遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

李金帥

(長安大學(xué)，陜西 西安 710064)

引言

遙感技術(shù)是一種獲取地表物體幾何和物理性質(zhì)的技術(shù)。早期的遙感圖像的解譯，通常通過目視判讀方法，隨著計(jì)算機(jī)的加速發(fā)展，解譯方法得到了快速發(fā)展，一種使用計(jì)算機(jī)對(duì)原始遙感影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像變化、輻射校正、幾何校正等一系列的預(yù)處理，然后通過相應(yīng)的遙感處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步精處理，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，最終通過專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解譯，直接對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行處理，生成具有處理特征的遙感影像[1]。目前，遙感可分為高光譜遙感和多光譜遙感。高光譜遙感不僅可以探測到被遮蓋的地物，而且可以準(zhǔn)確地估計(jì)植物生態(tài)系統(tǒng)的物理和化學(xué)參數(shù)的變化，包括土壤水分、土壤特性、植被干物質(zhì)、土壤生物化學(xué)參數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測變化等。多光譜遙感是利用具有2個(gè)及2個(gè)以上光譜通道，采用多種傳感器對(duì)地物進(jìn)行同步成像的一種遙感技術(shù)；將地物反射的電磁波信息劃分為若干個(gè)光譜波段，用于接收和記錄地物信息[2,3]。當(dāng)前遙感技術(shù)的發(fā)展使得遙感應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，有林業(yè)遙感、資源遙感、遙感地質(zhì)、氣象遙感、災(zāi)害遙感、軍事遙感、農(nóng)業(yè)遙感等，尤其在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從早期的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測和農(nóng)作物面積變化監(jiān)測，再到農(nóng)業(yè)資源利用監(jiān)測，以及利用無人機(jī)對(duì)區(qū)域水資源和農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測與評(píng)價(jià)等。

1 遙感在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

遙感可以獲得大量的信息，多平臺(tái)和多分辨率，快速、覆蓋范圍廣等，是遙感數(shù)據(jù)的一個(gè)重要的優(yōu)勢。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)是遙感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合形成的，是可以及時(shí)掌握農(nóng)業(yè)資源、作物生長以及農(nóng)業(yè)災(zāi)害信息等的最佳方式，在調(diào)查和評(píng)估，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測和管理中具有獨(dú)特的作用[4,5]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)遙感發(fā)展的新興技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測湖泊和水庫水面的高度以及評(píng)價(jià)區(qū)域水資源和農(nóng)業(yè)干旱，包括作物品種質(zhì)量監(jiān)控和鑒定[6-9]。

2 農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)在我國的起步與發(fā)展

農(nóng)業(yè)遙感的發(fā)展是遙感技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，中國自20世紀(jì)70年代末以來，就已經(jīng)進(jìn)行了農(nóng)業(yè)遙感的初步應(yīng)用。原北京農(nóng)業(yè)大學(xué)(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的前身)根據(jù)國家土壤調(diào)查的要求，在中國國家計(jì)劃委員會(huì)的支持下，由中國科教委和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織聘請(qǐng)外國專家培訓(xùn)了專門的遙感應(yīng)用人才隊(duì)伍，在1983年5月成立了中國國家農(nóng)業(yè)遙感培訓(xùn)中心。此后，我國將遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物產(chǎn)量估算、農(nóng)業(yè)氣象、土地資源調(diào)查與監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境變化等領(lǐng)域。目前，遙感技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了大量的實(shí)際應(yīng)用化的階段。我國大力開展國際合作與研究，積極探索遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，使得中國成為世界上遙感領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)的國家之一[10,11]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代中后期，出現(xiàn)了大量比較成熟的農(nóng)業(yè)遙感軟件，包括農(nóng)業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測的軟件，由中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感實(shí)驗(yàn)室組織開發(fā)的遙感處理軟件——土地利用調(diào)查與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所開發(fā)的北方草原產(chǎn)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件等，新的遙感處理軟件大大提高了人們的工作效率。近年來，各部門逐漸建立了地方的遙感中心，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了大量支持。隨著遙感技術(shù)的逐漸成熟、數(shù)據(jù)來源的大量增加，以及計(jì)算機(jī)軟硬件性能的快速提高，使得遙感應(yīng)用逐漸普及[12]。

