農(nóng)情遙感監(jiān)測的歷史與現(xiàn)狀

農(nóng)情遙感監(jiān)測的歷史與現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)條件的遙感監(jiān)測是利用空間信息技術(shù)動態(tài)監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的中心信息。農(nóng)情遙感監(jiān)測的內(nèi)容是對主要糧經(jīng)作物的種植面積、作物布局、作物長勢、農(nóng)業(yè)災害發(fā)生與發(fā)展、作物產(chǎn)量等生長過程進行系統(tǒng)監(jiān)測。其范圍大、時效高和客觀準確的優(yōu)勢是常規(guī)監(jiān)測手段無法企及的。民以食為天,糧食安全問題在過去、現(xiàn)在以及未來都是國家生存與發(fā)展的重大問題。特別是“在加入WTO后,如何為我國糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易提供及時準確的農(nóng)作物長勢、面積、災情定量的、動態(tài)信息,已經(jīng)使農(nóng)業(yè)遙感成為決策信息不可替代的重要來源,并和常規(guī)統(tǒng)計調(diào)查手段相結(jié)合,共同構(gòu)成現(xiàn)代立體型農(nóng)業(yè)信息采集處理分析系統(tǒng)”。隨著遙感等空間技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)情遙感監(jiān)測從技術(shù)發(fā)展和應用深度均進入了一個全新時期,同時,也成為信息農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。我國農(nóng)情遙感監(jiān)測已有20余年的研究歷史,從“六五”計劃開始至現(xiàn)在,經(jīng)歷了技術(shù)研究到示范應用這個過程,目前,能在一定程度上滿足國家糧食安全和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的信息需求。但由于我國國土遼闊、地形復雜、種植結(jié)構(gòu)多樣、農(nóng)戶規(guī)模小,以及遙感技術(shù)發(fā)展的局限性,農(nóng)情遙感在某些關(guān)鍵技術(shù)和應用運行方面仍然需要加強研究。通過研究和技術(shù)改進,使遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。一、國外農(nóng)業(yè)條件的遙感監(jiān)測(一)小麥種植面積、產(chǎn)量和密度估算從1974～1977年,美國農(nóng)業(yè)部(USDA)、國家海洋大氣管理局(NOAA)、宇航局(NASA)和商業(yè)部合作主持了“大面積農(nóng)作物估產(chǎn)實驗(LargeAreaCropInventoryandExperiment)”項目。該項目分三個階段進行,第一階段對美國大平原9個小麥生產(chǎn)州的小麥種植面積、單產(chǎn)和產(chǎn)量作出估算;第二階段,對包括美國本土、加拿大和前蘇聯(lián)部分地區(qū)小麥種植面積、單產(chǎn)和產(chǎn)量作出估算;第三階段是對世界其它地區(qū)小麥種植面積、總產(chǎn)量進行估算,估產(chǎn)精度達到90%以上。這是最早的農(nóng)情遙感監(jiān)測工作,成為農(nóng)情遙感監(jiān)測的里程碑。(二)設立綜合戰(zhàn)略措施,將文創(chuàng)人員引入鄉(xiāng)村社會的全過程在LACIE計劃以后,從1986年開始,美國農(nóng)業(yè)部、宇航局、商業(yè)部、國家海洋大氣管理局和內(nèi)政部又開展了農(nóng)業(yè)和資源的空間遙感調(diào)查計劃(AGRISTARS,1980～1986)。這是一個研究、發(fā)展、評價和應用空間遙感技術(shù)以滿足農(nóng)業(yè)部各種需要的計劃。它主要包括災害早期預警、作物狀況評價、國外8種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量預報、作物單產(chǎn)模型發(fā)展、作物波譜特性及技術(shù)手段支持研究、土壤濕度測量、本國作物和土壤覆蓋分類與面積估算、再生資源清查以及水土保持與污染影響評價等內(nèi)容。此計劃成功地將面積抽樣框架技術(shù)(AreaSamplingFrame)和遙感技術(shù)引入農(nóng)作物種植面積估測中。