基于衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的水稻預(yù)測模型實現(xiàn)高效灌溉，穩(wěn)定全球市場

基于衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的水稻預(yù)測模型實現(xiàn)高效灌溉，穩(wěn)定全球市場

2007年底，全球糧食價格急劇上漲，到2008年，多種主要糧食的價格上漲至原來的兩倍甚至三倍，一些發(fā)展中國家出現(xiàn)了嚴(yán)重的糧食危機(jī)，并由此引發(fā)多個國家發(fā)生民眾抗議和騷亂。一些發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)了搶購大米等食物的風(fēng)潮，糧食危機(jī)有向世界蔓延之勢。部分產(chǎn)糧大國也出現(xiàn)了恐慌，為控制這種情況，其停止了食品的出口。這又進(jìn)一步加重了全球糧食危機(jī)，動蕩和饑餓不斷蔓延。

此次糧食危機(jī)發(fā)生后，世界各國領(lǐng)導(dǎo)人召開了多次研討會，旨在為未來進(jìn)行糧食產(chǎn)量預(yù)測并避免相應(yīng)的糧食危機(jī)情況發(fā)生尋求出路。其中，地球觀測組織發(fā)起了全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測計劃（GEOGLAM）。該計劃主要利用衛(wèi)星獲得的地球圖像數(shù)據(jù)，更好地對糧食產(chǎn)量和天氣情況進(jìn)行預(yù)測。20國集團(tuán)（G20）成員聯(lián)合參與了該項計劃。然而，基于原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測并不是一項簡單的工作，需要將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的信息。位于新罕布什爾州紐馬克特市的應(yīng)用地理信息解決方案（Applied GeoSolutions）公司長期致力于地球成像衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究。該公司目前正在開展水稻方面的研究，因為水稻是世界上最難以預(yù)測的糧食種類，所以，該項研究對于糧食的預(yù)測可能會產(chǎn)生重要的影響。

研究人員稱，目前世界上有玉米、大豆、小麥和牛肉期貨市場，但不存在水稻期貨市場。這是因為交易人員沒有可供水稻期貨交易參考的可靠的信息或產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果。這使得水稻市場極易發(fā)生波動，導(dǎo)致投資者、生產(chǎn)者和消費者都面臨較大的風(fēng)險。例如，如果泰國或其他東南亞國家出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，全世界就可能會有成千上萬的人挨餓。

與此同時，美國目前兩個主要的水稻產(chǎn)區(qū)的部分地區(qū)也出現(xiàn)了水資源短缺的問題。例如，加利福尼亞州的薩克拉曼多谷擁有近50萬英畝稻田，而現(xiàn)在干旱已成為該地區(qū)的新常態(tài)。阿肯色州東部約有150萬英畝稻田，但大草原城等地區(qū)的蓄水層幾乎都已被抽干。解決上述問題的方案之一就是使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)有效地規(guī)劃用水。

美國地球資源系列衛(wèi)星（Landsat）是美國地球圖像數(shù)據(jù)的主要來源。該系列衛(wèi)星自1972年起陸續(xù)發(fā)射。其中，“大地”（Terra）和“水”（Aqua）衛(wèi)星搭載了中分辨率成像光譜儀（MODIS）。雖然衛(wèi)星制造和發(fā)射是由美國國家航空航天局（NASA）負(fù)責(zé)，但衛(wèi)星入軌后的運(yùn)行和管理由美國地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)。

美國地球資源8號衛(wèi)星發(fā)射于2013年，每16天繞地球一圈，可在9個可見、近紅外和短波紅外波段，以及2個熱紅外波段獲取地球圖像。由于熱信息能夠反映地球表面、植被，以及低層大氣中的濕度和溫度情況，所以，其對于了解農(nóng)作物所面臨的環(huán)境威脅，輔助進(jìn)行糧食產(chǎn)量預(yù)測具有非常重要的作用。此外，衛(wèi)星上搭載的MODIS每隔1～2天即可在36個可見光和紅外波段對地球表面進(jìn)行一次全面的成像，監(jiān)測作物生長的階段性變化、作物對天氣變化的反應(yīng)，并為農(nóng)業(yè)灌溉和耕作等農(nóng)事活動提供依據(jù)。