3 遙感在當(dāng)前農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的進(jìn)展

當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，具有高質(zhì)量、安全、低耗、高效的特點(diǎn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的大量信息采集，如農(nóng)作物長勢監(jiān)測、作物害蟲監(jiān)測、作物產(chǎn)量預(yù)測，土壤水分預(yù)報(bào)等農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)信息，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)信息管理提供了依據(jù)。雖然國內(nèi)的遙感在農(nóng)業(yè)方面做了一些工作，但仍處于起步階段[13-16]。農(nóng)業(yè)遙感在未來應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)用的深度和廣度研究。通過3S技術(shù)的結(jié)合，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)工程監(jiān)理和其它現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)領(lǐng)域，為農(nóng)業(yè)部門的科學(xué)決策提供了詳實(shí)的支持?jǐn)?shù)據(jù)。高光譜遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)遙感新的研究熱點(diǎn)[14]。

3.1 高光譜遙感在農(nóng)業(yè)遙感中的應(yīng)用

由于高光譜遙感不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成損害，因而被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測農(nóng)作物的葉片面積。這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取農(nóng)作物葉面積指數(shù)時(shí)間過長的缺點(diǎn)，從而獲得最準(zhǔn)確、損害最小的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過高光譜的觀測和分析，可以得到更為精確的農(nóng)作物葉面積指數(shù)，形成不同的遙感反演模型。如，使用地物光譜儀測量冬小麥在特定波段范圍內(nèi)的反射率和透射率，使用冠層分析儀對(duì)冬小麥進(jìn)行分析，形成光譜曲線；經(jīng)過觀測，形成遙感反演模型，并將模型估計(jì)值與實(shí)際觀測值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，明顯提高了遙感反演模型的整體精度?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的主要方向和目標(biāo)是精細(xì)農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中高光譜遙感技術(shù)具有快速高效、準(zhǔn)確、無損的特點(diǎn)，已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用的手段。精細(xì)農(nóng)業(yè)可以通過科學(xué)、系統(tǒng)的管理方法對(duì)農(nóng)業(yè)資源利用進(jìn)行合理規(guī)劃，在不污染環(huán)境的前提下，通過遙感技術(shù)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量?？紤]到精細(xì)農(nóng)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)和信息的需求，傳統(tǒng)的分析方法已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。因此，3S技術(shù)的綜合被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)監(jiān)測中。高光譜遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。利用高光譜技術(shù)獲得更完整和更準(zhǔn)確的農(nóng)作物參數(shù)，為農(nóng)作物的種植與管理提供了有利的保障[18-20]。高光譜遙感技術(shù)除了上述內(nèi)容，在全面的農(nóng)作物質(zhì)量監(jiān)測，通過獲取農(nóng)作物在不同生長時(shí)期的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行全面的預(yù)測以及最后的生產(chǎn)，目前主要集中在不同農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量以及質(zhì)量監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)訪問與存儲(chǔ)。雖然高光譜技術(shù)已經(jīng)全面、準(zhǔn)確應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，但還需要進(jìn)一步的研究。如何將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物機(jī)理和農(nóng)業(yè)信息的監(jiān)測以及完善農(nóng)業(yè)光譜信息數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測模型的適用性和準(zhǔn)確性提供支持[22-26]。