隨后,將這種成熟的技術(shù)方法分別由不同的部門應用到農(nóng)作物估產(chǎn)實踐當中,如美國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計局(NASS/USDA)負責將遙感技術(shù)應用于美國國內(nèi)的主要農(nóng)作物估產(chǎn);農(nóng)業(yè)部外國農(nóng)業(yè)局(FAS/USDA,ForeignAgriculturalService)負責美國以外的國家的農(nóng)作物估產(chǎn)。由于估產(chǎn)區(qū)域大小不同,所要求的精度不同,因此在方法上也有相應的差別。美國是一個農(nóng)業(yè)大國,為了在世界糧食市場占據(jù)主動地位,專門在農(nóng)業(yè)部設立了外國農(nóng)業(yè)局,其主要任務是監(jiān)測全球其他國家的農(nóng)作物長勢,估計其單產(chǎn)潛力,而對作物種植面積主要靠各國政府的報告和統(tǒng)計資料。對單產(chǎn)潛力的預測則靠大量的氣象數(shù)據(jù)(NOAA在農(nóng)業(yè)部的分支機構(gòu)專門負責此項工作)和大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括定期的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)(10天左右)和陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)(包括Landsat_TM、SPOT和印度、日本的資源衛(wèi)星等),每年大約購買8000景衛(wèi)星圖像。實際長勢情況和面積數(shù)據(jù)等靠美國駐各國的大使館,或者由FAS的專家親自前往該國實地考察來獲取。最終結(jié)果由專門的分析師完成(共有7人)。目前,FAS的工作重點范圍是前蘇聯(lián)、中國、印度、澳大利亞、美國、巴西、阿根廷、墨西哥、中東地區(qū)、阿爾及利亞。(三)實驗設計和過程歐盟MARS計劃是遙感技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的10年研究項目,由歐盟第六司(負責歐盟農(nóng)業(yè))于1987年提出,1988年與歐盟委員會統(tǒng)計辦公室合作開展,它通常被稱作為MARS項目(MonitoringAgriculturewithRemoteSensing)。該項目的協(xié)調(diào)和組織工作由歐盟位于意大利IS-PRA的聯(lián)合研究中心負責,其應用研究工作由該聯(lián)合研究中心與有關(guān)國家的研究機構(gòu)緊密合作完成。根據(jù)歐洲部長會議決定,項目所需經(jīng)費將分階段撥付,首先撥付前5年(1989～1993)的費用,目前第一個5年的工作已經(jīng)結(jié)束。該項目研究目的是利用遙感技術(shù)開發(fā)出能夠改善歐洲共同體內(nèi)部農(nóng)業(yè)統(tǒng)計體系的新方法。這種改進的方法將在相當大的范圍內(nèi)(LargeScale)進行實驗,并成為能夠?qū)嶋H應用的運行系統(tǒng)。因此,在所開發(fā)的運行方法中,使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)必須是能夠長期連續(xù)獲得的。該項目中的優(yōu)先研究內(nèi)容是:農(nóng)作物種植面積清查,農(nóng)作物總產(chǎn)量清查,農(nóng)作物總產(chǎn)量預報。MARS項目研究的農(nóng)作物類型是那些產(chǎn)品具有較大市場的農(nóng)作物,不包括農(nóng)場內(nèi)部消耗其產(chǎn)品的農(nóng)作物類型,如飼料作物。監(jiān)測和預報的代表性將分別具有3個水平,或者說是3個不同的尺度,即共同體水平、區(qū)域級水平和國家級水平。為了達到這一要求,該試驗項目被組織成7個行動。行動1是區(qū)域面積清查,行動2是植被狀況監(jiān)測和單產(chǎn)參數(shù)確定,行動3是單產(chǎn)預報模型,行動4是歐洲農(nóng)作物種植面積和潛力單產(chǎn)快速估測,行動5是高級農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的建立,行動6是面積抽樣及其測量,行動7是長期研究計劃。從行動1到行動5的每一個行動均對應一個運行目標,行動6是其它各行動的支持項目,可直接向其它各行動提供地面測量結(jié)果。行動7是不具有任何特定運行目標的長期研究內(nèi)容,主要目的是研究解決其它行動遇到的基本方法問題。對于各有關(guān)行動從研究到實際運行的轉(zhuǎn)變過程來說,不同的行動具有不同的時間安排:短期(3～5年)包括行動1、2和4,中期(5～10年)包括行動3和5,長期(10年以上)包括行動7。