劉海啟,游 炯※,王 飛,周應(yīng)華,李霄漢,黃 平
(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地利用遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100125; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)展規(guī)劃司,北京 100125;3. 河北省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室,石家莊 050057;4. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,成都 610066)
為深入推進(jìn)遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代地理空間信息技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部安排和國(guó)家外國(guó)專家局資助下,于2016年11月赴意大利進(jìn)行了實(shí)地考察。通過(guò)對(duì)意大利安全及防衛(wèi)監(jiān)測(cè)研究所、意大利航天局、新技術(shù)能源局、中小企業(yè)聯(lián)合會(huì)農(nóng)產(chǎn)品集群協(xié)會(huì)、e-GEOs對(duì)地觀測(cè)公司、羅馬二大、都靈理工大學(xué)以及聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)等機(jī)構(gòu)開展的為期21d專題學(xué)習(xí)研討,詳細(xì)了解了歐盟與FAO的農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用現(xiàn)狀及其未來(lái)打算。歐盟有關(guān)共同農(nóng)業(yè)政策(CAP)執(zhí)行效果遙感核查、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)地權(quán)屬管理系統(tǒng)及其應(yīng)用、自然災(zāi)害應(yīng)急管理、發(fā)展規(guī)劃引導(dǎo)及項(xiàng)目計(jì)劃資助等做法,對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用和數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展具有很好的借鑒意義。
歐盟(EU)高度重視遙感等空間信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究,并通過(guò)共同農(nóng)業(yè)政策(Common Agricultural Policy,CAP)[1]在歐盟國(guó)家推廣應(yīng)用。早在1988年,為準(zhǔn)確清查作物面積和預(yù)測(cè)糧食產(chǎn)量,歐盟農(nóng)業(yè)局(EU-Ⅵ)就實(shí)施了為期10年的農(nóng)業(yè)遙感研究計(jì)劃,即MARS計(jì)劃(Monitoring Agriculture with Remote Sensing)。通過(guò)邊研究邊應(yīng)用的策略,逐步進(jìn)入到實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。1993年開始應(yīng)用于歐盟國(guó)家農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)當(dāng)中, 2000年開始應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和糧食安全評(píng)估。隨著農(nóng)業(yè)遙感研究的不斷深入,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,產(chǎn)業(yè)化程度不斷提高,歐盟國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式基本形成,并對(duì)發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)擬定了研究規(guī)劃。
近30年來(lái),位于意大利的歐盟聯(lián)合研究中心(Joint Research Center,JRC)MARS項(xiàng)目組,通過(guò)構(gòu)建作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)系統(tǒng)(MARS Crop Yield Forecasting System,MCYFS)[2]、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Crop Growth Monitoring System,CGMS)[3]、作物模擬生物物理模型(Biophysical Model Application,BioMA)[4]等農(nóng)情監(jiān)測(cè)方法,監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程,評(píng)估天氣因素影響,及時(shí)提供作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)。目前,主要是利用哥白尼計(jì)劃(Copernicus Programme)[5]中的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),制作作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量空間分布圖,以便實(shí)現(xiàn)空間變量管理,形成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。如圖1所示。
圖1 農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)(a)基于2008—2012時(shí)間序列的2013年歐盟軟質(zhì)小麥產(chǎn)量; (b)小區(qū)域產(chǎn)量空間變異
