“北斗+遙感”助力數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展

文｜張民

中國科學(xué)院合肥智能所

一、前言

農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化進程直接關(guān)系到社會主義現(xiàn)代化目標(biāo)的進度和質(zhì)量成色，利用現(xiàn)代信息技術(shù)提高農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化、智能化發(fā)展水平，既是鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略方向，也是建設(shè)數(shù)字中國的重要內(nèi)容。大力發(fā)展農(nóng)村現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，充分利用我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高分系列遙感衛(wèi)星和無人機平臺的多源觀測數(shù)據(jù)，推廣其在農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境、作物和宅基地管理中的應(yīng)用，建設(shè)自然資源遙感監(jiān)測一張圖和綜合監(jiān)管平臺，對數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。

二、北斗+遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全球范圍的高精度導(dǎo)航、定位和授時功能，已在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)機導(dǎo)航與自動駕駛、農(nóng)田信息測繪、無人機植保和農(nóng)村三維模型構(gòu)建中得到廣泛應(yīng)用。但北斗定位技術(shù)無法對農(nóng)業(yè)農(nóng)村要素的變化特征進行動態(tài)監(jiān)測、分析；而衛(wèi)星遙感技術(shù)則可以獲取地物的分布狀況和植被覆蓋情況，已廣泛應(yīng)用于作物長勢、農(nóng)業(yè)保險和生態(tài)環(huán)保等領(lǐng)域。采用較高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)可進行農(nóng)作物長勢監(jiān)測，但由于衛(wèi)星的重訪周期較長，不利于作物的連續(xù)監(jiān)測。利用輕小型無人機遙感具有操作簡便、可動態(tài)連續(xù)監(jiān)測等獨特優(yōu)勢，可用于農(nóng)作物識別提取和精細分類、農(nóng)作物估產(chǎn)及長勢監(jiān)測分析、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測等方面。利用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合作物生長發(fā)育期數(shù)據(jù)，通過圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、植被歸一化指數(shù)分析等方法，有效地提取了農(nóng)田受災(zāi)程度，可作為氣象農(nóng)業(yè)保險定損的有效參考；進一步利用遙感技術(shù)進行大規(guī)模災(zāi)損分析，最大程度上減少損失，可指導(dǎo)農(nóng)民進行災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)和災(zāi)區(qū)重建。此外，利用多源遙感信息技術(shù)可高效、準(zhǔn)確、大面積和實時獲取專題數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以指導(dǎo)環(huán)保部門分類分區(qū)開展生態(tài)環(huán)境整治工作，可為生態(tài)環(huán)境治理的科學(xué)決策提供依據(jù)。

目前，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展面臨農(nóng)業(yè)相關(guān)人才少、經(jīng)濟效益差和科技含量低等問題，導(dǎo)致農(nóng)村對年輕人的吸引力不足，限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高。如何利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效益，促進農(nóng)業(yè)精細化、高效化和綠色化發(fā)展，是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的重要問題。

三、北斗+遙感技術(shù)對現(xiàn)代農(nóng)村建設(shè)的推動作用

我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施需要大量、精確的農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)據(jù)，且觀測要素復(fù)雜多樣，具有典型的時空變化特性。因此，如何充分利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)和多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同時空尺度下的數(shù)據(jù)獲取，滿足農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求，是推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要途徑。

1.利用北斗獲取高精度農(nóng)村、農(nóng)業(yè)要素分布

隨著我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成投用和國產(chǎn)芯片的技術(shù)突破，利用北斗高精度定位技術(shù)推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有廣泛的應(yīng)用前景。地基增強系統(tǒng)(CORS系統(tǒng))是北斗高精度定位前提，當(dāng)前我國已建立了國家級和省級CORS為主，千尋位置、中國移動等商業(yè)CORS為輔的北斗地基服務(wù)體系?；贑ORS系統(tǒng)提供的高精度改正信息，可以實現(xiàn)分米級至厘米級的高精度位置信息獲取?；谑殖諫IS數(shù)據(jù)采集軟硬件終端，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)地塊等要素信息的數(shù)據(jù)采編、數(shù)據(jù)管理和查詢功能。此外，隨著低成本、小型化無人機技術(shù)的發(fā)展，搭載高精度定位定姿模塊的無人機可以實現(xiàn)免相控的三維傾斜攝影測量，構(gòu)建農(nóng)業(yè)農(nóng)村三維模型；基于高精度地塊信息確定農(nóng)田邊界，利用植保無人機可實現(xiàn)自動規(guī)劃航線、全自動化農(nóng)藥、化肥等作業(yè)。此外，利用搭配RTK技術(shù)的自動駕駛農(nóng)機，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)播種和收割，提高農(nóng)業(yè)自動化程度。