除濕度和溫度監(jiān)測外，衛(wèi)星成像系統(tǒng)還能探測到水稻等農(nóng)作物的綠度指數(shù)、生物活力，以及葉片的含水量，此外，其還可監(jiān)測地表水的深度等，這些信息對于評估作物健康狀況和預(yù)測作物產(chǎn)量是非常有用的。采用衛(wèi)星圖像評估技術(shù)，應(yīng)用地理信息解決方案公司能夠以比傳統(tǒng)的實地考察低得多的成本對大面積的農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行評估。

應(yīng)用地理信息解決方案公司與NASA進(jìn)行了洽談，計劃設(shè)計一種基于網(wǎng)絡(luò)的軟件，利用來自地球資源系列衛(wèi)星，MODIS和其它衛(wèi)星現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合對稻田的監(jiān)測、產(chǎn)量模型，以及天氣預(yù)報等信息，實時獲取關(guān)于全球水稻種植面積、生長階段、異常情況和預(yù)期產(chǎn)量等信息，并評估這些信息的統(tǒng)計可靠性，以管控風(fēng)險。

2012年，NASA斯坦尼斯航天中心授予應(yīng)用地理信息解決方案公司第一階段和第二階段小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃合同，目的是開發(fā)水稻決策支持系統(tǒng)（RDSS）。該系統(tǒng)能夠反映和水稻相關(guān)的信息，包括水稻期貨交易策略、稻田的灌溉計劃，產(chǎn)量風(fēng)險存在的地點和時間、買賣和持有的最佳時間等（該系統(tǒng)于2014年初開始投入使用）。

在美國，應(yīng)用地理信息解決方案公司的數(shù)據(jù)來源主要是地球資源系列衛(wèi)星和MODIS；而在東南亞，該公司主要利用由政府和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）提供的合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星數(shù)據(jù)。2015年，該公司除了繼續(xù)使用歐空局（ESA）的相控陣L波段SAR衛(wèi)星和加拿大雷達(dá)-2衛(wèi)星外，還增加了對ESA的地球成像哨兵平臺的利用。

不同的成像系統(tǒng)具有不同的分辨率，運(yùn)行在電磁光譜的不同波段，RDSS能夠?qū)⑺羞@些信息集成起來，提供一張包含完整地面信息情況的圖像。目前，RDSS已在爪哇、印尼、越南紅河三角洲和巴西等地開展了試點試驗。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的應(yīng)用增加了水稻產(chǎn)量，并驗證了可持續(xù)作物管理方式的有效性。在阿肯色州和加利福尼亞州，應(yīng)用地理信息解決方案公司與農(nóng)民、農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)等建立了合作關(guān)系，幫助他們制定種植計劃、管理資源，尤其是制定灌溉計劃。而在巴西，該系統(tǒng)能夠幫助農(nóng)場選擇合適的灌溉方式。

研究顯示，未來，隨著資源壓力日益加大、氣候的變化、人口的增長、人類飲食結(jié)構(gòu)的變化，以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。過去，全球水稻產(chǎn)量很難預(yù)測，因為世界上絕大多數(shù)的水稻產(chǎn)區(qū)通常是多云天氣，不利于傳統(tǒng)衛(wèi)星成像。而SAR成像技術(shù)能夠透過云層探測植被構(gòu)成和含水量，從而解決了這一問題。