項目研究組由9名專家于1987年和1988年組成,在后來的研究過程中,專家數(shù)最多時達到20人。行動1于1988年開始實施,其它行動于1989年開始,1989年是項目啟動的第一年。MARS計劃實施的目的有兩個:一是在歐盟范圍內(nèi)對農(nóng)作物申報結(jié)果的核查;二是利用遙感技術(shù)常年監(jiān)測農(nóng)作物并進行估產(chǎn)。針對農(nóng)作物核查的起因是根據(jù)1992年對共同農(nóng)業(yè)政策所做的徹底修正,農(nóng)民按照新的政策可以依據(jù)耕地面積申請補助金。1996年,大約1.7億歐洲貨幣單位直接支付給了申請歐洲農(nóng)業(yè)指導和保證金(EAGGF)的農(nóng)民。共同農(nóng)業(yè)政策的改革主要關(guān)注那些被稱之為“可耕地的農(nóng)作物”(如谷物、油菜籽和高蛋白質(zhì)作物)以及一定面積的飼料作物。為了得到直接以可耕地面積為基準的補助金,農(nóng)民必須保持可耕地面積所占的比例。另外,為了獲得補助資格,農(nóng)民需每年在一定的時間申報耕種的作物狀況,為信息管理起見,對每一個申報稱之為一個文檔。而申報時間在歐盟各國稍有不同,主要分布在3月底至5月中旬。執(zhí)行這一新政策的關(guān)鍵問題是如何管理由農(nóng)民每年申報的300多萬個地塊的信息,以及如何在收割之前檢驗這些申報的準確性。為了能在盡可能短的時間里核查農(nóng)作物申報結(jié)果,遙感衛(wèi)星影像被選用并成為最有效的工具。很顯然,對于農(nóng)民申報結(jié)果的核查是執(zhí)行新的共同農(nóng)業(yè)政策的基本前提。而且這種核查的范圍至少要包括申報總量的5%。在考慮采用何種技術(shù)進行這種核查時,歐盟各成員國都將以衛(wèi)星影像為基礎的遙感技術(shù)作為可選手段之一,而另一種可能的選擇就是傳統(tǒng)的實地檢驗方法。1996年歐盟成員國選定了86個地區(qū)作為以衛(wèi)星影像為基礎的遙感核查區(qū),相應的數(shù)字在1992年、1993年、1994年和1995年是分別是27,44,56和72。1996年對這86個地區(qū)的核查共涉及122000個文檔。1995年平均一個文檔包含13個地塊,土地面積共約32hm2。這樣,在1995年,以衛(wèi)星影像為基礎的遙感監(jiān)測共核查了1600萬個地塊,總土地面積為380萬hm2。MARS計劃監(jiān)測農(nóng)作物的目的是為了快速提供關(guān)于歐洲的農(nóng)作物狀況的早期統(tǒng)計信息。這些信息包括每年的種植面積較前一年變化的百分比,以及預計當年的農(nóng)作物產(chǎn)量。這些信息必須動態(tài)地,在每月出版的農(nóng)作物狀況通報上,在歐盟范圍內(nèi)公開發(fā)表。如果用常規(guī)的傳統(tǒng)的方法進行農(nóng)作物估產(chǎn),無論在任何地區(qū)都需要在9～10月間才能進行。但利用衛(wèi)星遙感估產(chǎn)可以使歐盟在每年的4月開始。為了監(jiān)測整個歐盟國家的農(nóng)業(yè)狀況,靶區(qū)的數(shù)量和分布必須能夠充分代表歐洲的農(nóng)業(yè)耕地。在財政費用和數(shù)據(jù)處理能力允許的條件下,應該盡可能多地選取靶區(qū)。JRC決定選取分布在15個國家的60個靶區(qū),每個靶區(qū)為40km×40km,靶區(qū)總面積占歐洲可耕地面積的6%。(四)土地數(shù)據(jù)的監(jiān)測及農(nóng)業(yè)統(tǒng)計埃及農(nóng)業(yè)資源監(jiān)控系統(tǒng)(ALIS)是由埃及農(nóng)業(yè)和土地部下屬的水土研究所(SoilandWaterResearchInstitute,SWRI)和法國SPOTIMAGE公司于1991年開始研制的。其目標是通過該系統(tǒng)的運行為埃及政府提供實時的主要作物種植面積變化情況、城市擴展占用耕地情況以及分析發(fā)展新的耕地的可能性。該系統(tǒng)采用SPOT圖像監(jiān)測了埃及耕地變化情況,監(jiān)測結(jié)果表明監(jiān)控城市無序擴張及控制非法占用尼羅河谷地肥沃耕地,是埃及農(nóng)業(yè)通向明日發(fā)展的關(guān)鍵。同時利用該系統(tǒng)進行了埃及的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計及制圖。研究范圍為400萬hm2土地。具體做法為首先利用SPOT圖像用來標識獨立的土地利用單位,通過交叉相關(guān)處理,結(jié)合行政界限,產(chǎn)生了400塊700m×700m的樣本區(qū)域。