3.2 無人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)中的研究進(jìn)展

3.2.1 農(nóng)田空間信息

農(nóng)田空間信息包括地理坐標(biāo)信息、通過視覺和機(jī)器識(shí)別獲得的農(nóng)作物分類信息。通過無人機(jī)可以識(shí)別農(nóng)田邊界來預(yù)估種植面積。傳統(tǒng)方法進(jìn)行農(nóng)田的面積測量，具有時(shí)效性差和農(nóng)田邊界位置與實(shí)際情況差異大的缺點(diǎn)，不利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施監(jiān)測。無人機(jī)可以準(zhǔn)確、有效并且實(shí)時(shí)獲取全面的農(nóng)田空間信息，具有傳統(tǒng)的測量無法比擬的優(yōu)勢。無人機(jī)航拍圖像可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田基本空間信息的識(shí)別，農(nóng)作物區(qū)域面積的計(jì)算和種類的識(shí)別僅通過數(shù)碼相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)?？臻g定位技術(shù)的快速發(fā)展，大大提高了農(nóng)田定位信息研究的精度和深度，隨著無人機(jī)影像空間分辨率的提高，地形、坡度和高程信息的引入，可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的農(nóng)田空間信息監(jiān)測。張宏明等利用無人機(jī)DEM數(shù)據(jù)提取農(nóng)田灌溉渠道系統(tǒng)，對(duì)于灌溉渠道提取完整性達(dá)到85.61%[19]。

3.2.2 作物生長信息

農(nóng)作物的生長狀況可以通過多種信息反映，如產(chǎn)量信息、表型參數(shù)以及營養(yǎng)指標(biāo)來表示。包括植被覆蓋度和葉面積指數(shù)等，多種信息相互關(guān)聯(lián)，共同代表了作物的生長，與最終產(chǎn)量直接相關(guān)[21]。在野外信息監(jiān)測研究中起著主導(dǎo)作用。

3.2.3 作物生長脅迫因子農(nóng)田墑情監(jiān)測

熱紅外法是農(nóng)田土壤含水量監(jiān)測的常用手段。在高植被覆蓋度的地區(qū)，通過葉片氣孔的關(guān)閉，可以有效減少蒸騰引起的水分損失，增加地表感熱通量，從而減少地球表面的潛熱通量，導(dǎo)致作物冠層溫度上升。水分脅迫指數(shù)能夠反映農(nóng)作物的水分含量與作物冠層溫度的關(guān)系。通過傳感器的熱紅外波段可以有效地獲得作物冠層溫度，進(jìn)而有效反映農(nóng)田水分狀況。在植被覆蓋度比較低的地區(qū)，土壤水分可以間接表示下墊面的地表溫度變化，由于水的加熱溫度變化是一個(gè)緩慢的過程，因此土壤水分的分布可以間接反映白天下墊面溫度的空間分布。裸地對(duì)遙感的溫度監(jiān)測是一個(gè)重要的干擾因子，在冠層溫度監(jiān)測中較為重要。研究者研究了裸地溫度與作物表面覆蓋度的關(guān)系，確定了裸地引起的冠層溫度測量值與真值之間的差距。將修正結(jié)果應(yīng)用于農(nóng)田水分監(jiān)測，提高了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際農(nóng)田生產(chǎn)經(jīng)營中，農(nóng)田漏水也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。利用紅外成像儀對(duì)灌溉渠的滲漏進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確率達(dá)93%[27-29]。

3.2.4 病蟲害監(jiān)測

通過熱紅外波段的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以有效反映作物病蟲害分布的動(dòng)態(tài)變化情況。作物在健康的條件下，蒸騰作用是通過氣孔的開閉來調(diào)節(jié)的，以保持農(nóng)作物溫度的恒定。當(dāng)發(fā)生病害后，葉面會(huì)發(fā)生病理變化。病原菌植物對(duì)植物蒸騰作用的影響比較明顯，會(huì)造成侵染部分溫度的升降。一般情況下，植物易感會(huì)導(dǎo)致氣孔開度失調(diào)，使致病區(qū)域的蒸騰作用高于健康區(qū)的蒸騰作用；旺盛的蒸騰作用會(huì)導(dǎo)致致病區(qū)域溫度的下降，致病區(qū)域的葉片溫差明顯高于正常葉片的溫差，直到壞死部位的細(xì)胞完全死亡，葉片會(huì)變得枯黃，葉片的蒸騰作用完全喪失。通過健康植株溫差始終低于葉片表面的溫度的原理[30-33]，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測作物病蟲害的變化趨勢。

