農業(yè)中遙感技術的應用

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摘要：我國作為農業(yè)大國，自身國民經濟的發(fā)展與農業(yè)的發(fā)展密切相關。農作物的生長發(fā)育一直是人們關注的話題。農作物生長發(fā)育的影響因素很多，如栽植技術、氣候因素等，栽植技術可以人為影響，但人類無法作用于氣象條件。因此，農業(yè)的發(fā)展需要遙感技術的參與，遙感技術的大力發(fā)展，以及其在農業(yè)領域的廣泛應用，促進了農業(yè)的發(fā)展和進步。本文通過了解遙感技術的應用范圍，從遙感技術的應用和發(fā)展探討農業(yè)遙感的研究進展和技術發(fā)展，并進一步改善農業(yè)技術的應用系統(tǒng)，為中國農業(yè)遙感的發(fā)展方向提供參考。

關鍵詞：遙感技術；農業(yè)；應用進展

引言

遙感技術是一種獲取地表物體幾何和物理性質的技術。早期的遙感圖像的解譯，通常通過目視判讀方法，隨著計算機的加速發(fā)展，解譯方法得到了快速發(fā)展，一種使用計算機對原始遙感影像進行圖像增強、圖像變化、輻射校正、幾何校正等一系列的預處理，然后通過相應的遙感處理軟件進行進一步精處理，對結果進行處理，最終通過專業(yè)技術人員的經驗進行解譯，直接對解譯結果進行處理，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，而且可以準確地估計植物生態(tài)系統(tǒng)的物理和化學參數(shù)的變化，包括土壤水分、土壤特性、植被干物質、土壤生物化學參數(shù)、土地利用動態(tài)監(jiān)測變化等。多光譜遙感是利用具有2個及2個以上光譜通道，采用多種傳感器對地物進行同步成像的一種遙感技術；將地物反射的電磁波信息劃分為若干個光譜波段，用于接收和記錄地物信息［2，3］。當前遙感技術的發(fā)展使得遙感應用領域逐漸擴大，有林業(yè)遙感、資源遙感、遙感地質、氣象遙感、災害遙感、軍事遙感、農業(yè)遙感等，尤其在農業(yè)遙感領域得到了廣泛的應用，從早期的農業(yè)墑情監(jiān)測和農作物面積變化監(jiān)測，再到農業(yè)資源利用監(jiān)測，以及利用無人機對區(qū)域水資源和農業(yè)干旱的監(jiān)測與評價等。

1遙感在農業(yè)領域的應用

遙感可以獲得大量的信息，多平臺和多分辨率，快速、覆蓋范圍廣等，是遙感數(shù)據(jù)的一個重要的優(yōu)勢。農業(yè)遙感技術是遙感技術和農業(yè)科學技術相結合形成的，是可以及時掌握農業(yè)資源、作物生長以及農業(yè)災害信息等的最佳方式，在調查和評估，以及農業(yè)生產的監(jiān)測和管理中具有獨特的作用［4，5］?，F(xiàn)代農業(yè)遙感發(fā)展的新興技術，可以實時監(jiān)測湖泊和水庫水面的高度以及評價區(qū)域水資源和農業(yè)干旱，包括作物品種質量監(jiān)控和鑒定［6－9］。

2農業(yè)遙感技術在我國的起步與發(fā)展

農業(yè)遙感的發(fā)展是遙感技術的重要應用領域，中國自20世紀70年代末以來，就已經進行了農業(yè)遙感的初步應用。原北京農業(yè)大學（中國農業(yè)大學的前身）根據(jù)國家土壤調查的要求，在中國國家計劃委員會的支持下，由中國科教委和農業(yè)農村部組織聘請外國專家培訓了專門的遙感應用人才隊伍，在1983年5月成立了中國國家農業(yè)遙感培訓中心。此后，我國將遙感技術廣泛應用于農作物產量估算、農業(yè)氣象、土地資源調查與監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境變化等領域。目前，遙感技術的應用進入了大量的實際應用化的階段。我國大力開展國際合作與研究，積極探索遙感領域的前沿技術，使得中國成為世界上遙感領域技術先進的國家之一［10，11］。進入20世紀90年代中后期，出現(xiàn)了大量比較成熟的農業(yè)遙感軟件，包括農業(yè)資源調查與監(jiān)測的軟件，由中國科學院農業(yè)遙感實驗室組織開發(fā)的遙感處理軟件———土地利用調查與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件；中國農業(yè)科學院草原研究所開發(fā)的北方草原產量動態(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，為國民經濟建設提供了大量支持。隨著遙感技術的逐漸成熟、數(shù)據(jù)來源的大量增加，以及計算機軟硬件性能的快速提高，使得遙感應用逐漸普及［12］。

