遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)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(jìn)行農(nóng)田優(yōu)化管理，以便實(shí)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)。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的框架下，可以根據(jù)地塊土壤、水肥、作物病蟲害、雜草及產(chǎn)量等在時間與空間上的差異，來進(jìn)行相適宜地耕種、施肥、灌溉、用藥及收獲，其目的是以合理的投入來獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益，并保護(hù)環(huán)境，以確保農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于我國及全球人口不斷增長和土地資源減少的矛盾不可逆轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在減少投入、降低成本、減輕環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品可控化、標(biāo)準(zhǔn)化和批量化等方

2、面均有積極的作用和意義。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，田塊內(nèi)的作物狀態(tài)及其生長環(huán)境的空間差異是進(jìn)行農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理的關(guān)鍵。遙感可在不同的電磁譜段內(nèi)周期性地收集地表信息，已成為人們研究、識別地球和環(huán)境的主要方法。遙感信息為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所需空間信息差異參數(shù)的快速、準(zhǔn)確、動態(tài)獲取提供了重要的技術(shù)手段。早期由于受分辨率、時間周期、地理、空域、氣象條件、監(jiān)測成本高及遙感技術(shù)發(fā)展水平等因素的限制，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用只局限于服務(wù)區(qū)域的重大決策。20世紀(jì)70年代，遙感開始進(jìn)入一個，高速發(fā)展的階段并廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測，在作物識別、面積估算、長勢監(jiān)測、旱情監(jiān)測、災(zāi)害評估和作物產(chǎn)量估計(jì)等方面，均取得了較大的成績，然而遙感信息在

3、時空分辨率及所提供信息的精度和豐度還不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對農(nóng)田信息的需求。近20年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開始發(fā)揮越來越大的作用，在指導(dǎo)農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制、農(nóng)作物收獲及災(zāi)后損失評估等方面均已有很多成功的應(yīng)用。以下將對遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域部分應(yīng)用研究進(jìn)行介紹。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。一、基礎(chǔ)信息獲

4、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。使用遙感技術(shù)可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的快速調(diào)查。傳統(tǒng)的遙感農(nóng)田道路及水利設(shè)施的信息提取主要有以下3種方法:基于像元尺度的影像自動分類技術(shù)、人機(jī)交互模式下的人工解譯提取技術(shù)及自動識別跟蹤方法。目前，影像分類有了新的改進(jìn)方法，面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罴夹g(shù)可以更加有效地利用所要提取對象的形態(tài)特征，在對道路和水渠等線性特征地物進(jìn)行提取時，可取得更好的效果。2014年黑龍江省富錦市設(shè)施農(nóng)用地分布圖基于遙感人工目視解譯技術(shù)，并結(jié)合野外調(diào)查

5、的方式，對融合后的高分一號衛(wèi)星、資源三號衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，形成包含育秧棚、晾曬場、農(nóng)機(jī)站等在內(nèi)的富錦市設(shè)施農(nóng)用地分布圖。2. 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(shí)現(xiàn)，被定義為“農(nóng)田中產(chǎn)量限制因子均一并且適合進(jìn)行統(tǒng)一作物投入的田塊”。與早期精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)“Farming By Foot”的概念相比，基于管理單元進(jìn)行的精準(zhǔn)耕作更具有可操作性。利用高分辨率遙感影像進(jìn)行地塊邊界及其空間分布的提取，不僅時效性強(qiáng)、精度高，而且符合中國農(nóng)村高度分散條件下的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施。2014年寶泉嶺農(nóng)墾管理局軍川農(nóng)場耕地資源調(diào)查情況圖利用高分一號衛(wèi)星16m分辨率寬幅多光譜影像數(shù)據(jù)

6、，對軍川農(nóng)場耕地進(jìn)行分塊調(diào)查、集中編號，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)確權(quán)，進(jìn)一步規(guī)范化、科學(xué)化、數(shù)字化地籍管理工作。3. 土壤狀況調(diào)查土壤狀況是決定農(nóng)田潛在生產(chǎn)力的主要因素，土壤性狀及肥力狀況信息可以為精準(zhǔn)農(nóng)田管理提供響應(yīng)依據(jù)。一般可以通過改進(jìn)土壤肥力指標(biāo)來提高作物單產(chǎn)，這些指標(biāo)包括土壤有效氮及其他宏觀或微觀植物養(yǎng)分、地塊的相對位置和坡度以及土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤的反射光譜主要受其物理性質(zhì)、化學(xué)成分及礦物成分的影響，通過地物反射光譜可以有效區(qū)分不同類型的土壤，并可用于土壤肥力狀況的調(diào)查。目前，遙感技術(shù)已經(jīng)可以成功地獲取土壤的有機(jī)碳、N、P、K、Ca、鹽分以及總有機(jī)質(zhì)等的含量信息，并可以對土壤的pH值等化學(xué)屬性進(jìn)行估

