农田水利工程中地形测量技术的优化与实践研究

摘 要：地形测量技术在农田水利工程中起着至关重要的作用，测量结果直接影响工程的设计与施工质量。目前，传统的地形测量方法存在效率和精度上的局限性，无法完全满足现代农田水利工程日益复杂的需求。通过对高分辨率卫星影像、无人机航测、三维激光扫描和移动GIS平台等现代测量技术的应用分析，提出了多种优化方案，并结合具体实践案例，验证方案的有效性，为农田水利工程的可持续发展提供了一定程度的参考与借鉴。

关键词：农田水利工程；地形测量；技术优化；实践研究

中图分类号：S29 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）16-145-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.16.033

0 引言

农田水利工程作为农业生产重要的基础设施，其施工质量关系到水资源的合理利用、农业产量的提高及生态环境的保护。地形测量是决定农田水利工程施工质量的重要环节之一。然而，随着实际需求的提高，传统地形测量技术的局限性日益凸显，测量精度不高、数据处理效率低下等问题制约了工程项目的进展。与此同时，现代科技的快速发展使地形测量技术实现了新的突破，高分辨率卫星影像、无人机航测、三维激光扫描等技术的引入，为农田水利工程提供了更为精准、快捷的测量解决方案。尤其在复杂地形和极端天气条件下，这些技术更显出其独特的优势。然而，技术需要结合实际工程环境进行优化和调整，以确保测量结果的可靠性和有效性。基于此，深入分析不同地形测量技术的优势与局限，结合具体案例的实践经验，提出了几种地形测量技术的优化方案，分析了其在农田水利工程中的应用前景。

1 农田水利工程中地形测量技术的应用与发展

1.1 传统地形测量技术的应用

在农田水利工程中，传统的地形测量技术主要依赖于水准仪和全站仪等测量工具。水准仪通过测量视距和高差来提供地形高程数据；全站仪则整合了角度和距离测量功能，用于精确的平面与高程测量。这些工具在过去的工程中广泛应用，具备一定的精度和可靠性，但其局限性也十分明显。首先，传统设备依赖人工操作，工作效率较低，尤其在大面积测量或复杂地形中，测量周期较长。其次，测量数据的获取和处理较为繁琐，难以快速生成三维地形模型，且容易受操作人员经验和环境因素的影响［1］。

1.2 现代地形测量技术的发展

随着科技的进步，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellien Satelliten System，GNSS）、无人机遥感和激光雷达等现代地形测量技术在农田水利工程中的应用愈加广泛。这些技术大幅提升了测量精度和效率。GNSS能够提供高精度的全球定位数据，使测量工作更具有便捷性和准确性。无人机遥感技术通过航测获取大范围的高分辨率影像，结合地理信息系统，可以快速生成三维地形图，极大提高了测量的效率。激光雷达技术则通过激光束扫描，能够精确捕捉复杂地形的三维结构，尤其在植被覆盖或地形复杂的区域，展现出了强大的技术优势。这些现代技术不仅能够减少测量过程中的人为误差，还能在极短的时间内完成大面积的测量任务，为农田水利工程的规划和施工提供更为精准的数据支持，推动了整个工程测量领域的进步。

2 基于新技术的地形测量优化方案

2.1 高分辨率卫星影像与无人机航测相结合的应用探索

在农田水利工程的地形测量中，高分辨率卫星影像与无人机航测技术相结合，为大范围地形数据的高效获取提供了强大的技术支持。卫星影像具有覆盖范围广、空间分辨率高的优势，可在短时间内获取大面积的地形数据。然而，卫星影像由于受大气干扰和分辨率限制，难以满足局部区域高精度测量的要求［2］。无人机航测作为一种灵活性强、分辨率高的测量手段，可以对卫星影像中的关键区域进行补充，尤其在小面积复杂地形测量中具有明显的优势。

将两者结合的地形测量技术流程通常包括：先利用高分辨率卫星影像进行大面积的初步测量，生成地形初步模型，然后利用无人机航测对重点区域进行精细化扫描，生成高精度的三维地形数据。这种结合模式在效率和精度上都有显著提升，既能保持大范围覆盖优势，又能通过无人机航测的高分辨率数据进行细节补充。

