農(nóng)業(yè)遙感研究現(xiàn)狀與展望

　　摘要:遙感技術(shù)具有覆蓋面積大、重訪周期短、獲取成本相對低等優(yōu)勢，對大面積露天農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的調(diào)查、評價、監(jiān)測和管理具有獨特的作用。從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)民用資源衛(wèi)星后，農(nóng)業(yè)成為遙感技術(shù)最先投入應(yīng)用和收益顯著的領(lǐng)域。特別是隨著高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)在長時間序列作物長勢動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物種類細分、田間精細農(nóng)業(yè)信息獲取等關(guān)鍵技術(shù)方面得到了突破。但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分散性、時空變異性等特點，對當(dāng)前農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的應(yīng)用還存在諸多挑戰(zhàn)。本文簡要回顧了農(nóng)業(yè)遙感發(fā)展歷程以及其應(yīng)用的理論基礎(chǔ);再從農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理4個領(lǐng)域闡述了國內(nèi)外相關(guān)研究和應(yīng)用情況。最后提出農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)加強與地面農(nóng)業(yè)觀測網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，推動新一代低空無人機遙感平臺的發(fā)展，強化多源傳感器融合以及農(nóng)業(yè)過程模型與遙感數(shù)據(jù)同化的研究。

　　關(guān)鍵詞:遙感農(nóng)作物估產(chǎn)無人機農(nóng)業(yè)災(zāi)害土壤調(diào)查

　　引言

　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是在地球表面露天進行的有生命的社會生產(chǎn)活動。它具有生產(chǎn)分散性、時空變異性、災(zāi)害突發(fā)性等人們用常規(guī)技術(shù)難以掌握與控制的基本特點，這是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期來處于被動地位的原因［1］?，F(xiàn)代遙感技術(shù)是應(yīng)用各類主被動探測儀器，不與探測目標(biāo)相接觸，從衛(wèi)星、飛機等平臺來記錄地面目標(biāo)物的電磁波特性，通過分析，揭示物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。由于遙感技術(shù)具有獲取信息量大、多平臺和多分辨率(時間和空間)、快速、覆蓋面積大的優(yōu)勢，是及時掌握農(nóng)業(yè)資源、作物長勢、農(nóng)業(yè)災(zāi)害等信息的最佳手段，對改變或部分改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的被動局面具有特殊的作用。從20世紀(jì)70年代開始，美國和歐洲國家就采用衛(wèi)星遙感技術(shù)建立大范圍的農(nóng)作物面積監(jiān)測和估產(chǎn)系統(tǒng)，不但服務(wù)于農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)指導(dǎo)，同時為全球糧食貿(mào)易提供了重要的信息來源。20世紀(jì)90年代，農(nóng)業(yè)遙感的重點轉(zhuǎn)入作物管理［2］，農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)災(zāi)害遙感等方面的應(yīng)用得到了拓展。近10年，特別是各類高空間分辨率民用衛(wèi)星的出現(xiàn)，遙感與地理信息系統(tǒng)、全球?qū)Ш郊夹g(shù)以及最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展相結(jié)合在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的管理與作業(yè)等方面得到了應(yīng)用與推廣。

　　1農(nóng)業(yè)遙感概述

　　1.1農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的發(fā)展

　　遙感技術(shù)是在現(xiàn)代物理學(xué)、空間科學(xué)、電子計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)方法和地球科學(xué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興的、綜合性的交叉學(xué)科，是一門先進的、實用的探測技術(shù)［3］。遙感技術(shù)從20世紀(jì)初的航空攝影技術(shù)為主到20世紀(jì)60年代進入到衛(wèi)星遙感時代，已發(fā)展了多種不同平臺不同方式的傳感器，遙感探測地物的能力(包括地物的性質(zhì)和大小)和應(yīng)用范圍得到了極大的拓展。

　　農(nóng)業(yè)是遙感最先投入應(yīng)用和收益顯著的領(lǐng)域。據(jù)美國數(shù)據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)遙感的收益占衛(wèi)星遙感應(yīng)用總收益的70%［4］。目前，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、生物產(chǎn)量估計、農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測和評估等方面得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近年來，各國先后發(fā)射了各類民用衛(wèi)星平臺和傳感器，從光學(xué)資源衛(wèi)星為主向高光譜、高空間、高時間分辨率的方向發(fā)展。高光譜成像儀技術(shù)相繼取得了很大的研究進展，如美國NASA和日本METI聯(lián)合研制的ASTEＲ，美國NASA研制的Hyperion等。2008年，我國也發(fā)射了環(huán)境一號衛(wèi)星，該衛(wèi)星上搭載了一個有115個波段的高光譜成像儀HSI，其數(shù)據(jù)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)災(zāi)害和資源調(diào)查。同時，諸如QuickBird、GeoEye-1、WorldView-2、Pléiades-1等商用化亞米級光學(xué)衛(wèi)星，可與航片媲美，且成本低，精度高，更新周期短，對精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展是一個極大的機遇。另外，美國地球觀測系統(tǒng)的中分辨率成像光譜儀(MODIS)，從可見光、近紅外到熱紅外設(shè)置有36個通道，覆蓋周期為1～2d，并業(yè)務(wù)化提供標(biāo)準(zhǔn)的植被指數(shù)、地表溫度、生物量等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為全球各地進行大面積農(nóng)作物的周期性監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。目前，不斷有各類新型的遙感數(shù)據(jù)或遙感平臺的出現(xiàn)，如米級分辨率的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，每3d覆蓋全球一次的微波遙感數(shù)據(jù)，各種靈活多樣的無人機平臺等，都為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的發(fā)展提供了新的機遇。