2.遙感監(jiān)測農(nóng)作物長勢

農(nóng)作物長勢是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，評估產(chǎn)量最為重要的農(nóng)情要素之一。作物在不同的生長發(fā)育階段，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)都會存在一系列周期性變化，進而使得農(nóng)作物及其背景地物反射或發(fā)射的電磁波輻射特性產(chǎn)生差異，通過遙感影像捕獲對應(yīng)的變化信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治龊吞幚恚梢詷?gòu)造出與農(nóng)作物生長情況密切相關(guān)的指標(biāo)，以反映作物的生長發(fā)育狀況。在農(nóng)作物收獲前對其生長過程中出現(xiàn)的問題進行提前診斷，可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的作物管理和田間作業(yè)提供重要依據(jù)，及時準(zhǔn)確地調(diào)整施肥、田間管理措施，從而保證作物的正常生長，獲得更好的經(jīng)濟效益。利用遙感技術(shù)連續(xù)對地面進行長期觀測，在時間尺度上與多年歷史數(shù)據(jù)對比, 可以反映實時的作物生長差異, 可以對差異值進行分級, 進而通過分等定級,根據(jù)氣候條件等影響因素，得出影響作物生長的關(guān)鍵因素，進而改進種植計劃。圖1為利用多光譜遙感影像數(shù)據(jù)進行作物長勢監(jiān)測，圖2為基于作物長勢和氣候條件進行作物產(chǎn)量預(yù)估。通過對區(qū)域或全國同類作物的生長狀況進行統(tǒng)計和分析，構(gòu)成時間和空間的一體化多維信息集合，實現(xiàn)大面積、實時準(zhǔn)確的多維時空信息大數(shù)據(jù)，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、預(yù)測作物單產(chǎn)和總產(chǎn)提供重要的依據(jù)和參考。

圖1 基于遙感技術(shù)進行水稻長勢監(jiān)測（2017年7月26日普濟圩農(nóng)場）

圖2 基于遙感技術(shù)進行水稻產(chǎn)量預(yù)測（普濟圩農(nóng)場）

3.遙感在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)保險中的應(yīng)用

我國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，要發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，就必須分散農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營風(fēng)險,減少由于自然災(zāi)害和市場價格波動等原因?qū)е碌霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，發(fā)展農(nóng)業(yè)保險能夠有效地將保險分散風(fēng)險的功能引入農(nóng)業(yè)經(jīng)營中，增加農(nóng)戶經(jīng)營農(nóng)業(yè)活動的抗風(fēng)險能力，對推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興具有重要作用。但對于保險公司而言，由于農(nóng)業(yè)經(jīng)營的分散性及農(nóng)業(yè)保險技術(shù)的局限性，保險公司核賠的難度遠大于一般商業(yè)保險，使得騙保現(xiàn)象較為普遍。造成這種因素的主要原因包括：①投保環(huán)節(jié)依靠人工進行統(tǒng)計獲取農(nóng)業(yè)清單數(shù)據(jù)，未能建立起村、農(nóng)戶、地塊、種植物之間唯一性聯(lián)系；②核保環(huán)節(jié)缺乏驗核手段。一方面受災(zāi)信息不明，導(dǎo)致查驗困難，進而引發(fā)虛假投保和重復(fù)投保等問題，人力核保成本較高；③理賠環(huán)節(jié)，理賠流程較長且無法大規(guī)模低成本統(tǒng)計受災(zāi)情況。利用遙感與北斗定位相結(jié)合，通過遙感分析進行作物識別，與邊界權(quán)屬信息進行融合比對，從而預(yù)估受災(zāi)情況，并與承保信息匹配，可以提高農(nóng)業(yè)保險效率。圖3給出了采用遙感影像進行旱情和洪澇受災(zāi)分析的情況，可以定量獲取農(nóng)戶受災(zāi)情況，為保險核保提供重要支撐。

圖3 基于遙感技術(shù)進行洪澇災(zāi)害受災(zāi)情況普查（普濟圩農(nóng)場）

4.遙感在生態(tài)環(huán)保中的應(yīng)用

隨著高時空分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建天空地一體的立體監(jiān)測體系，實現(xiàn)從點上監(jiān)測向面上監(jiān)測、從靜態(tài)監(jiān)測向動態(tài)監(jiān)測、從定時監(jiān)測向連續(xù)監(jiān)測、從局地監(jiān)測向全球監(jiān)測快速發(fā)展，是促進遙感技術(shù)發(fā)展的重要途徑。遙感應(yīng)用于空間環(huán)境監(jiān)測主要包括大氣污染狀況監(jiān)測、水環(huán)境變化監(jiān)測和環(huán)境災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測等。圖4給出了生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測的典型應(yīng)用，基于多期衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)影像分析，對長江流域一千米范圍內(nèi)企業(yè)進行監(jiān)測和歷史對比，并監(jiān)測附近的一千米范圍內(nèi)所有沿江（包括支流）企業(yè)位置分布情況，另包含水域、濕地、林地、農(nóng)田、分布情況及結(jié)構(gòu)變化，進行動態(tài)的地理信息監(jiān)測管理，實現(xiàn)市縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)多級監(jiān)管。嚴(yán)密監(jiān)測長江流域一千米范圍內(nèi)企業(yè)經(jīng)過整治后的搬遷、拆遷情況，在地圖上就能看到是否達到整治目的，著力構(gòu)建水清岸綠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長江經(jīng)濟帶。

圖4 基于遙感技術(shù)進行生態(tài)環(huán)保監(jiān)測

四、結(jié)束語

我國目前處于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的起步階段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)特定場景的應(yīng)用已經(jīng)顯示出其重要推動作用。如何進一步推進我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，需要依靠政府的政策支持、推進相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)；充分利用國產(chǎn)北斗和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)促進農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)共享，研究人工智能技術(shù)和農(nóng)業(yè)自動化機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)中的應(yīng)用，促進農(nóng)業(yè)軟硬件裝備國產(chǎn)自主化，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要途徑。