然后有12人的野外調(diào)查隊用一個月的時間調(diào)查了6240塊地塊上的作物信息,這些數(shù)據(jù)和SPOT圖像一起,便產(chǎn)生了最初的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計結(jié)果。(五)遙感估產(chǎn)研究除上述農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)以外,俄羅斯、加拿大、日本、印度、阿根廷、巴西、澳大利亞、泰國等也相繼開展了對小麥、水稻、玉米、大豆、棉花、甜菜等的遙感估產(chǎn)研究,取得了可喜的進展。它們不僅發(fā)展了不同的單產(chǎn)模型,特別是遙感估產(chǎn)研究,而且還采用了不同的遙感資料估算作物的種植面積。如澳大利亞用陸地衛(wèi)星MSS數(shù)據(jù)對新南威爾士的莫著畢季區(qū)雙季稻種植面積的估算,精度達到98%。二、國內(nèi)農(nóng)業(yè)條件的遙感監(jiān)測(一)遙感輔助估產(chǎn)從1984年開始,國家氣象局組織北方11省、市開展冬小麥氣象衛(wèi)星遙感綜合測產(chǎn)技術(shù)研究,開創(chuàng)了國內(nèi)以應用氣象衛(wèi)星為主的大面積遙感綜合估產(chǎn)的先例。該計劃發(fā)展了氣象衛(wèi)星遙感估產(chǎn)信息的提取、加工和處理技術(shù),組建了全國冬小麥遙感綜合測產(chǎn)地面監(jiān)測系統(tǒng),開展了氣象衛(wèi)星大面積監(jiān)測冬小麥長勢的方法和技術(shù)研究,研制了NOAA/AVHRR數(shù)字圖像解譯技術(shù)、遙感估產(chǎn)方法和遙感輔助估產(chǎn)模式,建立了不同類型的氣象衛(wèi)星遙感面積測算與估產(chǎn)方法。但該計劃沒有進行農(nóng)作物面積的遙感監(jiān)測。(二)遙感估產(chǎn)技術(shù)研究該計劃來自國家“八五”攻關(guān)項目“重點產(chǎn)糧區(qū)主要農(nóng)作物遙感估產(chǎn)”,由中國科學院地理所、綜考會、遙感所等單位主持,農(nóng)業(yè)部、科技部、國家氣象局等單位共同參加[11,12,13,14,15,16,17]。該計劃以遙感信息估測作物播種面積、長勢監(jiān)測、單產(chǎn)估算的技術(shù)流程為線索,融遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球定位技術(shù)為一體,結(jié)合地面采樣實測和歷史狀況分析,研究了農(nóng)作物遙感估產(chǎn)的基本理論和技術(shù)方法。重點研究了小麥、玉米和水稻大范圍遙感估產(chǎn)的機理和方法,包括估產(chǎn)區(qū)劃、地面采樣點布設技術(shù)、利用TM提取面積,在GIS支持下,TM和NOAA資料結(jié)合提取面積的基本方法和流程,以及作物在一個生育期內(nèi)所進行的長勢動態(tài)監(jiān)測及預報、墑情和苗情的監(jiān)控,遙感估產(chǎn)綜合模型的研制等。另外,該計劃還研制了在GIS技術(shù)支持下的大面積多品種遙感動態(tài)監(jiān)測和估產(chǎn)綜合集成系統(tǒng),包括遙感圖像處理系統(tǒng)、估產(chǎn)背景數(shù)據(jù)庫、估產(chǎn)模型系統(tǒng)及模型自動生成工具庫系統(tǒng)、綜合集成軟件系統(tǒng)等,有機地將異機平臺的系統(tǒng)綜合集成一個平臺上實現(xiàn)大面積估產(chǎn)運行。應該說該計劃首次在國內(nèi)進行了大面積、多作物的遙感估產(chǎn)運行系統(tǒng)的全面探索,為作物遙感估產(chǎn)業(yè)務運行打下了一個堅實的基礎。但在某些估產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)、運行成本、時效性和監(jiān)測精度方面與業(yè)務運行方面還存在一定的距離。(三)農(nóng)業(yè)保險分層抽樣遙感估測項目從1998年開始,全國農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室(農(nóng)業(yè)部發(fā)展計劃司)為及時了解和掌握每年全國農(nóng)作物實際生長情況,實施了一項“全國農(nóng)作物業(yè)務遙感估產(chǎn)”項目。該項目以業(yè)務化農(nóng)作物遙感監(jiān)測為目標,利用“3S”技術(shù),發(fā)展一套適合中國國情的農(nóng)作物遙感監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測的主要對象是冬小麥、玉米和棉花,并逐步擴大到水稻和大豆等作物。