3遙感在當前農業(yè)應用中的進展

當今農業(yè)發(fā)展的趨勢是精準農業(yè)，具有高質量、安全、低耗、高效的特點，精準農業(yè)的大量信息采集，如農作物長勢監(jiān)測、作物害蟲監(jiān)測、作物產量預測，土壤水分預報等農業(yè)精準信息，為精準農業(yè)的農業(yè)信息管理提供了依據(jù)。雖然國內的遙感在農業(yè)方面做了一些工作，但仍處于起步階段［13－16］。農業(yè)遙感在未來應加強應用的深度和廣度研究。通過3S技術的結合，在農業(yè)生產管理、農業(yè)資源、農業(yè)工程監(jiān)理和其它現(xiàn)代農業(yè)建設領域，為農業(yè)部門的科學決策提供了詳實的支持數(shù)據(jù)。高光譜遙感技術和無人機技術已經成為農業(yè)遙感新的研究熱點［14］。

3．1高光譜遙感在農業(yè)遙感中的應用

由于高光譜遙感不會對農作物造成損害，因而被廣泛應用于監(jiān)測農作物的葉片面積。這彌補了傳統(tǒng)遙感技術獲取農作物葉面積指數(shù)時間過長的缺點，從而獲得最準確、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的反射率和透射率，使用冠層分析儀對冬小麥進行分析，形成光譜曲線；經過觀測，形成遙感反演模型，并將模型估計值與實際觀測值進行對比，結果顯示，明顯提高了遙感反演模型的整體精度。現(xiàn)階段，我國農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的主要方向和目標是精細農業(yè)，在農業(yè)監(jiān)測中高光譜遙感技術具有快速高效、準確、無損的特點，已經成為了農業(yè)遙感監(jiān)測中被廣泛應用的手段。精細農業(yè)可以通過科學、系統(tǒng)的管理方法對農業(yè)資源利用進行合理規(guī)劃，在不污染環(huán)境的前提下，通過遙感技術提高農產品產量和質量?？紤]到精細農業(yè)對數(shù)據(jù)和信息的需求，傳統(tǒng)的分析方法已不能滿足現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要。因此，3S技術的綜合被應用到農業(yè)監(jiān)測中。高光譜遙感在精準農業(yè)的發(fā)展中得到了廣泛的應用。利用高光譜技術獲得更完整和更準確的農作物參數(shù)，為農作物的種植與管理提供了有利的保障［18－20］。高光譜遙感技術除了上述內容，在全面的農作物質量監(jiān)測，通過獲取農作物在不同生長時期的數(shù)據(jù)特征進行全面的預測以及最后的生產，目前主要集中在不同農作物的種植面積和產量以及質量監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)訪問與存儲。雖然高光譜技術已經全面、準確應用于農業(yè)中，但還需要進一步的研究。如何將高光譜遙感技術應用于作物機理和農業(yè)信息的監(jiān)測以及完善農業(yè)光譜信息數(shù)據(jù)庫，為進一步提高農業(yè)信息監(jiān)測模型的適用性和準確性提供支持［22－26］。

3．2無人機遙感在農業(yè)中的研究進展

3．2．1農田空間信息農田空間信息包括地理坐標信息、通過視覺和機器識別獲得的農作物分類信息。通過無人機可以識別農田邊界來預估種植面積。傳統(tǒng)方法進行農田的面積測量，具有時效性差和農田邊界位置與實際情況差異大的缺點，不利于精準農業(yè)的實施監(jiān)測。無人機可以準確、有效并且實時獲取全面的農田空間信息，具有傳統(tǒng)的測量無法比擬的優(yōu)勢。無人機航拍圖像可以實現(xiàn)農田基本空間信息的識別，農作物區(qū)域面積的計算和種類的識別僅通過數(shù)碼相機就可以實現(xiàn)?？臻g定位技術的快速發(fā)展，大大提高了農田定位信息研究的精度和深度，隨著無人機影像空間分辨率的提高，地形、坡度和高程信息的引入，可以實現(xiàn)較為準確的農田空間信息監(jiān)測。張宏明等利用無人機DEM數(shù)據(jù)提取農田灌溉渠道系統(tǒng)，對于灌溉渠道提取完整性達到85．61％［19］。

3．2．2作物生長信息農作物的生長狀況可以通過多種信息反映，如產量信息、表型參數(shù)以及營養(yǎng)指標來表示。包括植被覆蓋度和葉面積指數(shù)等，多種信息相互關聯(lián)，共同代表了作物的生長，與最終產量直接相關［21］。在野外信息監(jiān)測研究中起著主導作用。

