張兆豪, 宋維峰

(西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院, 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重，精準灌溉成為當下的研究熱點。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]。研究灌溉渠系的結構特征，準確獲得灌區(qū)渠系分布信息，對于實現(xiàn)精準灌溉具有重要的現(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，通過設置不同閾值來提取渠系信息，結果發(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)外針對無人機遙感技術在灌區(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。合理的渠系結構布置，成為了保障元陽梯田灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保護梯田文化遺產(chǎn)的關鍵所在。

針對上述問題，本文以元陽梯田全福莊灌區(qū)為研究對象，采用無人機遙感技術獲取灌區(qū)遙感影像，利用ArcGIS 10.1軟件提取灌溉渠系，通過計算渠系結構參數(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(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，再引向梯田進行灌溉，形成一個完整的灌溉網(wǎng)絡系統(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(tǒng)、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(guī)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(zhí)行任務，任務結束后自動返航，休息15～20 min后再進行下一區(qū)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(nóng)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(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，對灌溉渠系進行初步解譯，通過野外調(diào)查對難以識別的溝渠進行更正，在初步解譯和野外調(diào)查的基礎上對解譯結果進行完善，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)結構特征進行量化表征，選取的指標主要包括渠頻數(shù)、渠網(wǎng)密度、分支比、長度比、分形維數(shù)等指標[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)。

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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(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)特征指標之一。分形維數(shù)為渠系結構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]，其表達式如下。

D=lgRb/lgR1

2 結果與分析

2.1 灌區(qū)渠系結構特征

以元陽梯田典型灌區(qū)全福莊灌區(qū)的無人機遙感影像為基礎資料，按照從灌區(qū)源頭引水的次序?qū)η颠M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)渠系結構參數(shù)特征，計算結果見表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，渠系結構越復雜。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)密度是衡量渠系結構的重要指標。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)的渠系結構特征指標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關系，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(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，應適當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、渠系平均長度的關系進行分析做圖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(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(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，應更加注重2級渠系的發(fā)展狀況。

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)與灌溉面積的關系

對全福莊及其亞灌區(qū)的灌溉面積與分形維數(shù)關系進行分析，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構作為保障，其渠系結構就越復雜[15]。渠系的分形維數(shù)總體上可以反映灌區(qū)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(qū)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(shù)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(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)渠系結構布置圖，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(qū)分為3個亞灌區(qū)，采用Horton河系定律分別計算灌區(qū)的渠系結構參數(shù)特征，結果發(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(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制，在下一步的渠系改造中可通過適當提高分形維數(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)，在下一步的改進中可采用新的技術方法，如面向?qū)ο蠓?、監(jiān)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(qū)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(fā)揮灌溉渠系的最大效益。