测量数据可以通过数字高程模型公式进行处理，具体公式见式（1）：

2.2 移动GIS平台支持下的现场快速采集与实时处理技术

在农田水利工程的地形测量中，移动地理信息系统（Geographic Information System GIS）平台的应用能够极大地提高现场数据采集的速度和实时处理的能力。移动GIS平台结合了地理信息系统和全球定位系统的技术优势，能够通过手持设备或移动终端，在现场快速获取地形数据并进行初步处理，实现数据的实时传输和共享［3］。

通过移动GIS平台，工程人员可以在测量过程中快速获取数字地形图，能够实时校准和优化采集数据的目的，减少了后期数据处理的工作量。

2.3 三维激光扫描仪在复杂地形区域的应用

三维激光扫描仪在复杂地形区域能够展现其强大的测量能力。该技术通过激光束对地形进行高密度扫描，快速捕捉大量的三维坐标点，生成点云数据，能够精确还原复杂地形的真实情况［4］。

在农田水利工程中，三维激光扫描仪不仅能够应对复杂多变的地形，还能在短时间内生成精确的三维地形数据，极大提高了测量效率和结果的精确度，为复杂地形的工程设计和规划提供了重要支持。

2.4 数据融合与智能算法辅助下的高效信息提取流程

在农田水利工程的地形测量中，数据融合与智能算法的应用能够显著提高信息提取的效率和精度。将卫星影像、无人机航测数据、激光雷达点云数据等多源数据进行融合处理，能够得到更加全面的地形信息。智能算法，尤其是机器学习与深度学习技术的引入，能够自动化分析和处理这些海量数据，提取出高精度的地形模型，减少了传统人工分析中可能存在的误差［5］。

3 地形测量技术的实践应用与成效分析

3.1 某农田水利工程中的技术优化实践

项目位于我国华北地区，旨在改善当地的农田灌溉系统，涵盖土地平整和水利设施建设。该地区地势起伏不大，但长期农业活动导致地块不均，精确测量是确保灌溉系统有效运行的关键。项目初期，采用传统测量技术，但数据精度不足，无法为灌溉系统设计提供依据。因此，项目团队决定引入现代地形测量技术，包括RTK-GNSS和无人机航测，以提高测量精度和效率［6］。

首先，使用RTK-GNSS技术进行初步测量，获取大范围的地形高程数据。实时动态载波相位差分技术（Real-time Kinematic RTK）结合了GNSS的高精度定位与实时动态校正，能够在短时间内生成精度达厘米级的地形数据。随后，利用无人机航测对关键区域进行详细的三维地形扫描，捕捉细微的地形变化。无人机搭载高分辨率摄像头，飞行高度设定在100m以内，确保数据的高精度。在数据采集完成后，采用数字高程模型和地理信息系统软件对采集数据进行整合，通过三角网插值算法生成精准的三维地形模型。

通过插值算法，生成的地形高程为85.38 m。该过程适用于整个测量区域的数据融合，通过GIS软件对所有测量点的数据进行整合，生成高精度的三维地形模型，为农田水利工程的设计和施工提供精准的数据支持。

3.2 成效分析

在测量技术优化前，传统测量方式的测量误差为±15 cm，测量时间较长且难以覆盖大范围区域。采用RTK-GNSS和无人机航测技术后，数据精度显著提升，误差缩小至±3 cm，测量效率提高了50%以上，整个项目测量时间减少了约40%。此外，生成的三维地形图为灌溉设计提供了更加可靠的基础数据，使水资源的分配更加精准，减少了灌溉盲区。测量技术成效分析的具体数据如表1。

现代测量技术，在短时间内获取高精度、大范围地形数据的优势较为突出。这一技术优化方案的实施不仅能够降低成本，而且显著提高项目的整体效率和精准度，能为类似工程项目提供可参考的实践经验。

4 地形测量技术的应用场景拓展与挑战应对

4.1 复杂地形环境下的测量技术改进

在农田水利工程施工中，较为复杂的地形（如山地、丘陵等）给地形测量工作带来了极大的挑战。这些区域一般具备地形起伏大、植被覆盖密集等特点，传统的测量手段往往难以应对，无法提供高精度的测量数据。鉴于此背景，现代地形测量技术应进行具有针对性的优化，以适应多样化的测量需求。对于这些不规则的地形环境，具体可以采用以下几种技术方案改进措施。

首先，激光雷达技术是应对复杂地形的有效手段。激光雷达通过激光扫描生成高密度点云，能够穿透植被，获取精确的地形数据，特别是在起伏较大的地形条件下表现出色。与传统的全站仪测量相比激光雷达技术不仅能够缩短测量时间，还能提供更加精细的三维地形模型。

