遙感技術在精準農(nóng)業(yè)中的應用

1、遙感技術在精準農(nóng)業(yè)中的應用精準農(nóng)業(yè)又稱精細農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)作和處方農(nóng)業(yè)。精準農(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來進行農(nóng)田優(yōu)化管理，以便實現(xiàn)生產(chǎn)過程精細化、準確化的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)。在精準農(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)濟效益，并保護環(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，精準農(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、標準化和批量化等方

2、面均有積極的作用和意義。在精準農(nóng)業(yè)中，田塊內(nèi)的作物狀態(tài)及其生長環(huán)境的空間差異是進行農(nóng)業(yè)精準管理的關鍵。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。遙感信息為精準農(nóng)業(yè)所需空間信息差異參數(shù)的快速、準確、動態(tài)獲取提供了重要的技術手段。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發(fā)展水平等因素的限制，遙感技術在農(nóng)業(yè)領域的應用只局限于服務區(qū)域的重大決策。20世紀70年代，遙感開始進入一個，高速發(fā)展的階段并廣泛地應用于農(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、災害評估和作物產(chǎn)量估計等方面，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農(nóng)業(yè)對農(nóng)田信息的需求。近20年來，隨著遙感技術的發(fā)展，遙感技術在精準農(nóng)業(yè)領域開始發(fā)揮越來越大的作用，在指導農(nóng)田灌溉、施肥、病蟲害防治、雜草控制、農(nóng)作物收獲及災后損失評估等方面均已有很多成功的應用。以下將對遙感技術在精準農(nóng)業(yè)領域部分應用研究進行介紹。遙感可為精準農(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)田基礎設施、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)展狀況、雜草的生長狀況以及作物物候等信息。一、基礎信息獲

4、取1. 農(nóng)田基礎設施調(diào)查主要包括農(nóng)田道路、水利設施等，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)田管理的基礎保障。掌握區(qū)域農(nóng)田基礎設施的空間分布狀況，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮這些設施作用的前提。使用遙感技術可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)基礎設施的快速調(diào)查。傳統(tǒng)的遙感農(nóng)田道路及水利設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、人機交互模式下的人工解譯提取技術及自動識別跟蹤方法。目前，影像分類有了新的改進方法，面向對象的多尺度分割技術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行提取時，可取得更好的效果。2014年黑龍江省富錦市設施農(nóng)用地分布圖基于遙感人工目視解譯技術，并結合野外調(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)進行信息提取，形成包含育秧棚、晾曬場、農(nóng)機站等在內(nèi)的富錦市設施農(nóng)用地分布圖。2. 地塊分布調(diào)查精準農(nóng)業(yè)中的變量管理技術是通過將農(nóng)田分為較小的管理單元來實現(xiàn)，被定義為“農(nóng)田中產(chǎn)量限制因子均一并且適合進行統(tǒng)一作物投入的田塊”。與早期精準農(nóng)業(yè)“Farming By Foot”的概念相比，基于管理單元進行的精準耕作更具有可操作性。利用高分辨率遙感影像進行地塊邊界及其空間分布的提取，不僅時效性強、精度高，而且符合中國農(nóng)村高度分散條件下的精準農(nóng)業(yè)的實施。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)場耕地進行分塊調(diào)查、集中編號，實現(xiàn)精準確權，進一步規(guī)范化、科學化、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農(nóng)田管理提供響應依據(jù)。一般可以通過改進土壤肥力指標來提高作物單產(chǎn)，這些指標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質含量。土壤的反射光譜主要受其物理性質、化學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，遙感技術已經(jīng)可以成功地獲取土壤的有機碳、N、P、K、Ca、鹽分以及總有機質等的含量信息，并可以對土壤的pH值等化學屬性進行估

7、算。這些信息可以直接用于土壤肥力的評價與空間制圖。土壤結構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進行監(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、質地及粘粒含量等。這些土壤結構參數(shù)對土壤水分的涵養(yǎng)及養(yǎng)分物質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)域尺度上冬小麥施肥推薦方法，對GeoEye-1衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進行綜合分析，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個方面對遙感技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領域的應用進行說明。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)了遙感技術宏觀、客觀、及時、經(jīng)濟的特點，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”集成應用技術、高分辨率衛(wèi)星資料和大數(shù)據(jù)計算技術等的快速發(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行監(jiān)測，實現(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. 指導農(nóng)田灌溉精準農(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現(xiàn)精準灌溉的前提。遙感領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)土壤含水量進行反演并進行差值計算，得到當年該地區(qū)實際灌溉面積監(jiān)測專題圖。該類成果可以較低成本支撐實際灌溉面積監(jiān)測信息的獲取，彌補灌溉管理中的不足，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準確地調(diào)整肥料的投入量，以獲取最大的經(jīng)濟效益和環(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，實時掌握作物的養(yǎng)分狀況，以便做到科學施肥，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。實現(xiàn)這一目標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的監(jiān)測提供依據(jù)。目前對作物生化組分進行監(jiān)測主要使用統(tǒng)計回歸方法，所使用的遙感指標包括波段反射率、植被指數(shù)、紅邊參數(shù)及其他一些光譜參數(shù)。除了統(tǒng)計的方法，還有一些神經(jīng)網(wǎng)絡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. 指導病蟲害防治利用遙感技術

12、進行作物病蟲害的早期識別可以降低除害成本，并可以有效地指導病蟲害的治理。遙感技術可以對病蟲害做出快速響應，并可為作物的管理提供空間化的處方圖。基于遙感技術的監(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，以避免病蟲害的擴大和更大的損失。遙感技術不但可以監(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情損失。2010年黑龍江農(nóng)墾前進農(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)，通過計算植被增值型植被指數(shù)（EVI），監(jiān)測不同病情嚴重度空間分布情況，并進行及時、準確地評估，為構建災害遙感快速動態(tài)監(jiān)測技

13、術體系提供數(shù)據(jù)支撐。5. 指導雜草控制根據(jù)世界糧農(nóng)組織的研究，全球由雜草導致的糧食生產(chǎn)損失每年高達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，雜草造成的實際經(jīng)濟損失還要更高。遙感技術可以有效地進行農(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主要有以下兩種:一種是基于光譜的影像分類技術，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. 指導作物收獲基于遙感數(shù)據(jù)指導作物收獲主要是通過開展作物收獲時間的預測和作物

14、品質的監(jiān)測兩個途徑。由于作物的收獲時間對作物的產(chǎn)量、品質有重要的影響，因此合理地對作物收獲時間進行預測，可以有助于提高農(nóng)產(chǎn)品的品質和產(chǎn)量，同時還可以指導農(nóng)業(yè)機械進行合理的調(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、結構及冠層結構等作物特征來進行主觀的解譯，但這種方法難以在大范圍應用，而且易引入主觀判斷的誤差。遙感技術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)測來實現(xiàn)作物生育期的預測。2010年黑龍江墾區(qū)八五二農(nóng)場水稻品質空間分布圖利用2010年9月Lan