　　1.2農(nóng)業(yè)遙感的理論基礎(chǔ)

　　電磁波作用下，會在某些特定波段形成反應(yīng)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)信息的光譜吸收與反射特征，這種對不同波段光譜的響應(yīng)特性通常稱為光譜特性。地球表面各類地物如土壤、植被、水體、巖石、積雪等光譜特性的差異是衛(wèi)星遙感解譯和監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。

　　農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測主要以作物、土壤為對象，這兩類地物的典型反射光譜曲線如圖1所示。作物在可見光-近紅外光譜波段中，反射率主要受到作物色素、細胞結(jié)構(gòu)和含水率的影響，特別是在可見光紅光波842農(nóng)業(yè)機械學(xué)報2015年段有很強的吸收波段，在近紅外波段有很強的反射特性，這是植被所特有的光譜特性，可以被用來進行作物長勢、作物品質(zhì)、作物病蟲害等方面的監(jiān)測。土壤可見-近紅外光譜總體反射率相對較低，在可見光譜波段主要受到土壤有機質(zhì)、氧化鐵等賦色成分的影響。因此，土壤、作物等地物所固有的反射光譜特性是農(nóng)業(yè)遙感的理論基礎(chǔ)。

　　2遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

　　2.1作物遙感估產(chǎn)

　　2.1.1作物面積遙感監(jiān)測技術(shù)

　　大規(guī)模的作物面積遙感調(diào)查最早始于1974年美國實施的“大面積作物估產(chǎn)實驗”，即LACIE計劃，主要是利用LandsatMSS影像來估測小麥種植面積。我國從20世紀(jì)80年代中期，在國家經(jīng)委的支持下，以國家氣象局為主組織開展了北方11省市冬小麥的NOAA/AVHＲＲ衛(wèi)星遙感估產(chǎn)研究，建立了遙感影像面積測算方法。20世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院等單位采用Landsat/TM和NOAA/AVHＲＲ影像數(shù)據(jù)對我國主要糧食作物小麥、水稻、玉米的種植面積進行監(jiān)測，其中小麥在河北、山東、河南、北京和天津進行，水稻在湖北和江蘇進行，玉米在吉林進行，小麥的估算精度達90%，水稻和玉米達85%以上［5－7］。浙江大學(xué)采用Landsat/TM和NOAA/AVHＲＲ進行了浙江省、縣、鄉(xiāng)三級的水稻種植面積遙感調(diào)查，與統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，面積精度達到95%以上［8］。2002年以后，隨著美國MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的出現(xiàn)，大面積作物遙感調(diào)查開始采用長時間序列遙感數(shù)據(jù)進行面積的提取。如Wardlow等基于MODIS數(shù)據(jù)對美國中部大平原主要作物類型(紫花苜蓿、夏季作物、冬小麥)和主要夏季作物(玉米、高粱、大豆)進行分類和面積提取，二者的整體分類精度分別達到94%和84%［9］。Xiao等利用MODIS數(shù)據(jù)提取中國南方13個省的水稻種植面積，估算精度達89%［10］。另外，針對多云多雨區(qū)作物生長期間高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)難以獲取的情況，全天候的微波遙感在農(nóng)作物種植面積監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。如Jiao等利用ＲADAＲSAT-2極化細束(FQ)影像，對加拿大安大略東北部地區(qū)5種主要作物(小麥、燕麥、大豆、油菜籽和牧草作物)進行了分類和面積提取，整體精度高達95%［11］。

　　2.1.2作物長勢動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

　　作物長勢即作物的生長狀況和趨勢，這直接影響到作物最后的產(chǎn)量和品質(zhì)。作物長勢監(jiān)測在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供宏觀管理依據(jù)的同時，也是農(nóng)作物產(chǎn)量估測的重要資料。作物長勢監(jiān)測的方法主要有:直接監(jiān)測法、同期對比法和作物生長過程監(jiān)測法。

　　2.2農(nóng)業(yè)資源遙感調(diào)查

　　2.2.1耕地資源調(diào)查

　　耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本保障，耕地面積和質(zhì)量的變化對糧食安全和生態(tài)環(huán)境都有十分重要的影響。特別是在中國，人均耕地還不到世界人均耕地面積的一半，為此必須對全國耕地實行嚴(yán)格的保護制度。由于遙感監(jiān)測覆蓋面積廣、重訪周期短等優(yōu)勢，使其成為我國當(dāng)前耕地資源監(jiān)測的重要手段。