7、算。這些信息可以直接用于土壤肥力的評價與空間制圖。土壤結(jié)構(gòu)也是影響土壤反射光譜的因素之一，近幾年，利用遙感對土壤物理性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測也在逐漸開展中，并且取得了較好的效果，監(jiān)測對象包括土壤顆粒大小、質(zhì)地及粘粒含量等。這些土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)對土壤水分的涵養(yǎng)及養(yǎng)分物質(zhì)的遷移有重要的影響，可以用于評估土壤的排灌能力和肥料的利用效率。2013年4月冬小麥氮肥推薦施肥圖通過利用大區(qū)域尺度上冬小麥?zhǔn)┓释扑]方法，對GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定遙感植被指數(shù)與冬小麥氮素營養(yǎng)及最終產(chǎn)量的變化規(guī)律，為冬小麥的氮營養(yǎng)診斷和大面積小麥的氮肥管理提供依據(jù)。二、時空動態(tài)變化信息的獲取及利用下面從長勢監(jiān)測、農(nóng)田灌溉

8、、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(jìn)行說明。1. 長勢監(jiān)測作物長勢是指作物的生長狀況與趨勢。作物長勢可以用個體和群體特征來描述，獲取作物長勢的傳統(tǒng)方法是地面調(diào)查，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中則主要利用遙感技術(shù)監(jiān)測作物生長狀況與趨勢。作物長勢的遙感監(jiān)測充分體現(xiàn)了遙感技術(shù)宏觀、客觀、及時、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可為田間管理提供及時的決策支持信息，并為早期估測產(chǎn)量提供了依據(jù)。特別是隨著“3S”集成應(yīng)用技術(shù)、高分辨率衛(wèi)星資料和大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)等的快速發(fā)展，農(nóng)作物長勢遙感監(jiān)測信息已成為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要信息。（a）2014年7月2日作物長勢圖（b）2014年8月9日作物長勢圖（

9、c）2014年8月29日作物長勢圖黑龍江省農(nóng)墾牡丹江管理局云山農(nóng)場作物長勢監(jiān)測利用高分一號衛(wèi)星16m分辨率寬幅多光譜遙感影像數(shù)據(jù)，依據(jù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）的差異，對黑龍江省農(nóng)墾牡丹江管理局云山農(nóng)場的三個不同生長期作物長勢進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了作物長勢時空動態(tài)監(jiān)測。圖中將作物長勢情況分為10個級別，級別越高，作物長勢越好。2. 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(shí)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(shí)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、條件溫度指數(shù)法、距平植被指數(shù)法、條件植被指數(shù)法、作物缺水

10、指數(shù)法、供水植被指數(shù)法、條件植被溫度指數(shù)法、垂直干旱指數(shù)法和基于微波遙感的監(jiān)測方法等。2015年河套灌區(qū)實(shí)際灌溉面積監(jiān)測專題圖基于高分一號16m寬幅多光譜影像數(shù)據(jù)，對2015年5月23日與5月19日河套灌區(qū)土壤含水量進(jìn)行反演并進(jìn)行差值計(jì)算，得到當(dāng)年該地區(qū)實(shí)際灌溉面積監(jiān)測專題圖。該類成果可以較低成本支撐實(shí)際灌溉面積監(jiān)測信息的獲取，彌補(bǔ)灌溉管理中的不足，提高灌區(qū)管理水平及用水效率。3. 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(jì)效益和環(huán)境效益，但這需要在了解土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況的同時，實(shí)時掌握作物的養(yǎng)分狀況，以便做到科學(xué)施肥，在