3．2．3作物生長脅迫因子農田墑情監(jiān)測熱紅外法是農田土壤含水量監(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，導致作物冠層溫度上升。水分脅迫指數(shù)能夠反映農作物的水分含量與作物冠層溫度的關系。通過傳感器的熱紅外波段可以有效地獲得作物冠層溫度，進而有效反映農田水分狀況。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。裸地對遙感的溫度監(jiān)測是一個重要的干擾因子，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。將修正結果應用于農田水分監(jiān)測，提高了監(jiān)測結果的準確性。在實際農田生產經營中，農田漏水也是人們關注的焦點。利用紅外成像儀對灌溉渠的滲漏進行監(jiān)測，準確率達93％［27－29］。

3．2．4病蟲害監(jiān)測通過熱紅外波段的實時監(jiān)測，可以有效反映作物病蟲害分布的動態(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節(jié)的，以保持農作物溫度的恒定。當發(fā)生病害后，葉面會發(fā)生病理變化。病原菌植物對植物蒸騰作用的影響比較明顯，會造成侵染部分溫度的升降。一般情況下，植物易感會導致氣孔開度失調，使致病區(qū)域的蒸騰作用高于健康區(qū)的蒸騰作用；旺盛的蒸騰作用會導致致病區(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，直到壞死部位的細胞完全死亡，葉片會變得枯黃，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］，可以實時監(jiān)測作物病蟲害的變化趨勢。

4總結

4．1我國遙感技術在農業(yè)應用中的發(fā)展

在我國主要糧食主產區(qū)，建立了產量估算信息系統(tǒng)，冬小麥遙感產量估算操作系統(tǒng)是RS與GIS技術相結合的產物?？梢詫⒄麄€產量估算的操作環(huán)節(jié)集成到計算機系統(tǒng)的操作中，具有完整的數(shù)字化操作能力，可以輸出各種產量估算結果。大量冬小麥產量估算試驗結果表明，利用冬小麥遙感產量估算操作系統(tǒng)進行大面積作物產量估算的精度可達95％以上，隨著運行年限的逐漸積累，操作系統(tǒng)的生產精度將逐步提高，運行成本將逐年降低。同時，我國迫切需要了解農業(yè)種植結構的變化，針對于種植面積計算的要求、監(jiān)控的增長潛力、建立單位面積產量模型和遙感監(jiān)測，中國科學院農業(yè)研究實驗室在GIS技術的支持下開發(fā)了一種作物產量估算的實用操作系統(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)，取得了良好的應用效果。

4．2遙感在農業(yè)發(fā)展中的前景

中國國家科教委將“RS、GIS和GPS綜合應用研究”列為國家科技攻關重點項目。到目前為止，遙感信息技術已連續(xù)7個“五年規(guī)劃”被列為國家重點項目，體現(xiàn)了國家對遙感的重視?？梢灶A見，遙感可以有效地應用于農業(yè)發(fā)展中，使其走上產業(yè)化發(fā)展的道路［35］。

5結語

隨著國家空間基礎設施建設的持續(xù)推進以及“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”的深入實施，中國將擁有更多的國產資源調查監(jiān)測衛(wèi)星。物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的發(fā)展以及現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要，將使得我國農業(yè)遙感技術的研究和應用進一步發(fā)展。

5．1農業(yè)遙感的應用范圍和應用領域的拓寬

物聯(lián)網(wǎng)加大數(shù)據(jù)與遙感觀測、導航與定位，結合其它學科領域，可以促進農業(yè)遙感自身的發(fā)展，跨學科的應用也將擴大農業(yè)遙感的應用領域。需要進一步建立“空、天、地”三位一體的農業(yè)綜合管理系統(tǒng)，深入發(fā)展遙感觀測精度的智能農業(yè)、農作物育種表型、農業(yè)保險的監(jiān)測和評價、綠色農業(yè)發(fā)展、農業(yè)政策的效果評價等方面。

5．2人工智能信息提取和大數(shù)據(jù)挖掘技術應用

農作物類型的分類識別，土地利用方式和類型，農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雜的認知過程。因為遙感數(shù)據(jù)本身之間的關聯(lián)性，遙感衛(wèi)星設計波段的局限性以及同一光譜和不同光譜的光譜復雜性，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)技術的快速發(fā)展，將為農業(yè)資源和環(huán)境信息的反演、提取和應用提供一種全新的思維方法和技術途徑。

參考文獻

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作者：李金帥 單位：長安大學