　　2.2.2土壤遙感調(diào)查

　　(1)土壤關(guān)鍵屬性調(diào)查早期的土壤遙感調(diào)查主要集中在土壤類型遙感制圖，即利用遙感圖像對土壤類型、組合進行人工目視解譯和勾繪。其方法是依據(jù)土壤發(fā)生學(xué)原理、土被形成和分異規(guī)律，對遙感圖像特征(包括色調(diào)、紋理和圖型結(jié)構(gòu))或解譯標(biāo)志以及地面實況調(diào)查資料，進行地學(xué)相關(guān)分析，直接或間接確定土壤單元或組合界線?，F(xiàn)在土壤遙感調(diào)查主要集中在土壤關(guān)鍵理化特性的調(diào)查與制圖，特別是土壤水分的遙感監(jiān)測。

　　(2)土壤侵蝕退化與障礙性土壤調(diào)查

　　遙感技術(shù)很早就應(yīng)用于土壤侵蝕、退化調(diào)查與監(jiān)測，主要有2種途徑:①利用圖像的顏色、色調(diào)、形狀、紋理、陰影等信息和背景輔助數(shù)據(jù)，加上野外實地調(diào)查，直接建立土壤侵蝕與退化的遙感解譯標(biāo)志或機助分類閾值，制作解譯結(jié)果圖，傳統(tǒng)遙感調(diào)查方式多數(shù)采用此方式。②利用土壤侵蝕退化的評價模型，如美國的通用流失方程(USLE)。即先采用遙感資料來獲取全部或部分參數(shù)數(shù)據(jù)，然后計算土壤侵蝕量。目前遙感技術(shù)主要用于提取降雨侵蝕Ｒ、植被覆蓋管理C和土壤保持工程措施P3個因子。如卜兆宏等多年來利用遙感技術(shù)和地面輔助數(shù)據(jù)進行土壤USLE模型的計算，已經(jīng)在江西、山東、福建等地大量應(yīng)用，與地面水文站監(jiān)測流域年流失總量相比，精度達到90%以上［54］。另外，如Al-Abed利用SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算USLE模型中的C值和P值，然后結(jié)合降雨、土壤和DEM數(shù)據(jù)獲得了敘利亞沿地中海地區(qū)的年土壤侵蝕量［55］;Kumar等利用遙感與改進的USLE模型進行印度喜馬拉雅地區(qū)的土壤侵蝕研究，其采用TＲMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)來計算降雨侵蝕因子Ｒ，TM數(shù)據(jù)來計算植被覆蓋管理C［56］。

　　3農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)新的發(fā)展趨勢

　　3.1新一代農(nóng)業(yè)無人機技術(shù)應(yīng)用

　　無人機(Unmannedaerialvehicle，UAV)作為一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可重復(fù)使用的新型遙感平臺，具有優(yōu)于其他遙感平臺的靈活性、實時性、移動性等特點。特別是隨著可見-近紅外航空成像光譜儀、航空CCD數(shù)字相機的小型化，使得隨時獲取厘米級空間分辨率的可見-近紅外圖像成為可能，所以無人機遙感系統(tǒng)目前在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、救災(zāi)等應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速的拓展。

　　3.2農(nóng)業(yè)地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)與遙感技術(shù)相結(jié)合

　　目前，基于有線和無線傳感器的各類地基觀測技術(shù)和組網(wǎng)建設(shè)逐步發(fā)展和完善，為衛(wèi)星遙感的地表參量反演、模型同化和耦合、精度驗證等工作提供了重要的真實性信息。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)在智能溫室與大田精準(zhǔn)作業(yè)管理方面得到了快速應(yīng)用。特別是各類自動采集作物葉面到冠層、土壤表層到剖面理化信息，以及農(nóng)田氣溫、濕度、光照等環(huán)境信息的傳感器不斷出現(xiàn)，加上無線傳輸網(wǎng)和智能控制系統(tǒng)，使得農(nóng)田信息地面采集的便捷性、精確性、時效性得到了顯著的提高。

　　4結(jié)束語

　　農(nóng)業(yè)是遙感最早應(yīng)用和效益顯著的領(lǐng)域，從20世紀(jì)70年代美國實施LACIE計劃以來，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)已得到長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。特別是隨著新一代高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)的不斷出現(xiàn)，使得農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的監(jiān)測對象、監(jiān)測精度、監(jiān)測的業(yè)務(wù)化流程等方面得到了更大的突破。我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)在正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，實施農(nóng)田流轉(zhuǎn)和規(guī)?；?jīng)營給遙感技術(shù)帶來了新的機遇。及時總結(jié)國內(nèi)外農(nóng)業(yè)遙感發(fā)展歷程和遙感技術(shù)發(fā)展新趨勢，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新契機，將進一步明確農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。我國農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)與發(fā)達國家之間還有一定差距，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)遙感新技術(shù)、擴展遙感新應(yīng)用，借鑒當(dāng)前最新理論研究成果應(yīng)用于實踐，必將對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)生巨大作用。

　　參考文獻

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　　作者史舟1梁宗正1楊媛媛1郭燕2

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