11、減少因過量施肥而造成的環(huán)境污染的同時，降低成本。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要土壤肥力狀況及作物養(yǎng)分兩方面的信息，通過遙感技術(shù)對作物生化參數(shù)(氮、磷、鉀等)的監(jiān)測可以提供有效的作物養(yǎng)分信息，同時通過冠層生化參數(shù)的監(jiān)測還可以為作物品質(zhì)的監(jiān)測提供依據(jù)。目前對作物生化組分進(jìn)行監(jiān)測主要使用統(tǒng)計(jì)回歸方法，所使用的遙感指標(biāo)包括波段反射率、植被指數(shù)、紅邊參數(shù)及其他一些光譜參數(shù)。除了統(tǒng)計(jì)的方法，還有一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類的算法在建模過程中被使用。2009年內(nèi)蒙古自治區(qū)海拉爾農(nóng)墾特泥河農(nóng)牧場大麥拔節(jié)期處方圖不同施肥水平的水稻反射光譜特征： （a） （b）分蘗期（a）與灌漿期（b）水稻冠層高光譜反射曲線4. 指導(dǎo)病蟲害防治利用遙感技術(shù)

12、進(jìn)行作物病蟲害的早期識別可以降低除害成本，并可以有效地指導(dǎo)病蟲害的治理。遙感技術(shù)可以對病蟲害做出快速響應(yīng)，并可為作物的管理提供空間化的處方圖?；谶b感技術(shù)的監(jiān)測可以提供作物病蟲害發(fā)生、發(fā)展的定性和定量及空間分布信息，進(jìn)而為生產(chǎn)經(jīng)營管理者在病蟲害發(fā)生早期采取措施提供數(shù)據(jù)支持，以避免病蟲害的擴(kuò)大和更大的損失。遙感技術(shù)不但可以監(jiān)測病蟲害的發(fā)生和跟蹤其演變狀況，還能夠評估病蟲害對作物生長的影響和分析估算災(zāi)情損失。2010年黑龍江農(nóng)墾前進(jìn)農(nóng)場水稻稻瘟病遙感監(jiān)測圖利用環(huán)境衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過計(jì)算植被增值型植被指數(shù)（EVI），監(jiān)測不同病情嚴(yán)重度空間分布情況，并進(jìn)行及時、準(zhǔn)確地評估，為構(gòu)建災(zāi)害遙感快速動態(tài)監(jiān)測技

13、術(shù)體系提供數(shù)據(jù)支撐。5. 指導(dǎo)雜草控制根據(jù)世界糧農(nóng)組織的研究，全球由雜草導(dǎo)致的糧食生產(chǎn)損失每年高達(dá)950億美元，如果考慮到農(nóng)民在田地中消耗的時間有半數(shù)以上是用于除草的話，雜草造成的實(shí)際經(jīng)濟(jì)損失還要更高。遙感技術(shù)可以有效地進(jìn)行農(nóng)田雜草的識別，并能提供雜草分布的空間位置及密度信息。目前所發(fā)展的農(nóng)田雜草遙感識別技術(shù)主要有以下兩種:一種是基于光譜的影像分類技術(shù)，是利用各種分類算法通過區(qū)分雜草與作物，或區(qū)分長有雜草或沒有長有雜草的田塊來實(shí)現(xiàn)雜草的識別;另一種方法是通過作物的生長特征在反射光譜上的反映來區(qū)分受到雜草脅迫的作物。6. 指導(dǎo)作物收獲基于遙感數(shù)據(jù)指導(dǎo)作物收獲主要是通過開展作物收獲時間的預(yù)測和作物

14、品質(zhì)的監(jiān)測兩個途徑。由于作物的收獲時間對作物的產(chǎn)量、品質(zhì)有重要的影響，因此合理地對作物收獲時間進(jìn)行預(yù)測，可以有助于提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，同時還可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行合理的調(diào)度安排，這對大規(guī)模同一作物種植區(qū)域的機(jī)械化收割有重要意義。目前對作物是否成熟的判斷主要是依據(jù)葉片的顏色、結(jié)構(gòu)及冠層結(jié)構(gòu)等作物特征來進(jìn)行主觀的解譯，但這種方法難以在大范圍應(yīng)用，而且易引入主觀判斷的誤差。遙感技術(shù)的引入解決了這一問題，目前遙感監(jiān)測作物收獲期主要有以下兩種方法:一種是使用時間序列遙感數(shù)據(jù)(如植被指數(shù))跟蹤作物的生長過程，通過作物生育末期作物生長過程的特征變化來確定作物成熟期;另一種是基于作物成熟在作物水分、葉綠素含量、氮素含量等冠層生化參數(shù)變化所表現(xiàn)出的特征，通過這些特征的遙感監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)作物生育期的預(yù)測。2010年黑龍江墾區(qū)八五二農(nóng)場水稻品質(zhì)空間分布圖利用2010年9月Lan