基于衛星圖像數據的水稻預測模型實現高效灌溉，穩定全球市場

基于衛星圖像數據的水稻預測模型實現高效灌溉，穩定全球市場

2007年底，全球糧食價格急劇上漲，到2008年，多種主要糧食的價格上漲至原來的兩倍甚至三倍，一些發展中國家出現了嚴重的糧食危機，并由此引發多個國家發生民眾抗議和騷亂。一些發達國家出現了搶購大米等食物的風潮，糧食危機有向世界蔓延之勢。部分產糧大國也出現了恐慌，為控制這種情況，其停止了食品的出口。這又進一步加重了全球糧食危機，動蕩和饑餓不斷蔓延。

此次糧食危機發生后，世界各國領導人召開了多次研討會，旨在為未來進行糧食產量預測并避免相應的糧食危機情況發生尋求出路。其中，地球觀測組織發起了全球農業監測計劃（GEOGLAM）。該計劃主要利用衛星獲得的地球圖像數據，更好地對糧食產量和天氣情況進行預測。20國集團（G20）成員聯合參與了該項計劃。然而，基于原始衛星數據進行預測并不是一項簡單的工作，需要將這些數據轉換成有用的信息。位于新罕布什爾州紐馬克特市的應用地理信息解決方案（Applied GeoSolutions）公司長期致力于地球成像衛星數據應用的研究。該公司目前正在開展水稻方面的研究，因為水稻是世界上最難以預測的糧食種類，所以，該項研究對于糧食的預測可能會產生重要的影響。

研究人員稱，目前世界上有玉米、大豆、小麥和牛肉期貨市場，但不存在水稻期貨市場。這是因為交易人員沒有可供水稻期貨交易參考的可靠的信息或產量預測結果。這使得水稻市場極易發生波動，導致投資者、生產者和消費者都面臨較大的風險。例如，如果泰國或其他東南亞國家出現嚴重干旱，全世界就可能會有成千上萬的人挨餓。

與此同時，美國目前兩個主要的水稻產區的部分地區也出現了水資源短缺的問題。例如，加利福尼亞州的薩克拉曼多谷擁有近50萬英畝稻田，而現在干旱已成為該地區的新常態。阿肯色州東部約有150萬英畝稻田，但大草原城等地區的蓄水層幾乎都已被抽干。解決上述問題的方案之一就是使用衛星數據有效地規劃用水。

美國地球資源系列衛星（Landsat）是美國地球圖像數據的主要來源。該系列衛星自1972年起陸續發射。其中，“大地”（Terra）和“水”（Aqua）衛星搭載了中分辨率成像光譜儀（MODIS）。雖然衛星制造和發射是由美國國家航空航天局（NASA）負責，但衛星入軌后的運行和管理由美國地質調查局負責。

美國地球資源8號衛星發射于2013年，每16天繞地球一圈，可在9個可見、近紅外和短波紅外波段，以及2個熱紅外波段獲取地球圖像。由于熱信息能夠反映地球表面、植被，以及低層大氣中的濕度和溫度情況，所以，其對于了解農作物所面臨的環境威脅，輔助進行糧食產量預測具有非常重要的作用。此外，衛星上搭載的MODIS每隔1～2天即可在36個可見光和紅外波段對地球表面進行一次全面的成像，監測作物生長的階段性變化、作物對天氣變化的反應，并為農業灌溉和耕作等農事活動提供依據。

除濕度和溫度監測外，衛星成像系統還能探測到水稻等農作物的綠度指數、生物活力，以及葉片的含水量，此外，其還可監測地表水的深度等，這些信息對于評估作物健康狀況和預測作物產量是非常有用的。采用衛星圖像評估技術，應用地理信息解決方案公司能夠以比傳統的實地考察低得多的成本對大面積的農作物的產量進行評估。

應用地理信息解決方案公司與NASA進行了洽談，計劃設計一種基于網絡的軟件，利用來自地球資源系列衛星，MODIS和其它衛星現有的數據和歷史數據，結合對稻田的監測、產量模型，以及天氣預報等信息，實時獲取關于全球水稻種植面積、生長階段、異常情況和預期產量等信息，并評估這些信息的統計可靠性，以管控風險。

2012年，NASA斯坦尼斯航天中心授予應用地理信息解決方案公司第一階段和第二階段小企業創新研究（SBIR）計劃合同，目的是開發水稻決策支持系統（RDSS）。該系統能夠反映和水稻相關的信息，包括水稻期貨交易策略、稻田的灌溉計劃，產量風險存在的地點和時間、買賣和持有的最佳時間等（該系統于2014年初開始投入使用）。