應(yīng)用地理信息解決方案公司開發(fā)的RDSS系統(tǒng)目前正在為GEOGLAM計劃提供支撐，可向生產(chǎn)者、購買者和投資者提供對于水稻生產(chǎn)的全面信息和產(chǎn)量分析預(yù)測服務(wù)。RDSS系統(tǒng)還能夠為美國國際開發(fā)局的饑荒早期預(yù)警系統(tǒng)等項目提供參考信息。NASA總部地球科學(xué)部水資源應(yīng)用科學(xué)項目的項目經(jīng)理布蘭德利·多爾恩說：“GEOGLAM計劃使得很多國家和地區(qū)能夠更好地對糧食產(chǎn)量進(jìn)行評估，適時作出正確的投資和買入糧食的決策，避免災(zāi)難。此外，利用應(yīng)用地理信息解決方案公司開發(fā)的RDSS系統(tǒng)提供的可靠信息，農(nóng)民可以預(yù)測糧食價格，并選擇最佳的時機(jī)出售手中的糧食。這有利于維護(hù)公平的市場環(huán)境?！?/p>

在美國，水資源管理是RDSS系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。在加利福尼亞州北部，大多數(shù)稻田在播種之前需要大水漫灌，也就是通常所說的濕播種植方式，但隨著水資源的持續(xù)減少，對水資源的保護(hù)越來越重要。利用衛(wèi)星圖像，應(yīng)用地理信息解決方案公司能夠確定灌溉時間及用水量，以及濕播種植的必要性。如果可以使用干法播種，且水稻的產(chǎn)量不會大量減少，農(nóng)民就可以將灌溉的成本和產(chǎn)量的損失抵消。而利用RDSS系統(tǒng)，可以預(yù)測能夠?qū)嵤└煞úシN的地區(qū)，也可以預(yù)測出水稻的產(chǎn)量。

在阿肯色州，應(yīng)用地理信息解決方案公司正在幫助農(nóng)民實施一種被稱為“干-濕交替灌溉”的節(jié)水方法。利用RDSS系統(tǒng)，可以綜合天氣、土壤濕度，以及農(nóng)作物狀態(tài)等信息優(yōu)化灌溉時間和方式。此外，利用歷史數(shù)據(jù)、天氣預(yù)測和對土壤濕度的測量，該公司能夠精確地為農(nóng)民提供需要的灌溉水量等信息。目前，已有約50個農(nóng)場與應(yīng)用地理信息解決方案公司開展了合作。該公司可利用安裝在農(nóng)場中的濕度傳感器來校正衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)。他們希望將干-濕交替灌溉等技術(shù)在地球上的其它地方進(jìn)行推廣應(yīng)用。

應(yīng)用地理信息解決方案公司還為美國農(nóng)業(yè)部的國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計服務(wù)局提供信息，幫助他們實時進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

在美國，在作物進(jìn)入生長期前的6周，該公司對于水稻種植面積預(yù)測的準(zhǔn)確度可達(dá)90%～95%，而對其它國家的水稻種植面積的預(yù)測準(zhǔn)確度約為85%～90%。2015年，該公司計劃免費提供一些基本預(yù)測數(shù)據(jù)，同時為付費用戶提供更詳細(xì)的信息。

對于NASA來說，其衛(wèi)星數(shù)據(jù)實現(xiàn)了真正的應(yīng)用，而不僅僅是用于基礎(chǔ)研究。這些數(shù)據(jù)不僅可用于水稻的預(yù)測，還可以用于其它商品的預(yù)測，其應(yīng)用潛力是無限的。

隨著NASA土壤濕度主被動探測衛(wèi)星（SMAP）和全球降水測量核心觀測平臺的升空，更多的衛(wèi)星成像儀器的應(yīng)用，衛(wèi)星圖像及其它數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展，而NASA為這一應(yīng)用拓展提供了機(jī)遇和幫助。

（唐 甜）

Rice Crop Models Stabilize Global Markets，Enable Efficient Irrigation

▲ 越南湄公河三角洲水稻主產(chǎn)區(qū)在一年中不同時間段的衛(wèi)星圖像，不同的顏色代表土壤濕度和生物量的不同