南疆地區農業遙感應用現狀及展望

孫亞榮 李旭 郭英濤

摘 要 結合遙感技術在南疆地區農業中的應用發展動態，從南疆所具有的地理特點、氣候特點、應用現狀、農業遙感分類、存在的問題及應用前景做了初步的分析與介紹，為南疆地區農業生產活動從傳統模式向產業化、信息化、智能化模式轉型升級研究奠定基礎。

關鍵詞 南疆地區；農業遙感；發展動態

中圖分類號：S127 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.19.023

新疆因其獨特的地理條件和氣候條件，成為一些優質農產品的重要生產基地。南疆地區夏季光照強烈、熱量充足，有利于花和果進行著色，是新疆紅色系列優質農產品（各種棗類、枸杞、紅富士、石榴等）的主要產地。南疆地區晝夜溫差大，有利于瓜果及糖料作物糖分的積累和沉淀，有著全國最甜的瓜果。南疆地區夏季干燥的氣候和穩定的灌溉水源，使新疆成為我國優質棉花（長絨棉）的重要生產基地。而南疆地區地廣人稀，加之農作物都是大面積種植，故在南疆地區的農業生產活動中，應用遙感技術，并對于農業生產活動過程中的各個環節進行監測研究具有極其重要的意義。

目前，航空航天遙感正向高空間分辨率、高時間分辨率、多極化、多角度的方向快速發展。遙感技術已經發展到利用來自不同的傳感器和平臺對地球進行觀測。遙感傳感器主要用于成像和非成像寬帶多光譜或窄帶高光譜數據采集。地球上的物體不斷地傳輸、反射和吸收電磁波。原則上，遙感技術通過透射、反射和吸收的差異電磁波確定和區分對象。遙感通常在可見光（0.4～0.7 μm）、紅外（0.7～15 μm）波段上和微波（0.75～100[ μm]）電磁光譜上有效。它因具有地理空間分布的所有因素和數據采集頻率而導致遙感大數據體積大、復雜度高。典型的農業遙感傳感器包括NIR（近紅外）（0.4～1.5 μm）傳感器、SWIR （短波長紅外）（1.5～3 μm） 傳感器、TI （熱紅外）（3～15 μm） 傳感器、微波傳感器等。其中：NIR （近紅外）（0.4～1.5 μm） 傳感器廣泛用于植物植被的研究，SWIR（短波長紅外）（1.5～3 μm）傳感器用于植物濕度研究，TI（熱紅外）（3～15 μm）傳感器用于農田表面或農作物冠層溫度研究，微波傳感器用于土壤水分研究。

1? 遙感技術的概念

遙感技術是一種從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、紅外線等獲取地物幾何和物理性質的技術。早期在進行遙感圖像解譯的時候，通常是依靠目視判讀的方法，隨著計算機和通信技術的飛速發展，解譯方法得到了迅速的發展。一種使用計算機對原始衛星遙感影像進行輻射校正、幾何校正、圖像增強、圖像變化等一系列的預處理，然后通過相應的遙感處理軟件對結果進行進一步處理，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]。

從廣義上說，遙感技術泛指一切從遠距離進行探測的技術，包括對電磁場、機械波（聲波、地震波）等的探測技術。從狹義上說，遙感技術是指從遠處探測感知物體的物理屬性，也就是不直接接觸物體，從遠處通過探測儀器接收來自目標地物的電磁波信息，經過對信息的處理，判別出目標地物的物理屬性。

2? 遙感在農業中的應用分類及特點

在當前農業生產環境及科學技術飛速發展的形勢下，遙感在農業生產活動中的應用主要分為3類：衛星遙感、無人機遙感、高光譜遙感。

2.1? 衛星遙感在農業中的應用

衛星遙感具有觀測范圍大、效率高、獲取方式簡便等優勢，逐漸成為了農業生產活動中進行遠程監測的主要方式[12]。遙感數據通常用于通過提供有關光合作用、物候、干擾、恢復和人為干預的真實信息來檢索植被狀態的變化。這些信息對于確定作物生長狀況和產量至關重要，是農業規劃和管理的重要措施。衛星遙感在農業生產活動中的應用集中在農田空間信息提取、農情監測、農作物分類、農作物估產及農業災害監測等方面。衛星遙感通常使用衛星所自帶的傳感器波段來計算出一些植被指數，從而進行作物監測及產量估算和預測，這對于那些負責監測農業生產活動的組織來說是至關重要的。衛星遙感在1960年代隨著Explorer、TIROS（電視紅外觀測衛星）系列、Corona及后來的Landsat任務等成為航空遙感的繼任者[13]。遙感工作過程是由來自太陽（被動遙感）或衛星本身（主動遙感）的電磁輻射啟動。入射輻射在與地球表面相互作用時被反射、吸收和傳輸，然后衛星傳感器測量這些反射輻射，其中包含衛星在經過某個位置期間地面上的物體所包含的信息。獲取到的地面數據包括水文循環的組成部分、植被生長過程、與水體的相互作用、地貌和地形等數據，獲取到的每個地面數據可能僅包含衛星傳感器對特定波長/頻率的測量敏感度，因此，在使用衛星遙感對農業生產過程進行監測時必須確定適合該狀態下的的衛星傳感器。此外，使用衛星測量還受到與傳感器配置相關的空間、時間、光譜和輻射分辨率的影響。