在美國，應用地理信息解決方案公司的數據來源主要是地球資源系列衛星和MODIS；而在東南亞，該公司主要利用由政府和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）提供的合成孔徑雷達（SAR）衛星數據。2015年，該公司除了繼續使用歐空局（ESA）的相控陣L波段SAR衛星和加拿大雷達-2衛星外，還增加了對ESA的地球成像哨兵平臺的利用。

不同的成像系統具有不同的分辨率，運行在電磁光譜的不同波段，RDSS能夠將所有這些信息集成起來，提供一張包含完整地面信息情況的圖像。目前，RDSS已在爪哇、印尼、越南紅河三角洲和巴西等地開展了試點試驗。試驗結果表明，該系統的應用增加了水稻產量，并驗證了可持續作物管理方式的有效性。在阿肯色州和加利福尼亞州，應用地理信息解決方案公司與農民、農業機構等建立了合作關系，幫助他們制定種植計劃、管理資源，尤其是制定灌溉計劃。而在巴西，該系統能夠幫助農場選擇合適的灌溉方式。

研究顯示，未來，隨著資源壓力日益加大、氣候的變化、人口的增長、人類飲食結構的變化，以及經濟的發展，農業面臨著越來越嚴峻的挑戰。過去，全球水稻產量很難預測，因為世界上絕大多數的水稻產區通常是多云天氣，不利于傳統衛星成像。而SAR成像技術能夠透過云層探測植被構成和含水量，從而解決了這一問題。

應用地理信息解決方案公司開發的RDSS系統目前正在為GEOGLAM計劃提供支撐，可向生產者、購買者和投資者提供對于水稻生產的全面信息和產量分析預測服務。RDSS系統還能夠為美國國際開發局的饑荒早期預警系統等項目提供參考信息。NASA總部地球科學部水資源應用科學項目的項目經理布蘭德利·多爾恩說：“GEOGLAM計劃使得很多國家和地區能夠更好地對糧食產量進行評估，適時作出正確的投資和買入糧食的決策，避免災難。此外，利用應用地理信息解決方案公司開發的RDSS系統提供的可靠信息，農民可以預測糧食價格，并選擇最佳的時機出售手中的糧食。這有利于維護公平的市場環境。”

在美國，水資源管理是RDSS系統的主要應用領域之一。在加利福尼亞州北部，大多數稻田在播種之前需要大水漫灌，也就是通常所說的濕播種植方式，但隨著水資源的持續減少，對水資源的保護越來越重要。利用衛星圖像，應用地理信息解決方案公司能夠確定灌溉時間及用水量，以及濕播種植的必要性。如果可以使用干法播種，且水稻的產量不會大量減少，農民就可以將灌溉的成本和產量的損失抵消。而利用RDSS系統，可以預測能夠實施干法播種的地區，也可以預測出水稻的產量。

在阿肯色州，應用地理信息解決方案公司正在幫助農民實施一種被稱為“干-濕交替灌溉”的節水方法。利用RDSS系統，可以綜合天氣、土壤濕度，以及農作物狀態等信息優化灌溉時間和方式。此外，利用歷史數據、天氣預測和對土壤濕度的測量，該公司能夠精確地為農民提供需要的灌溉水量等信息。目前，已有約50個農場與應用地理信息解決方案公司開展了合作。該公司可利用安裝在農場中的濕度傳感器來校正衛星成像數據。他們希望將干-濕交替灌溉等技術在地球上的其它地方進行推廣應用。

應用地理信息解決方案公司還為美國農業部的國家農業統計服務局提供信息，幫助他們實時進行數據統計。

在美國，在作物進入生長期前的6周，該公司對于水稻種植面積預測的準確度可達90%～95%，而對其它國家的水稻種植面積的預測準確度約為85%～90%。2015年，該公司計劃免費提供一些基本預測數據，同時為付費用戶提供更詳細的信息。

對于NASA來說，其衛星數據實現了真正的應用，而不僅僅是用于基礎研究。這些數據不僅可用于水稻的預測，還可以用于其它商品的預測，其應用潛力是無限的。

隨著NASA土壤濕度主被動探測衛星（SMAP）和全球降水測量核心觀測平臺的升空，更多的衛星成像儀器的應用，衛星圖像及其它數據的應用領域將進一步拓展，而NASA為這一應用拓展提供了機遇和幫助。

（唐 甜）

Rice Crop Models Stabilize Global Markets，Enable Efficient Irrigation

▲ 越南湄公河三角洲水稻主產區在一年中不同時間段的衛星圖像，不同的顏色代表土壤濕度和生物量的不同