自2000年開始,歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)開展了全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和糧食安全評(píng)估工作。主要監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)槿龉阅戏侵藜Z食短缺區(qū)域,以及世界其他糧食主產(chǎn)區(qū)。非洲大陸尺度農(nóng)田監(jiān)測(cè)效果顯著[6],主要方法是協(xié)同使用Globcover、SADC、CUI、LULC2000、GLCN Senegal等10種土地覆蓋/土地利用遙測(cè)數(shù)據(jù)集(圖2a),統(tǒng)一分類系統(tǒng)后,生成了250m空間尺度的非洲大陸農(nóng)田空間分布圖,同時(shí)利用Geo-Wiki工具[7]在Google Earth上獲取空間分辨率為1km的驗(yàn)證樣本,對(duì)JRC的250m非洲大陸農(nóng)田空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(圖2b)。結(jié)果顯示,JRC的方法克服了非洲農(nóng)田異質(zhì)性大、作物物候差異大、農(nóng)田斑塊空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干旱/半干旱區(qū)域農(nóng)田與草地等地類光譜相似性強(qiáng)、以及因干旱或休耕等因素引起的農(nóng)田年際變化大等問(wèn)題。
圖2 JRC 非洲大陸農(nóng)田分布監(jiān)測(cè)(a)10種土地覆蓋/利用數(shù)據(jù)源; (b)非洲農(nóng)田空間分布JRC監(jiān)測(cè)精度
近年來(lái),歐盟發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐。以意大利倫巴第大區(qū)為例,該大區(qū)成立的自耕農(nóng)協(xié)會(huì),在大農(nóng)場(chǎng)中推廣了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目(圖3)。其方法可歸納為“5S”技術(shù)體系:用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)(DPS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取信息和準(zhǔn)確定位,用遙感技術(shù)(RS)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況和空間變異信息,用地理信息系統(tǒng)(GIS)構(gòu)建空間信息數(shù)據(jù)庫(kù),用作物專家系統(tǒng)(ES)提供作物生長(zhǎng)過(guò)程模擬、投入產(chǎn)出分析,用裝備GPS系統(tǒng)的智能化農(nóng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制精準(zhǔn)播種、變量施肥用藥、以及收獲等生產(chǎn)過(guò)程。
圖3 智能化農(nóng)機(jī)裝備自動(dòng)控制精準(zhǔn)施肥
歐盟不同國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著明顯差異。在德國(guó)、荷蘭、丹麥、芬蘭等國(guó),農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商是發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要推動(dòng)力。在意大利、法國(guó)等國(guó),主要是政府與企業(yè)出資共同組建商業(yè)化運(yùn)營(yíng)公司,開展導(dǎo)航數(shù)據(jù)加工、基礎(chǔ)位置服務(wù)、終端制造以及用戶服務(wù)等業(yè)務(wù)。
自20世紀(jì)60年代開始,歐盟以共同農(nóng)業(yè)政策(CAP)方式對(duì)成員國(guó)農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼資助。為確保資金準(zhǔn)確分配到農(nóng)場(chǎng)主,歐盟開發(fā)了農(nóng)業(yè)綜合管理和控制系統(tǒng)(Integrated Administration and Control System,IACS)[8]。從1992年開始,農(nóng)地綜合管理納入歐盟共同農(nóng)業(yè)政策(CAP),強(qiáng)制要求各成員國(guó)使用[9]。主要功能包括3個(gè)方面:(1)接收和審查農(nóng)民提交的補(bǔ)貼申請(qǐng);(2)預(yù)防、核查和控制資金發(fā)放過(guò)程; (3)快速糾錯(cuò)機(jī)制。
目前,歐盟一些國(guó)家在IACS系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上,根據(jù)本國(guó)實(shí)際,不斷完善信息化管理功能。例如,意大利政府委托e-GEOs公司,將地理信息與其他輔助信息相結(jié)合,逐步完善系統(tǒng)、增加功能,用來(lái)查詢和掌握農(nóng)戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)企業(yè)的農(nóng)地空間分布、地力等級(jí)、土地利用類型、農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼等詳細(xì)情況。這種自主開發(fā)的地籍信息管理平臺(tái),更加注重用戶的個(gè)性需求:一是提交申請(qǐng)的方式更為靈活。比如,農(nóng)戶在申報(bào)種植變化信息時(shí),既可以個(gè)人直接申報(bào),也可以委托當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)幫助申報(bào)。二是可以互相交流??膳c農(nóng)戶互動(dòng)和交流,保證及時(shí)更新和高效運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利地籍信息管理平臺(tái)的用戶為150萬(wàn), 2017年開始強(qiáng)制國(guó)內(nèi)所有農(nóng)戶使用該系統(tǒng)。此外,通過(guò)這類電子地籍圖,還能發(fā)現(xiàn)一些農(nóng)民應(yīng)該申請(qǐng)補(bǔ)貼而沒(méi)有申請(qǐng)的情況。政府機(jī)構(gòu)借此可以查找土地所有者姓名,與農(nóng)戶聯(lián)系補(bǔ)貼事宜。
為確保農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼正確發(fā)放,自1993年開始,歐盟倡導(dǎo)各成員國(guó)采用遙感手段,對(duì)農(nóng)戶申請(qǐng)補(bǔ)貼的地塊種植情況進(jìn)行核查。從2014年開始,遙感核查方法(Checks with Remote Sensing,CwRS)[10]列入CAP條款[11-12]強(qiáng)制應(yīng)用。
CwRS方法利用遙感數(shù)據(jù)(圖4),針對(duì)地塊位置、作物類型及種植面積進(jìn)行核查。具體做法是: (1)利用航空遙感影像或高分辨率衛(wèi)星影像,對(duì)核查區(qū)域的所有地塊進(jìn)行識(shí)別,判別土地利用/土地覆蓋類型和作物類型; (2)數(shù)字化上圖,定位空間位置; (3)面積量算; (4)與申報(bào)面積對(duì)比; (5)監(jiān)控補(bǔ)貼資金發(fā)放的合法性。CwRS方法需要的遙感圖像數(shù)據(jù),均由歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)統(tǒng)一負(fù)責(zé)獲取、處理和分發(fā)。