4 總結(jié)

4.1 我國遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展

在我國主要糧食主產(chǎn)區(qū)，建立了產(chǎn)量估算信息系統(tǒng)，冬小麥遙感產(chǎn)量估算操作系統(tǒng)是RS與GIS技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?？梢詫⒄麄€(gè)產(chǎn)量估算的操作環(huán)節(jié)集成到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作中，具有完整的數(shù)字化操作能力，可以輸出各種產(chǎn)量估算結(jié)果。大量冬小麥產(chǎn)量估算試驗(yàn)結(jié)果表明，利用冬小麥遙感產(chǎn)量估算操作系統(tǒng)進(jìn)行大面積作物產(chǎn)量估算的精度可達(dá)95%以上，隨著運(yùn)行年限的逐漸積累，操作系統(tǒng)的生產(chǎn)精度將逐步提高，運(yùn)行成本將逐年降低。同時(shí)，我國迫切需要了解農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的變化，針對(duì)于種植面積計(jì)算的要求、監(jiān)控的增長潛力、建立單位面積產(chǎn)量模型和遙感監(jiān)測，中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室在GIS技術(shù)的支持下開發(fā)了一種作物產(chǎn)量估算的實(shí)用操作系統(tǒng)。并且，東北的三江平原，南方的太湖平原也相繼建立了遙感監(jiān)測系統(tǒng)，取得了良好的應(yīng)用效果。

4.2 遙感在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的前景

中國國家科教委將“RS、GIS和GPS綜合應(yīng)用研究”列為國家科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。到目前為止，遙感信息技術(shù)已連續(xù)7個(gè)“五年規(guī)劃”被列為國家重點(diǎn)項(xiàng)目，體現(xiàn)了國家對(duì)遙感的重視?？梢灶A(yù)見，遙感可以有效地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)發(fā)展中，使其走上產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路[35]。

5 結(jié)語

隨著國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)以及“高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)”的深入實(shí)施，中國將擁有更多的國產(chǎn)資源調(diào)查監(jiān)測衛(wèi)星。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，將使得我國農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。

5.1 農(nóng)業(yè)遙感的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬

物聯(lián)網(wǎng)加大數(shù)據(jù)與遙感觀測、導(dǎo)航與定位，結(jié)合其它學(xué)科領(lǐng)域，可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)遙感自身的發(fā)展，跨學(xué)科的應(yīng)用也將擴(kuò)大農(nóng)業(yè)遙感的應(yīng)用領(lǐng)域。需要進(jìn)一步建立“空、天、地”三位一體的農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)，深入發(fā)展遙感觀測精度的智能農(nóng)業(yè)、農(nóng)作物育種表型、農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)的監(jiān)測和評(píng)價(jià)、綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)政策的效果評(píng)價(jià)等方面。

5.2 人工智能信息提取和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用

農(nóng)作物類型的分類識(shí)別，土地利用方式和類型，農(nóng)作物長勢狀況以及外部環(huán)境因子的定量遙感，在大數(shù)據(jù)的支持下都是非常復(fù)雜的認(rèn)知過程。因?yàn)檫b感數(shù)據(jù)本身之間的關(guān)聯(lián)性，遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)波段的局限性以及同一光譜和不同光譜的光譜復(fù)雜性，使得遙感信息提取、智能信息的挖掘充滿著許多不確定性。今后的研究中，人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，將為農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境信息的反演、提取和應(yīng)用提供一種全新的思維方法和技術(shù)途徑。