遙感技術在農(nóng)作物空間格局監(jiān)測中的作用

摘? 要：遙感技術以其時效高、范圍廣、成本低等突出優(yōu)勢被廣泛應用于農(nóng)作物空間格局監(jiān)測中，在農(nóng)作物種植面積、復種模式以及種植方式上是一種新的科學技術手段，有利于掌握大區(qū)域尺度農(nóng)作物的生長信息。遙感技術監(jiān)測通過識別綠色植物光譜特征來區(qū)分農(nóng)作物種植面積;通過同一地區(qū)生長季節(jié)內(nèi)植被指數(shù)時間序列數(shù)據(jù)擬合生長曲線，進行復種模式監(jiān)測;最后根據(jù)時間序列遙感數(shù)據(jù)，區(qū)分農(nóng)作物生長周期，進行種植方式監(jiān)測。遙感技術在農(nóng)作物空間格局監(jiān)測上的應用，是打造及精準農(nóng)業(yè)的強大助力。

關鍵詞：遙感技術? ?農(nóng)作物空間格局? ?種植面積? ?復種模式? ?種植方式

中圖分類號：S127? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

The Role of Remote Sensing Technology in Monitoring Spatial Pattern of Crops

TANG Chenguang

（Huaihua Polytechnic College， Huaihua， Hunan Province， 418000 China）

Abstract： Remote sensing technology has been widely used in monitoring the spatial pattern of crops due to its outstanding advantages of high time-effectiveness， wide range and low cost. It is a new scientific and technological means in terms of crop planting area， multiple cropping pattern and planting mode， which is beneficial to master the growth information of crops at large regional scale. Remote sensing technology can distinguish the planting area of crops by identifying the spectral characteristics of green plants. The multiple cropping pattern was monitored by fitting the growth curve with the vegetation index time series data in the same growing season. Finally， according to the time series remote sensing data， the growth cycle of crops is distinguished and the planting pattern is monitored. The application of remote sensing technology in monitoring the spatial pattern of crops is a powerful help to build and quasi-agriculture.

Key Words： Remote sensing technology; Spatial pattern of crops; Planting area; Multiple cropping mode; Planting method

農(nóng)作物空間格局指的是某個地區(qū)作物種植結(jié)構、一年幾熟以及種植方式的綜合表述，具體來說，體現(xiàn)在種植什么與在哪里種、一年幾熟以及在連作、輪作、間種、套種等中選擇如何進行種植。農(nóng)作物空間格局的提出為人們詳細了解一個地區(qū)作物種類、結(jié)構與分布特點提供重要信息，也為人們調(diào)整、優(yōu)化作物結(jié)構提供可靠依據(jù)，有利于人們了解農(nóng)業(yè)資源在空間范圍中的生產(chǎn)狀況。同時，研究農(nóng)作物空間格局特征以及它的時間變化信息對農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要影響，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對地球碳循環(huán)的影響、全球變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及農(nóng)作物空間動態(tài)變化的建立機制上。所以，從農(nóng)業(yè)長期發(fā)展的角度來看，對農(nóng)業(yè)空間格局進行監(jiān)測具有深遠且重要的意義。

1 遙感技術在精準農(nóng)業(yè)中的應用

科技的飛速發(fā)展驅(qū)動著農(nóng)業(yè)技術的突飛猛進，尤其是遙感技術在農(nóng)業(yè)中的普遍應用，改變了傳統(tǒng)農(nóng)民“看云識天氣”、看地看作物的農(nóng)業(yè)模式，取而代之的是數(shù)據(jù)信息下的農(nóng)耕技藝。遙感技術從高空衛(wèi)星到低空無人機再到充滿各個區(qū)域的互聯(lián)網(wǎng)傳感器，逐漸滲透到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的方方面面，通過使用各種新興的信息采集技術和裝備對天空、地面進行全方位、全天候監(jiān)測，獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過專業(yè)分析，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準化與管理的智能化。