其技術(shù)思路是通過采用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)手段,動態(tài)監(jiān)測每年農(nóng)作物生長狀況;準確了解農(nóng)作物播種面積變化率,并對農(nóng)作物單產(chǎn)變化率和總產(chǎn)變化率進行準確估測。該項目由農(nóng)業(yè)部遙感應用中心主持。參加單位有:農(nóng)業(yè)部遙感應用中心太原、成都、南京、哈爾濱分中心,安徽省計委區(qū)劃所、河南省農(nóng)業(yè)科學院區(qū)劃所,以及相關(guān)省、市區(qū)劃辦公室。該項目從1998年啟動,經(jīng)過項目設計、農(nóng)作物長勢和旱情遙感動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物播種面積的遙感解譯、農(nóng)作物單產(chǎn)建模和預測、地面樣點的實況調(diào)查、農(nóng)作物總產(chǎn)估測等技術(shù)過程,對每年農(nóng)作物播種面積變化(與上年相比)、農(nóng)作物單產(chǎn)變化預測、農(nóng)作物總產(chǎn)變化估測等有了一個準確了解和預測。為農(nóng)業(yè)部及時、準確了解每年全國農(nóng)作物生產(chǎn)狀況提供一個比較準確的信息源。農(nóng)業(yè)部農(nóng)作物遙感監(jiān)測的主要目標是監(jiān)測農(nóng)作物播種面積及其變化率、單產(chǎn)及其變化率、長勢等信息。因此,該系統(tǒng)由以下幾部分組成:農(nóng)作物播種面積變化監(jiān)測、農(nóng)作物長勢和旱情監(jiān)測、農(nóng)作物單產(chǎn)模型、農(nóng)作物總產(chǎn)量預測、外推模型、精度控制等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程如圖1所示。該系統(tǒng)具有如下特點:與國內(nèi)以前的同類研究相比,該系統(tǒng)采用了分層抽樣技術(shù)來布設高分辨率TM圖像,進行冬小麥面積解譯提取。這樣就可以避免大范圍全覆蓋高分辨率TM圖像時投入大的問題,采用此項技術(shù),可以節(jié)省經(jīng)費、時間,同時又可以保證整體監(jiān)測的精度。另外建立了氣象遙感農(nóng)學模型來進行冬小麥單產(chǎn)預測,模型預測的結(jié)果采用遙感監(jiān)測的長勢和旱情進行訂正,大大提高了單產(chǎn)預測的精度。同時,制定了冬小麥遙感估產(chǎn)運行體系和標準,保證了大范圍的定期運行,從而滿足了實時信息的提供。與國外同類系統(tǒng)相比,結(jié)合中國國情,在保證一定精度的前提下降低運行成本,既采用高分辨率衛(wèi)星TM監(jiān)測冬小麥面積、低分辨率衛(wèi)星NOAA監(jiān)測長勢和旱情,建立氣象遙感農(nóng)學單產(chǎn)模型進行單產(chǎn)預測。(四)主要生態(tài)恢復措施國內(nèi)除上述農(nóng)情遙感監(jiān)測計劃以外,許多科學家從20世紀70年代末就在不同方面和層次上開始了農(nóng)情遙感監(jiān)測的機理和方法研究。如中科院等單位對農(nóng)作物的光譜特性、綠度指數(shù)、作物長勢及其和作物產(chǎn)量之間的關(guān)系、熱紅外和微波監(jiān)測土壤水分等方面進行了研究;對陸地衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)輔以航空遙感和地面采樣進行大范圍農(nóng)田耕地面積計算的問題開展了試驗研究。農(nóng)業(yè)部及所屬單位開展了全國300個縣的農(nóng)業(yè)資源動態(tài)監(jiān)測及3省兩市小麥估產(chǎn)工作。80年代末,北京大學和江蘇省農(nóng)科院等單位開展了氣象衛(wèi)星和地面調(diào)查相結(jié)合的河南省小麥和江蘇省水稻等的遙感估產(chǎn)機理研究工作。江蘇省農(nóng)科院研制成功水稻、小麥、棉花和玉米栽培計算機模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)等。三、農(nóng)情遙感產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的問題經(jīng)過近30年的研究與試驗,農(nóng)情遙感經(jīng)歷從單一作物到多作物、從定性到定量、從試驗研究到業(yè)務試運行的發(fā)展過程,在估產(chǎn)機理、技術(shù)方法及大范圍試運行等方面均取得了很大的進展。但還存在不少問題,影響了農(nóng)情遙感的產(chǎn)業(yè)化進行。筆者認為如下問題急待