圖4 多尺度遙感衛(wèi)星影像地塊識(shí)別效果對(duì)比
就意大利來(lái)說(shuō),承擔(dān)核查任務(wù)的專業(yè)機(jī)構(gòu)利用CwRS方法,每年向意大利政府提供一份核查報(bào)告,以3年為周期,完成意大利境內(nèi)所有農(nóng)地地塊的全覆蓋核查,并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)。同時(shí),利用這些詳細(xì)數(shù)據(jù)更新地籍圖,達(dá)到監(jiān)督農(nóng)戶和調(diào)控生產(chǎn)的目的。
圖5 歐盟農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害應(yīng)急制圖流程
在歐盟哥白尼計(jì)劃資助下,歐盟成員國(guó)利用衛(wèi)星技術(shù)特別是雷達(dá)技術(shù),開展了自然災(zāi)害的應(yīng)急制圖和評(píng)價(jià)工作。主要包括洪澇災(zāi)害、外來(lái)物種入侵、地震應(yīng)急災(zāi)害制圖等。意大利e-GEOs公司負(fù)責(zé)歐洲應(yīng)急災(zāi)害快速制圖及評(píng)價(jià),主要用戶為歐洲民防機(jī)構(gòu)。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí),應(yīng)歐洲民防機(jī)構(gòu)的要求,立即開始進(jìn)行災(zāi)害應(yīng)急制圖,如圖5所示。一般在2h以內(nèi)做好準(zhǔn)備工作; 6h以內(nèi),核對(duì)整理受災(zāi)地區(qū)已有的可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)源清單; 9—22h以內(nèi),完成災(zāi)區(qū)制圖并提供產(chǎn)品給用戶參考。產(chǎn)品內(nèi)容主要包括參考圖層、災(zāi)區(qū)邊界圖層、受災(zāi)等級(jí)圖等。近4年來(lái),e-GEOs公司受理了突發(fā)事件190多起,提供了2 500多份圖件。
在應(yīng)急制圖技術(shù)方面,除了目前常規(guī)的地圖基本要素標(biāo)識(shí)以外,還附加有地圖說(shuō)明。主要以文字形式進(jìn)行展示,提供詳細(xì)的地圖要素信息介紹、制圖的遙感數(shù)據(jù)源介紹和地面數(shù)據(jù)信息介紹。最有特色的是,地圖說(shuō)明中詳細(xì)描述了災(zāi)區(qū)的農(nóng)情信息,包括災(zāi)區(qū)農(nóng)用地面積、災(zāi)區(qū)作物面積變化趨勢(shì)與簡(jiǎn)要原因分析等內(nèi)容,如圖6所示。
圖6 農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害應(yīng)急圖件示例
總之,歐盟國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了數(shù)字化、精準(zhǔn)化、智能化階段[13-14]。針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需求的新型遙感傳感器及應(yīng)用平臺(tái)不斷創(chuàng)新,定量遙感技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)參數(shù)的估算精度不斷提高。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的空間尺度同時(shí)向宏觀和微觀兩個(gè)方向擴(kuò)展,在田間尺度上支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)操作,在區(qū)域和國(guó)家尺度上支持農(nóng)業(yè)科學(xué)決策,在全球尺度上支持糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易分析。
隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái),歐盟國(guó)家也提出了農(nóng)業(yè)4.0時(shí)代的概念,并制定一系列發(fā)展計(jì)劃(如歐盟“地平線2020”計(jì)劃[15])。意大利農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)<覍o(wú)人機(jī)遙感與GPS定位跟蹤、GIS空間分析、專家系統(tǒng)(ES)等有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如,利用農(nóng)作物表觀遺傳學(xué)參量實(shí)現(xiàn)育種策略選擇、利用電子嗅覺(jué)傳感器無(wú)損測(cè)量實(shí)現(xiàn)葡萄最佳采摘時(shí)間判識(shí)(圖7)、利用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模擬樹冠曲面實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生物質(zhì)信息估算,以及農(nóng)作物病害植株判識(shí)、農(nóng)作物潛在病害植株評(píng)估(圖8)、農(nóng)業(yè)景觀格局分析與土地利用規(guī)劃、特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)導(dǎo)致的環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和預(yù)防策略等。
圖7 葡萄園電子嗅覺(jué)傳感網(wǎng)無(wú)損測(cè)量判識(shí)最佳采摘時(shí)間
圖8 基于無(wú)人機(jī)遙感影像的農(nóng)作物潛在病害植株評(píng)估(a)Drone4; (b)無(wú)人機(jī)影像; (c)植株健康指數(shù)反演
根據(jù)歐盟“地平線2020”計(jì)劃、意大利《農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃(2014—2020)》、英國(guó)《農(nóng)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略》(Agri-Tech計(jì)劃)[16]等科研創(chuàng)新框架計(jì)劃,歐盟計(jì)劃在2015—2020年間利用遙感技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展6類農(nóng)業(yè)應(yīng)用[17],包括農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼核查、作物配套支付核查、作物多樣性監(jiān)測(cè)、永久性牧場(chǎng)保護(hù)監(jiān)管、休耕地和填閑作物監(jiān)測(cè),以及農(nóng)田景觀格局監(jiān)測(cè)。這些農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要是借助空間對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)如哨兵系列衛(wèi)星等,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)整體布局和農(nóng)作物實(shí)時(shí)信息的監(jiān)測(cè)和掌握。