遙感技術傳來的遙感影像，可實時監(jiān)測作物長勢。遙感影像通過全天候地記錄作物不同生長階段狀況，形成相同區(qū)域的時間序列圖像，從而對農(nóng)作物不同階段的生長趨勢達到實時監(jiān)控。不同作物生長狀況不同，即使是相同作物，也會因其光照、土地、水分之差而形成不生長差異，但通過衛(wèi)星照片上綠色植物的光譜數(shù)據(jù)，可以直觀地看到作物生長信息、準確判斷作物的生長情況，達到對農(nóng)作物全方位監(jiān)測的目的[1]。因此，這種遙感技術監(jiān)測立足于綠色植物光譜理論，通過及時反饋作物生長狀況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、預測產(chǎn)量提供重要依據(jù)。

此外，遙感技術可以通過葉子反射出的近紅外波段來進行作物類型識別。因此，人們可以利用遙感技術調(diào)查作物關鍵階段特征，以及形成的遙感影像，通過分析采集的作物的關鍵階段特征進行農(nóng)作物分類，以達到識別不同類型的農(nóng)作物的目標?？傊?，遙感技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，可以提升識別作物類型的速度和準確性，實時監(jiān)測作物生長信息，為改善農(nóng)作物的種植面積、復種模式以及種植模式提供極大便利，具有十分廣闊的應用前景。

2 遙感監(jiān)測農(nóng)作物種植面積

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面積的測量中，都是人工進行統(tǒng)計，不僅消耗時間，又無法得到準確數(shù)據(jù)。因此，將遙感技術用于田地面積測量中，可以精準、高效地獲取農(nóng)田信息。傳統(tǒng)的遙感技術具有成本高、周期長、易受天氣因素影響的特點，以致無法達到新時代精準農(nóng)業(yè)的要求，如衛(wèi)星遙感和載人飛機遙感。而隨著新興技術的出現(xiàn)——無人機技術，以及在民用領域的普遍應用，無人機對農(nóng)田進行低空遙感開始成為可能。無人機技術具有諸多特點，如操作簡易、成本低、周期短以及靈活性強，可以克服傳統(tǒng)遙感技術因天氣干擾而無法準確監(jiān)測的不足，快速、準確地獲取農(nóng)作物種植面積。

無人機遙感監(jiān)測是把無人機技術與遙感結(jié)合，建立無人航空器遙感平臺。將各種遙感設備安裝在無人機上，利用其低空飛行技術，獲取所需的影像數(shù)據(jù)。無人機遙感的高空間分辨率即使在采集很小區(qū)域農(nóng)田信息時也能準確應用，且不受云層和空間輻射的影響。對于中小尺度的種植面積，可以采用圖像分割法，以避免高空間分辨率所帶來的地物內(nèi)部的復雜紋理。圖像分割法通過對影像進行尺度分割再分類，合并相鄰的像素或分割對象，從而達到對種植面積的精準測量[2]。這是一種在保證對象之間形成的異質(zhì)性最小，內(nèi)部象元與象元之間擁有最大同質(zhì)性的前提下，通過區(qū)域合并技術，從而達到影像分割的方法。并且，影像分割效果的好壞對特征提取以及完成目標分類有著重要影響。此外，利用無人機遙感技術進行測繪操作時，應根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的地理條件，選擇適合的飛行區(qū)域;最重要的是認識到無人機在飛行時產(chǎn)生大的偏角、像幅小的特點可能造成拍攝內(nèi)容偏差的問題[3]，因此，人們可以采用空中三角技術對其內(nèi)容進行糾正和修復，保證地理位置的完整性。