2.2? 無人機遙感在農業中的應用

無人機遙感具有質量輕、體積小、成本低、操作簡便等一系列優勢，而且受天氣、云層覆蓋限制小，飛行高度及飛行時間可人為控制，故操作比較靈活，能獲取中小尺度范圍內的高時空分辨率的影像數據，有效地彌補了衛星遙感和地面遙感中存在的一些缺陷，能滿足精準農業管理的需求[14]。基于以上優勢，無人機遙感近年來在農業領域得到了廣泛應用，成為了精準農業發展的必然趨勢，無人機遙感為作物管理和數據采集提供了一種快速靈活的方式。國際上基于微型無人機的遙感信息獲取關鍵技術包括無人機遙感平臺的開發、信息采集技術、圖像處理、分析應用等。在遙感信息獲取系統中，由于微型無人機的承載能力有限，數碼相機和輕型多光譜相機是微型無人機進行遙感信息獲取的2個主要儀器。如何快速準確調整機載遙感傳感器高度，使探測目標始終處于監控視野中心；如何實現遠程控制、圖像和信息采集、無線傳輸等是目前無人機遙感技術的一些重點。目前，無人機遙感在農業領域的應用研究集中在精準農業生產、作物表型輔助育種、農業資源調查和災害監測評估等4個方面。

2.3? 高光譜遙感在農業中的應用

由于高光譜遙感不會對農作物造成損害，因而被廣泛用于監測農作物的葉片面積。同時，高光譜遙感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。高光譜傳感器是在數百個光譜帶上獲取圖像的設備，能夠提取觀察到物體或材料的光譜特征。

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。在農業生產方面，高光譜圖像處理用于植物病蟲害和入侵植物物種的監測、作物產量估算、作物分布的精細分類。高光譜遙感技術可對農作物生長過程進行監測、農業生產及決策提供重要技術支持，其主要應用方向有農田面積、作物長勢監測、品種識別與監測、產量估計[15]。

3? 遙感在南疆地區農業中的應用現狀

農業遙感是隨著遙感技術的發展而產生的。從目前所獲取到的資料信息來看，當前南疆地區農業遙感的應用研究重點在農業遙感技術的創新和應用上。例如在節水灌溉方面，王志東等[2]基于P-M方法和GF-1衛星數據對南疆地區的作物種植結構進行了分析并根據分析結果對灌溉需水量空間格局進行了研究。在土地利用分類方面，石俊[3]基于Landsat8遙感影像對第一師阿拉爾市的土地利用情況進行了分類研究。在農作物種植面積監測方面，費浩[4]等利用遙感衛星圖像對阿拉爾市的棉花種植面積進行了研究。阿迪力·克熱木[5]基于LANDSAT8衛星遙感對阿拉爾市棉花種植面積進行了研究分析。檀博軒[6]基于遙感影像對阿克蘇地區林果種植面積進行了分類、測算，以及基于基于Landsat＿8衛星影像數據對新疆阿拉爾地區的紅棗種植面積進行了估算[7]。

在農作物產量估算方面，陳仁谷[8]利用遙感同化技術對新疆阿拉爾市棗園中駿棗的產量進行了精確估算。吳家林[9]將遙感技術與近地傳感技術相結合以新疆南部阿拉爾墾區為研究區，綜合評估了阿拉爾市鹽漬化土壤對當地主要經濟作物棉花產量的影響。

在農作物種植結構方面，信會男等[10]利用遙感影像對阿克蘇地區主要農作物的種植結構進行了分類研究。

在耕地面積變化監測方面，吳楠[11]以新疆阿克蘇地區2000—2016年的遙感影像作為耕地數量的數據源，對阿克蘇地區的耕地利用狀況進行了分析和探討。

由此可見，遙感這種監測方式在南疆地區農業生產活動中應用越來越頻繁。南疆地區農業生產活動因其地廣人稀的特點而常常受到限制，如今隨著農業信息化和農業機械化的發展，南疆地區農業生產活動將會大幅度地減低生產難度。遙感作為農業信息化過程中極其重要的一個監測與分析手段，將為南疆地區農業的發展作出貢獻，在一定程度上降低生產成本、節約勞動力，進一步促進南疆地區農業的發展。

4? 遙感在南疆地區農業應用中存在的問題

當前，南疆地區雖然已經有了很多遙感監測平臺，但是全鏈條監測技術仍存在諸多缺點。南疆地區各遙感監測平臺數據運行效率良莠不齊、監測結果可比性差、相關研究人才匱乏、基礎設施薄弱，存在資源浪費現象。