其次，采用多源数据融合技术进一步优化复杂地形的测量。将激光雷达技术数据与GNSS、无人机航测、卫星影像等多源数据结合，利用加权插值等算法实现多源信息的融合，能够有效弥补单一测量手段的局限性，获得更加精准的地形模型。

4.2 应对气候变化和极端天气的测量技术提升

随着全球气候变化和极端天气频发，农田水利工程中的地形测量工作面临新的挑战。暴雨、强风等极端天气条件对测量设备的稳定性和数据的准确性提出了更高的要求。

首先，针对极端天气条件下的测量工作，设备选型尤为重要。无人机航测技术在强风环境下容易受到影响，因此可以引入具备抗风性能的固定翼无人机。相比于传统的多旋翼无人机，固定翼无人机飞行更稳定，可以在强风中保持较高精度的飞行轨迹。同时，激光雷达设备应具备防水、防尘设计，以确保在暴雨和高湿环境下正常工作。

其次，数据处理流程的优化也是提升稳定性的关键。在极端天气条件下，测量数据可能存在不稳定问题，因此需要采用数据滤波和修正技术，剔除噪声和误差。例如，采用卡尔曼滤波算法对测量数据进行实时修正，确保在数据波动较大时，仍能获得较为稳定的地形模型。

最后，测量技术的智能化发展也能有效应对极端天气的挑战。通过引入人工智能算法对气象条件进行实时监测，测量设备可以根据气象变化进行自动调整，如自动避开强风区域或在数据不稳定时自动调整测量频率。这种智能化的测量技术不仅提高了测量结果的准确性，也增强了设备在极端环境下的适应能力。

5 地形测量技术的优化成效

通过对多种地形测量技术方案的优化实践，水利工程测量技术在精度、效率和成本方面均实现显著提升。首先，采用RTK-GNSS、无人机航测和激光雷达等现代测量技术，测量误差从传统方法的±15 cm降至±3 cm，精度大幅提高，能够确保复杂地形条件下的精确数据获取。其次，在测量效率上，结合无人机和激光雷达技术的多源数据采集方式，显著扩大了覆盖范围和提升了采集速度，实现了更大范围和更复杂地形的高效覆盖，工程项目整体的测量周期缩短了约40%，工作效率提升了50%以上。特别是在山地、丘陵等地形条件下，这些技术的快速响应能力有效降低了时间成本［7］。

从成本方面而言，尽管前期需要投入先进设备，但由于高效的数据处理能力和自动化程度的提高，大大减少了人工干预，使得整体项目成本降低了约30%。

优化成效不仅体现在工程实施阶段，还在数据管理和后期分析中展现了出来。数字高程模型等技术的引入，使得测量数据能够直接应用于工程设计和后期维护，减少了后续施工中数据修正和二次测量的需求，极大提升了工程的整体效益和可靠性。

6 结束语

在农田水利工程建设中，合理选择地形测量技术方案可以为农田水利工程项目实施提供较为全面的技术保障。在工程项目实施中引入现代化的测量工具与智能算法，能够突破传统测量方式的局限性，使精准度和效率均得到显著提升。随着智能化、大数据和绿色测量技术的不断发展，地形测量技术将朝着更加自动化、环保化和高效化的方向迈进。地形测量技术的变革和应用扩展，将为我国农业水利建设和粮食安全保障提供更好的技术支持。

参考文献：

［1］李海洲，无人机航测技术在古帽窦电排站工程地形测量中的应用［J］.陕西水利，2024（7）：135-137.

［2］冯志伟.无人机倾斜摄影技术在水利工程周边地形勘探中的应用［J］.水利科技与经济，2023，29（8）：113-117.

［3］成喆，戴学昆.GPS-RTK测量技术在水利工程竣工检测中的应用［J］.海河水利，2024（6）：79-82.

［4］周琮辉.无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用探究［J］.科学与信息化，2023（12）：75-78.

［5］胡凤华.GPS-RTK技术在农田水利工程测量中的应用［J］.农业工程技术，2022，42（21）：43-44.

［6］孙磊.农田水利工程测量中GPS-RTK技术的应用研究［J］.地矿测绘，2022，5（5）：10-12.

［7］杜蒙蒙，刘颖超，姬江涛，等.基于无人机与激光测距技术的农田地形测绘［J］.农业工程学报，2020，36（22）：60-67.