遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進展及展望

　　摘要:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，它通過各種技術(shù)手段獲取農(nóng)田內(nèi)不同單元小區(qū)農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，并由此實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的精細(xì)化、準(zhǔn)確化的農(nóng)業(yè)微觀經(jīng)營管理。由于遙感技術(shù)能在不同的電磁譜段內(nèi)周期性地采集地表信息，因此隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開始發(fā)揮越來越大的作用，并在指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制及收獲等方面均已有很多成功的應(yīng)用。為使人們對遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有一總體了解，在概述遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用進展的基礎(chǔ)上，對其研究現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)，還對其發(fā)展進行了展望，并指出了技術(shù)方法的改進、新數(shù)據(jù)的應(yīng)用、多源數(shù)據(jù)整合、遙感數(shù)據(jù)與農(nóng)學(xué)/作物模型的整合以及監(jiān)測技術(shù)的系統(tǒng)化是促進遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮更大作用的主要研究內(nèi)容。

　　關(guān)鍵詞:遙感;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);應(yīng)用進展;展望

　　0引言

　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PrecisionAgricultureorPrecisionFarmingorPrecisionCropManagement)又稱精細(xì)農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)作和處方農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基于農(nóng)田作物和環(huán)境的空間差異性，是通過各種技術(shù)手段來獲取農(nóng)田內(nèi)不同單元的農(nóng)田信息，并由此利用變量技術(shù)來進行農(nóng)田優(yōu)化管理，以便實現(xiàn)生產(chǎn)過程精細(xì)化、準(zhǔn)確化的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)［1］。

　　1遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進展

　　遙感可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供以下兩類農(nóng)田與作物的空間分布信息:一類是基礎(chǔ)信息，這種信息在作物生育期內(nèi)基本沒有變化或變化較少，主要包括農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、地塊分布及土壤肥力狀況等信息;另一類是時空動態(tài)變化信息，包括作物產(chǎn)量、土壤熵情、作物養(yǎng)分狀況、病蟲害的發(fā)生/發(fā)展?fàn)顩r、雜草的生長狀況以及作物物候等信息。

　　1．1基礎(chǔ)信息獲取

　　(1)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)查。主要包括農(nóng)田道路、水利設(shè)施等，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)田管理的基礎(chǔ)保障。掌握區(qū)域農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的空間分布狀況，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮這些設(shè)施作用的前提。

　?。?)地塊分布調(diào)查。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的變量管理技術(shù)是通過將農(nóng)田分為較小的管理單元來實現(xiàn)，被定義為“農(nóng)田中產(chǎn)量限制因子均一并且適合進行統(tǒng)一作物投入的田塊”［6］。與早期精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)“farmingbyfoot”的概念相比，基于管理單元進行的精準(zhǔn)耕作更具有可操作性。

　　1．2時空動態(tài)變化信息的獲取及利用

　　下面從農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制及作物收獲等5個方面對遙感技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進行說明。

　　(1)指導(dǎo)農(nóng)田灌溉。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可根據(jù)不同作物不同生育期的土壤墑情和作物需水量，通過實施適時適量灌溉來節(jié)約水資源，以提高水資源的生產(chǎn)效率。

　　農(nóng)田尺度的作物干旱信息是實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的前提。遙感領(lǐng)域比較成熟的旱情監(jiān)測方法主要有熱慣量法［15］、條件溫度指數(shù)法［16］、距平植被指數(shù)法［17］、條件植被指數(shù)法［18］、作物缺水指數(shù)法［19］、供水植被指數(shù)法［20］、條件植被溫度指數(shù)法［21］、垂直干旱指數(shù)法和基于微波遙感的監(jiān)測方法［22］等。不同旱情監(jiān)測方法的應(yīng)用范圍不同，熱慣量法比較適合植被覆蓋度低的地方;作物缺水指數(shù)法比較適合植被覆蓋度高的地區(qū);距平植被指數(shù)法、條件植被指數(shù)法、條件溫度指數(shù)法在植被生長茂盛階段的應(yīng)用效果較好，但需要有長時間序列的遙感影像資料積累;用條件植被溫度指數(shù)方法監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的土壤含水量，則要求獲取從植物萎蔫時的土壤含水量到田間植物持水量變化范圍的條件植被溫度指數(shù);微波遙感是進行土壤含水量監(jiān)測的一種有效方法，但如何結(jié)合作物的生長信息進行旱情評價以及如何獲取土壤較深層的熵情狀況還需要進一步的研究。如何發(fā)展一種適合農(nóng)田尺度應(yīng)用，并綜合考慮土壤供水和作物需水的旱情遙感監(jiān)測方法，將會成為主要的研究方向。