3 遙感監(jiān)測農(nóng)作物復種模式

隨著遙感技術在農(nóng)作物種植面積的應用，將遙感技術運用在作物復種模式上也成必然趨勢。通過監(jiān)測綠色植物的光譜特征，遙感技術可以得到不同時間段的遙感數(shù)據(jù)，從而很好地觀測到作物的生長狀況。通過分析遙感數(shù)據(jù)得到植被指數(shù)數(shù)據(jù)，再把一年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)形成變化趨勢圖，以時間為橫坐標的時間序列組，以此來反映農(nóng)作物一年的生長狀況變化。這個時間序列動態(tài)且直觀地顯示出作物從播種到幼苗到長高直至成熟的全生命周期過程。同時還可以根據(jù)作物成熟次數(shù)制作指數(shù)曲線圖，一年幾熟便繪制幾個生長周期[4]。因此，這種采用作物時間序列指數(shù)數(shù)據(jù)擬合得到作物的生長曲線，可以達到對作物復種模式的有效監(jiān)測。此外，對于農(nóng)作物復種模式遙感監(jiān)測方法，人們一般采用操作簡單的峰值法。它把植被指數(shù)變化曲線出現(xiàn)的峰值次數(shù)與農(nóng)作物一年種植次數(shù)相等作為假設前提，比如：相同地區(qū)的某些作物一年一熟，那么它的植被指數(shù)峰值可能就只有一個，以此類推。對于峰值數(shù)目和分布的獲取，人們一般采用直接比較法和二次差分法。但是，只計算峰值無法消除監(jiān)測誤差，所以我們需要根據(jù)現(xiàn)實因素和其他約束條件對峰值進行判定和取舍。

4 遙感監(jiān)測農(nóng)作物種植方式

農(nóng)作物種植方式一般來說，有連作、輪作、間種和套種等。在考慮到地理條件、氣候條件以及土地使用方面，可以發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物種植方式與其復種模式差異并不明顯，但究其根本，農(nóng)作物種植方式是不同作物在不同生長季節(jié)下的種植先后順序和方式，但復種模式更加注重于某個地區(qū)的作物一年可以種植幾次。農(nóng)作物種植方式多樣化，比如：有的地區(qū)作物一年可以成熟多次，那么種植方式采用連種更好。而輪作是指根據(jù)作物成熟周期在不同季節(jié)種植不同的作物，如小麥和玉米。農(nóng)作物種植方式的不同，以致遙感技術監(jiān)測到的信息也不同[5]。

以玉米大豆輪作遙感監(jiān)測為例。大豆玉米的輪作涉及種植結(jié)構的調(diào)整，這就要求遙感監(jiān)測在分塊土地、面積與位置等方面達到精準監(jiān)測，因此，遙感監(jiān)測應涉及3個方面，即種植區(qū)域識別、作物類型識別以及作物生長變化檢測。在作物種植區(qū)域識別上，遙感技術利用高分辨率影像自動識別，比如：利用無人機影像提取地塊信息，同時使用分水嶺分割以及邊緣提取等方法進行地塊信息提取，這種方法可以節(jié)約人力和時間。在生長變化檢測中，利用多個時間的遙感數(shù)據(jù)對作物生長周期內(nèi)的變化進行監(jiān)測，通過各種方法把多期遙感圖像的信息進行整合，同時設置一定閾值以達到對作物的識別。

對于農(nóng)作物種植方式的監(jiān)測方法，一般是用時序遙感數(shù)據(jù)。人們可以通過分析作物指數(shù)數(shù)據(jù)的變化特征，以此來進行作物生長周期的區(qū)分。同時，人們經(jīng)過調(diào)查可得到某一地區(qū)作物的生命周期，再通過遙感監(jiān)測得到的相關數(shù)據(jù)擬合成的作物的生命周期，二者進行耦合，從而對作物的種植方式進行判斷。遙感技術在農(nóng)作物種植方式上進行監(jiān)測，使分散區(qū)域下的農(nóng)作物的生長變化一直在監(jiān)測中，有利于預測作用產(chǎn)量、充分利用土地資源，有利于農(nóng)業(yè)種植方式的發(fā)展。

