遙感技術在農業中的應用

李金帥

(長安大學，陜西 西安 710064)

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展，解譯方法得到了快速發展，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系統的物理和化學參數的變化，包括土壤水分、土壤特性、植被干物質、土壤生物化學參數、土地利用動態監測變化等。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]。當前遙感技術的發展使得遙感應用領域逐漸擴大，有林業遙感、資源遙感、遙感地質、氣象遙感、災害遙感、軍事遙感、農業遙感等，尤其在農業遙感領域得到了廣泛的應用，從早期的農業墑情監測和農作物面積變化監測，再到農業資源利用監測，以及利用無人機對區域水資源和農業干旱的監測與評價等。

1 遙感在農業領域的應用

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，是遙感數據的一個重要的優勢。農業遙感技術是遙感技術和農業科學技術相結合形成的，是可以及時掌握農業資源、作物生長以及農業災害信息等的最佳方式，在調查和評估，以及農業生產的監測和管理中具有獨特的作用[4,5]。現代農業遙感發展的新興技術，可以實時監測湖泊和水庫水面的高度以及評價區域水資源和農業干旱，包括作物品種質量監控和鑒定[6-9]。

2 農業遙感技術在我國的起步與發展

農業遙感的發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，就已經進行了農業遙感的初步應用。原北京農業大學(中國農業大學的前身)根據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、農業氣象、土地資源調查與監測和生態環境變化等領域。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，出現了大量比較成熟的農業遙感軟件，包括農業資源調查與監測的軟件，由中國科學院農業遙感實驗室組織開發的遙感處理軟件——土地利用調查與數據處理系統軟件；中國農業科學院草原研究所開發的北方草原產量動態監測系統軟件等，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、數據來源的大量增加，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 遙感在當前農業應用中的進展

當今農業發展的趨勢是精準農業，具有高質量、安全、低耗、高效的特點，精準農業的大量信息采集，如農作物長勢監測、作物害蟲監測、作物產量預測，土壤水分預報等農業精準信息，為精準農業的農業信息管理提供了依據。雖然國內的遙感在農業方面做了一些工作，但仍處于起步階段[13-16]。農業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，在農業生產管理、農業資源、農業工程監理和其它現代農業建設領域，為農業部門的科學決策提供了詳實的支持數據。高光譜遙感技術和無人機技術已經成為農業遙感新的研究熱點[14]。

3.1 高光譜遙感在農業遙感中的應用

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測農作物的葉片面積。這彌補了傳統遙感技術獲取農作物葉面積指數時間過長的缺點，從而獲得最準確、損害最小的遙感監測數據。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，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?，F階段，我國農業現代化發展的主要方向和目標是精細農業，在農業監測中高光譜遙感技術具有快速高效、準確、無損的特點，已經成為了農業遙感監測中被廣泛應用的手段。精細農業可以通過科學、系統的管理方法對農業資源利用進行合理規劃，在不污染環境的前提下，通過遙感技術提高農產品產量和質量?？紤]到精細農業對數據和信息的需求，傳統的分析方法已不能滿足現代農業發展的需要。因此，3S技術的綜合被應用到農業監測中。高光譜遙感在精準農業的發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，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測，通過獲取農作物在不同生長時期的數據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測過程中的數據訪問與存儲。雖然高光譜技術已經全面、準確應用于農業中，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信息的監測以及完善農業光譜信息數據庫，為進一步提高農業信息監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，不利于精準農業的實施監測。無人機可以準確、有效并且實時獲取全面的農田空間信息，具有傳統的測量無法比擬的優勢。無人機航拍圖像可以實現農田基本空間信息的識別，農作物區域面積的計算和種類的識別僅通過數碼相機就可以實現?？臻g定位技術的快速發展，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，可以實現較為準確的農田空間信息監測。張宏明等利用無人機DEM數據提取農田灌溉渠道系統，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、表型參數以及營養指標來表示。包括植被覆蓋度和葉面積指數等，多種信息相互關聯，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測

熱紅外法是農田土壤含水量監測的常用手段。在高植被覆蓋度的地區，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，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測是一個重要的干擾因子，在冠層溫度監測中較為重要。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測，提高了監測結果的準確性。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測，準確率達93%[27-29]。

3.2.4 病蟲害監測

通過熱紅外波段的實時監測，可以有效反映作物病蟲害分布的動態變化情況。作物在健康的條件下，蒸騰作用是通過氣孔的開閉來調節的，以保持農作物溫度的恒定。當發生病害后，葉面會發生病理變化。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，使致病區域的蒸騰作用高于健康區的蒸騰作用；旺盛的蒸騰作用會導致致病區域溫度的下降，致病區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應用中的發展

在我國主要糧食主產區，建立了產量估算信息系統，冬小麥遙感產量估算操作系統是RS與GIS技術相結合的產物?？梢詫⒄麄€產量估算的操作環節集成到計算機系統的操作中，具有完整的數字化操作能力，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種植結構的變化，針對于種植面積計算的要求、監控的增長潛力、建立單位面積產量模型和遙感監測，中國科學院農業研究實驗室在GIS技術的支持下開發了一種作物產量估算的實用操作系統。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測系統，取得了良好的應用效果。

4.2 遙感在農業發展中的前景

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7個“五年規劃”被列為國家重點項目，體現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發展中，使其走上產業化發展的道路[35]。

5 結語

隨著國家空間基礎設施建設的持續推進以及“高分辨率對地觀測系統”的深入實施，中國將擁有更多的國產資源調查監測衛星。物聯網與大數據、人工智能等技術的發展以及現代農業發展的需要，將使得我國農業遙感技術的研究和應用進一步發展。

5.1 農業遙感的應用范圍和應用領域的拓寬

物聯網加大數據與遙感觀測、導航與定位，結合其它學科領域，可以促進農業遙感自身的發展，跨學科的應用也將擴大農業遙感的應用領域。需要進一步建立“空、天、地”三位一體的農業綜合管理系統，深入發展遙感觀測精度的智能農業、農作物育種表型、農業保險的監測和評價、綠色農業發展、農業政策的效果評價等方面。

5.2 人工智能信息提取和大數據挖掘技術應用

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境因子的定量遙感，在大數據的支持下都是非常復雜的認知過程。因為遙感數據本身之間的關聯性，遙感衛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，人工智能和大數據技術的快速發展，將為農業資源和環境信息的反演、提取和應用提供一種全新的思維方法和技術途徑。