法太过于传统，在下一步的改进中可采用新的技术方法，如面向对象法、监督分类方法和改进霍夫变换法等。本文仅从渠系空间结构特征方面对研究区灌溉渠系布置进行了分析，在今后的研究中应寻求其它的影响因素来进行分析，以发挥灌溉渠系的最大效益。