5 農(nóng)業(yè)遙感的其他應用

病蟲害監(jiān)測。遙感技術可以實時監(jiān)測植物葉片中的熱紅外波段，從而獲得作物病蟲害分布的動態(tài)信息，有利于農(nóng)業(yè)更好地監(jiān)測作物病蟲害問題。生長正常的作物一般通過葉片上的氣孔調(diào)節(jié)蒸騰作用，進而保持農(nóng)作物整體溫度的恒定[6]。而有病蟲害問題的作物，葉子表面會表現(xiàn)出白斑等病理變化，導致植物的蒸騰作用比正常植株顯著下降，造成有蟲害部分的葉片溫度失衡。通常有病蟲害的植物對葉片七孔的開閉有一定影響，甚至造成其失調(diào)，從而導致有病蟲害的葉片蒸騰作用明顯高于正常葉片的蒸騰作用。而蒸騰作用對葉片保持恒溫有重要影響，高的蒸騰作用致使病蟲害葉片區(qū)域溫度下降，且有蟲害的葉片部位溫差高于正常葉片溫差，葉片上的病蟲害問題也愈發(fā)明顯，等到葉片病蟲害區(qū)域細胞完全壞死，那整個葉片將會完全喪失蒸騰作用，以至葉片枯黃而衰敗。作物病蟲害監(jiān)測，實際上便是通過監(jiān)測正常作物的溫差要一直低于作物葉片表面的溫度，觀察作物植株葉片動態(tài)變化，掌握植物病蟲害趨勢變化，為解決農(nóng)業(yè)產(chǎn)量問題提供幫助。

估計作物產(chǎn)量。我國在主要生產(chǎn)糧食地區(qū)，建立了產(chǎn)量估算系統(tǒng)。比如：對某一地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量預測，將RS與GIS技術結(jié)合并運用到遙感產(chǎn)量估算，通過把小麥產(chǎn)量估算的整個操作過程裝載到計算機程序系統(tǒng)中，使操作數(shù)字化、程序化，從而輸出小麥各種估算的產(chǎn)量。將冬小麥產(chǎn)量估算結(jié)果與實際產(chǎn)量進行對比，可以發(fā)現(xiàn)我國冬小麥產(chǎn)量估算系統(tǒng)精度較高，在對大面積冬小麥產(chǎn)量估計時可以達到95%的高精度，并且隨著信息技術的不斷發(fā)展，冬小麥產(chǎn)量估算系統(tǒng)不斷更新與完善，操作系統(tǒng)的精度將會達到更高，并且操作成本也隨著大面積使用和常年運營而逐漸降低。

農(nóng)業(yè)遙感的拓寬領域。信息技術的快速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能技術不斷運用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)運用到農(nóng)業(yè)遙感，再加上其他學科領域的應用，跨學科的融合不僅促進農(nóng)業(yè)遙感的快速前進，還擴大農(nóng)業(yè)遙感的應用范圍，逐漸形成“空、天、地”一體的全方位全天候農(nóng)業(yè)遙感體系，促進發(fā)展智能農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)。

6 結(jié)語

將遙感技術應用于對農(nóng)作物種植面積、復種模式以及種植方式的監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動提供農(nóng)作物詳細的生長信息，有利于掌握復雜多變的農(nóng)業(yè)自然資源。同時，在作物預測產(chǎn)量、單產(chǎn)和總產(chǎn)上發(fā)揮重要作用，為我國打造精準農(nóng)業(yè)提供強大助力。遙感技術的應用對我國未來農(nóng)業(yè)規(guī)劃和管理有著深遠且重要的影響，因此，我們應該不斷提高農(nóng)業(yè)遙感技術，聚力打造智能農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)。

參考文獻

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[5] 王芳.基于遙感的干旱區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構提取與農(nóng)業(yè)用水研究[D].重慶：重慶交通大學，2020.

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基金項目： 2019年湖南省教育廳科學研究項目《基于無線傳感器技術的有機水果優(yōu)質(zhì)生長曲線研究》（項目編號：19C1488）。

作者簡介：唐晨光（1979—），男，碩士，副教授，高級工程師，研究方向為職業(yè)教育、電子技術。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-3485