　　(2)指導(dǎo)施肥。農(nóng)業(yè)變量施肥即根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物養(yǎng)分脅迫的空間分布來精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整肥料的投入量，以獲取最大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益［24］，但這需要在了解土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況的同時，實時掌握作物的養(yǎng)分狀況，以便做到科學(xué)施肥，在減少因過量施肥而造成的環(huán)境污染的同時，降低成本。

　　2存在的問題及展望

　　2．1存在的問題

　　限制遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中進一步應(yīng)用的主要因素如下:

　　(1)精度問題。由于受大氣狀況、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及反演模型本身的適用性等因素的影響，總體上農(nóng)田尺度作物的生理參數(shù)、生化參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的反演精度通常只能達(dá)到80%～85%，甚至更低，這一精度無法滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對農(nóng)田信息的需求。

　　(2)時空精細(xì)度問題。當(dāng)前主要的對地觀測數(shù)據(jù)在時空精細(xì)度上不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。以天或幾天為頻率對一個區(qū)域進行重訪的遙感數(shù)據(jù)(如MODIS)，其空間分辨率大都低于百米級，這一尺度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)地塊的大小，易出現(xiàn)不同作物或耕地與非耕地的混合像元問題，更無法反映田塊內(nèi)部的差異性;而擁有30m以上空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)(如LandsatTM/ETM、SPOT5、CBERSCCD)，其重訪周期大都在8～26d，而現(xiàn)實的天氣狀況還會延長有效數(shù)據(jù)的獲取周期，使得無法動態(tài)、實時跟蹤作物的生長狀況。

　　2．2研究展望

　　針對上面幾個問題，遙感技術(shù)需要從以下幾個方面進行突破，以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需求:

　　(1)新參數(shù)反演技術(shù)的研發(fā)。進一步推動遙感技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)田作物及環(huán)境參數(shù)獲取上要發(fā)展新的方法與模型，另外，新的方法在提高反演精度的同時，還要考慮模型的效率和可推廣性。

　　(2)新數(shù)據(jù)的應(yīng)用。近年來涌現(xiàn)出一批新型的遙感數(shù)據(jù)，包括米級分辨率的雷達(dá)數(shù)據(jù)，如RadarSat－2、TerraSAR和CosmoSkyMed，也包括了一些具有高重訪周期的高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，如去年開始運行的RapidEye和今年開始分發(fā)數(shù)據(jù)的WorldView－2，還包括一些高重訪周期的中分辨率數(shù)據(jù)，如HJ－1CCD等。新型的雷達(dá)遙感包括了C和X波段，可獨立或協(xié)同獲取作物及土壤信息。這兩種新型光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與以往定位于土地利用/覆蓋大比例尺調(diào)查的高分辨率遙感數(shù)據(jù)(QuickBird、IKONOS)不同，其在縮短重訪周期的同時，還增加了波段數(shù)，特別是專用于植被監(jiān)測的紅邊波段，可更好地用于農(nóng)田尺度的作物監(jiān)測。需要開展應(yīng)用研究，以發(fā)展基于新型數(shù)據(jù)的作物及環(huán)境信息的獲取方法。

　　結(jié)論

　　農(nóng)業(yè)問題是全球可持續(xù)發(fā)展的基本問題，一直是國際上人們關(guān)注的焦點。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)實現(xiàn)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的根本途徑，是世界和我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的最佳選擇。遙感技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)田基礎(chǔ)狀況調(diào)查及指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制、收獲等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)獲取時空變化的農(nóng)田信息的主要手段。針對耕地少、水資源短缺、環(huán)境保護壓力大和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度分散的國情，遙感信息支持下的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是發(fā)展方向之一，其可以在挖掘潛力、降低成本的同時，減少化肥、農(nóng)藥對環(huán)境的污染，以便獲得經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益的同步增長和持續(xù)發(fā)展。隨著監(jiān)測精度、監(jiān)測結(jié)果的時空精細(xì)程度、監(jiān)測成本等問題的進一步解決，遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將更加廣泛，并會對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的信息獲取模式進行更新，以及促進精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣和發(fā)展。

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　　蒙繼華1，2，吳炳方1，杜鑫1，張飛飛1，張淼1，董泰峰1

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