4.1? 衛星遙感應用中存在的問題

1）遙感影像是二維的，會帶來幾何信息損失、像點偏移等。2）影像是瞬時的，不連續的。3）存在混合像元問題，給地面驗證帶來一定困擾。

4.2? 無人機遙感應用中存在的問題

1）體積小，易受風影響，電池壽命短。2）導航系統和平衡控制系統精度差。3）航向重疊不精確、航路彎曲且無規律，導致抓拍圖像模糊不清或重復。4）圖像校正困難。由于無人機抓拍的圖像重復、模糊不清或有斷點，故對影像進行匹配、拼接、融合、分析造成了一定的困難。5）無人機裝備和使用誤差難以控制。

4.3? 高光譜遙感應用中存在的問題

1）高光譜儀器的使用方式會導致空間分辨率的相對降低。2）多光譜波段會導致數據冗余，需要進行大量的降維和去噪處理，從而增加了數據處理的工作量。

農業遙感的快速全面發展，不僅能夠減少基礎設施資源的浪費，而且能從全疆乃至全國層面形成不同尺度和方面互補的農情監測信息，從而能提高這些遙感監測平臺的運行效率、提升農業遙感監測結果的精準性與可靠性。

5? 遙感在南疆農業中的應用前景

國家科技部將“GIS、GPS和RS綜合應用研究”列為國家科技攻關重點項目。截至目前，遙感信息技術已連續在7個“五年規劃”中被列為國家重點項目，這就體現了國家對遙感技術的重視。由此可見，農業遙感將有效地應用于農業生產活動的各個環節中，使我國農業走上智能化、信息化、產業化的快速發展道路。長期以來，人們一直想使用遙感這種方法作為估算研究區域范圍內作物產量的工具。但是，使用遙感信息直接估計作物產量存在問題（主要是由于遙感數據和作物的生長狀態之間是間接關系），所以一直未能實現這個目標。近年來，人們發現利用農業遙感可以融合統計的、確定的、半經驗的各種類型的作物模型，進而描述研究農作物生長過程中的狀況。隨著農業物聯網、農業大數據分析、農業人工智能及機器視覺等高新技術的不斷發展，遙感技術將與之進行融合發展。結合農學的相關知識，遙感在農業生產活動中的應用范圍將不斷擴展。

參考文獻：

[1]? 李金帥.遙感技術在農業中的應用[J].農業與技術，2021，41（11）：61-64.

[2]? 王志東，程銳，宋妮，等.基于GF-1衛星數據和P-M方法的灌溉需水量空間格局研究[J].灌溉排水學報，2021，40（6）：105-112.

[3]? 石俊.基于Landsat8遙感影像的一師阿拉爾市土地利用分類研究[D].阿拉爾：塔里木大學，2021.

[4]? 費浩.綜合多特征的縣域尺度棉花種植面積遙感提取方法[D].阿拉爾：塔里木大學，2021.

[5]? 阿迪力·克熱木.基于LANDSAT8衛星遙感的阿拉爾市棉花種植面積信息提取研究[D].阿拉爾：塔里木大學，2021.

[6]? 檀博軒.遙感影像的阿克蘇地區林果種植面積測算方法研究與實現[D].阿拉爾：塔里木大學，2020.

[7]? 檀博軒.基于Landsat＿8衛星影像數據的紅棗種植面積估算研究——以新疆阿拉爾地區為例[J].科技資訊，2020，18（14）：56-61.

[8]? 陳仁谷.田間尺度駿棗產量評估的遙感同化方案研究與實現[D].阿拉爾：塔里木大學，2021.

[9]? 吳家林.阿拉爾墾區棉田土壤鹽漬化的遙感監測與植棉效益分析[D].阿拉爾：塔里木大學，2021.

[10] 信會男，武紅旗，朱磊，等.基于GF-1與Landsat8 OLI影像的作物種植結構提取——以新疆阿克蘇地區為例[J].山東農業科學，2019，51（7）：143-151.

[11] 吳楠.基于PSR模型下的阿克蘇市耕地集約利用評價研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2018.

[12] 張曄萍，張明偉，孫瑞靜，等.風云氣象衛星在農業遙感中的應用[J].科技導報，2021，39（15）：39-45.

[13] DP Lettenmaier， D Alsdorf， J Dozier， et al. Inroads of remote sensing into hydrologic science during the WRR era[J].Water Resources Research，2015，51（9）：7309-7342.

[14] 林娜，陳宏，趙健，等.輕小型無人機遙感在精準農業中的應用及展望[J].江蘇農業科學，2020，48（20）：43-48.

[15] 陳云浩，王思佳，趙逸飛，等.農業高光譜遙感研究進展及發展趨勢[J].地理與地理信息科學，2019，35（5）：1-8.

（責任編輯：敬廷桃）