與歐盟國(guó)家相比,我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化在遙感技術(shù)支撐方面還比較滯后,農(nóng)業(yè)數(shù)字化水平較低,農(nóng)業(yè)空間信息應(yīng)用較少。當(dāng)前需要著重推進(jìn)以下6方面工作。
數(shù)字農(nóng)業(yè)是貫徹落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的必然要求,是數(shù)字中國(guó)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,是推動(dòng)新時(shí)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根本途徑。數(shù)字農(nóng)業(yè)是指在現(xiàn)代空間信息技術(shù)支撐下的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),是現(xiàn)代信息技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系和經(jīng)營(yíng)體系中的融合發(fā)展而形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。數(shù)字農(nóng)業(yè)涉及到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的各個(gè)方面,需要用一個(gè)規(guī)劃提高認(rèn)識(shí)、推動(dòng)建設(shè)。
借鑒歐盟農(nóng)業(yè)遙感核查理念和方法,利用衛(wèi)星遙感手段,在農(nóng)村承包地確權(quán)完成的地區(qū),開展地塊級(jí)別的耕地休耕輪作遙感核查,效果顯著。一方面為財(cái)政補(bǔ)貼提供了科學(xué)依據(jù),另一方面為落實(shí)情況提供了真實(shí)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步加快開展農(nóng)業(yè)重大建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)核查、農(nóng)業(yè)功能區(qū)監(jiān)測(cè)核查、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)核查等工作。
借鑒歐盟等國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),我國(guó)需要加強(qiáng)兩方面工作:一是加快農(nóng)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程。在農(nóng)業(yè)資源、開發(fā)利用、權(quán)屬核定、政策執(zhí)行等方面,盡快形成數(shù)字化管理系統(tǒng)。二是加強(qiáng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究。在農(nóng)業(yè)資源權(quán)屬數(shù)字化基礎(chǔ)上,開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集、分析決策、生產(chǎn)要素投入變量管理等研究,構(gòu)建精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)和技術(shù)體系。
為充分利用“兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)”,形成與我國(guó)第二大經(jīng)濟(jì)體地位相匹配的農(nóng)業(yè)體系,確保國(guó)家糧食安全以及科學(xué)應(yīng)對(duì)全球農(nóng)業(yè)和環(huán)境問(wèn)題,需要加快建設(shè)全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借鑒歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家的做法,一是開展全球土地利用現(xiàn)狀尤其是耕地分布及耕地利用的數(shù)字建庫(kù)工作。二是針對(duì)重點(diǎn)地區(qū)、重要作物開展生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和綜合分析。
數(shù)字農(nóng)業(yè)工作需要政府示范引導(dǎo)和推動(dòng)。一是在已經(jīng)開展一些工程示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),加大力度,逐步形成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等新型的現(xiàn)代化生產(chǎn)方式。二是鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)主體建設(shè)新型的農(nóng)業(yè)服務(wù)體系,用信息把小農(nóng)戶和大市場(chǎng)聯(lián)系起來(lái),用網(wǎng)絡(luò)把農(nóng)村和城市聯(lián)系起來(lái),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交換、分配、消費(fèi)全過(guò)程的服務(wù)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮,一是開展高光譜應(yīng)用研究,找到農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)所需的最佳波段組合和計(jì)算模型。二是加快信息源擴(kuò)建,解決當(dāng)前缺乏雷達(dá)衛(wèi)星應(yīng)對(duì)云雨天氣問(wèn)題、缺乏紅邊波段應(yīng)對(duì)作物區(qū)分問(wèn)題、缺乏熒光波段應(yīng)對(duì)作物“亞健康”監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)問(wèn)題。