遙感技術中農(nóng)業(yè)科技的服務領域應用

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摘要:【目的】遙感技術具有大范圍、周期性獲取地表信息的特點,被廣泛應用于農(nóng)業(yè)作物面積制圖、農(nóng)作物長勢監(jiān)測與產(chǎn)量估計和農(nóng)情監(jiān)測等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié).【方法】在闡述了地塊級、業(yè)務化的農(nóng)業(yè)遙感服務概念和內(nèi)容的基礎上,分析了國內(nèi)外地塊級、業(yè)務化的農(nóng)業(yè)遙感服務現(xiàn)狀.【結果】由于中國實行農(nóng)民聯(lián)產(chǎn)承包責任制,地塊較為破碎,管理較為精細,對地塊級遙感監(jiān)測的需求不大等原因,使得中國地塊級、業(yè)務化的農(nóng)業(yè)遙感服務尚處于起步階段.【結論】隨著中國逐步推廣農(nóng)村土地流轉,實施大范圍的機械化農(nóng)業(yè),業(yè)務化、精細化的農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測具有廣闊的前景.

關鍵詞:遙感;農(nóng)業(yè);精準農(nóng)業(yè);服務

遙感技術具有大范圍、周期性獲取地表信息的特點,被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、減災、林業(yè)等各個領域[1,2].其中,農(nóng)業(yè)是遙感技術發(fā)展最早、應用最成熟的領域之一.遙感技術被廣泛應用于農(nóng)業(yè)作物面積制圖、農(nóng)作物長勢監(jiān)測與產(chǎn)量估計和農(nóng)情監(jiān)測等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié)[3G5].大范圍農(nóng)作物面積遙感監(jiān)測方法主要包括抽樣調查和全覆蓋方法[6G10].農(nóng)作物面積遙感抽樣調查方法是先將監(jiān)測區(qū)域劃分成各個樣方,根據(jù)抽樣調查理論抽選部分樣方,再對抽樣樣方的農(nóng)作物面積進行調查,最后根據(jù)抽樣理論推算出整個區(qū)域的農(nóng)作物面積[3,8].全覆蓋測量方法是利用全覆蓋的衛(wèi)星影像,根據(jù)不同作物在影像上的光譜或者空間特征,利用計算機自動分類或者人工識別方法,獲得全覆蓋的農(nóng)作物類型空間分布圖[9,10].農(nóng)作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量估計方面,植被指數(shù)、葉面積指數(shù)和生物量等遙感指標被廣泛應用于定性的長勢監(jiān)測和經(jīng)驗產(chǎn)量估計[11].利用遙感技術還可以實現(xiàn)地塊級別的作物生理生化參數(shù)(水分、葉綠素、氮和碳等)濃度和農(nóng)田土壤養(yǎng)分的反演[12,13].利用這些參數(shù),結合作物生長模型進行定量化農(nóng)作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量估計是目前的發(fā)展方向之一[1].農(nóng)情遙感監(jiān)測主要包括病蟲害監(jiān)測和災情監(jiān)測.遙感技術病蟲害監(jiān)測主要利用作物受不同脅迫影響后發(fā)生的光譜響應來監(jiān)測病蟲害的發(fā)生和發(fā)展程度.目前,遙感技術對小麥條銹病、番茄晚疫病、柑橘黃龍病和水稻紋枯病的監(jiān)測精度已經(jīng)高于85％[14,15].在干旱、洪澇和低溫等主要農(nóng)作物災害方面,基于遙感土壤水分指數(shù)、地表溫度等參數(shù)的農(nóng)作物干旱、洪澇和低溫災害監(jiān)測已在中國業(yè)務化運行[16G18].然而,雖然遙感技術在農(nóng)業(yè)中得到了廣泛和成熟的應用,但主要集中利用中低空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行大范圍的監(jiān)測,服務于農(nóng)業(yè)部、統(tǒng)計局等國家部委.在面向社會大眾的產(chǎn)業(yè)化方面,由于中國實行農(nóng)民聯(lián)產(chǎn)承包責任制,地塊較為破碎,管理較為精細,對遙感監(jiān)測的需求不大,使得中國目前在該領域尚屬于起步階段.近年來中國在逐步推廣農(nóng)村土地流轉,實施大范圍的機械化農(nóng)業(yè),激發(fā)了業(yè)務化、精細化的農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測需求.因此為適應農(nóng)業(yè)遙感市場發(fā)展的新需求,基于目前農(nóng)業(yè)遙感的發(fā)展現(xiàn)狀,面向業(yè)務化、小區(qū)域精細農(nóng)業(yè)遙感服務的需求,分析遙感農(nóng)業(yè)科技服務的內(nèi)涵、服務內(nèi)容、技術方法和服務現(xiàn)狀,探討農(nóng)業(yè)遙感科技服務的未來.

1遙感農(nóng)業(yè)科技服務的概念

基于遙感技術的農(nóng)業(yè)信息化科技服務是指基于遙感、地理信息系統(tǒng)等信息技術,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提供地塊級業(yè)務化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)輔助管理服務,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的信息化管理,提高農(nóng)業(yè)管理效率,降低生產(chǎn)成本和污染,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展;提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對自然災害的響應能力,最大限度降低自然災害的影響.具體服務內(nèi)容包括:地塊級精準農(nóng)業(yè)管理、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量預測、病蟲害監(jiān)測、災情監(jiān)測和農(nóng)業(yè)保險等服務.

2遙感農(nóng)業(yè)科技服務的內(nèi)容

2．1精準農(nóng)業(yè)管理

2．1．1精準施肥

精準施肥是指利用遙感技術進行氮、磷、鉀等作物養(yǎng)分的精準監(jiān)測,實時了解作物的養(yǎng)分狀況,繪制作物的養(yǎng)分脅迫地圖,結合GPS,實現(xiàn)對作物養(yǎng)分缺乏區(qū)域的精準施肥,降低化肥使用量,減少環(huán)境污染和生產(chǎn)成本.作物養(yǎng)分遙感監(jiān)測主要是利用高光譜遙感數(shù)據(jù)進行氮、磷、鉀等作物生化組分的反演,反演方法主要采用植被指數(shù)、紅邊指數(shù)等進行經(jīng)驗回歸[12,19].

2．1．2精準灌溉

精準灌溉是指利用遙感技術進行土壤墑情和作物需水量的精準動態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)地塊級的適時、適量的作物水分精準灌溉,提高灌溉效率,節(jié)約水資源量.干旱監(jiān)測主要有基于可見光遙感的熱慣量法、條件溫度指數(shù)法、距平植被指數(shù)法、條件植被指數(shù)法、作物缺水指數(shù)法等[20,21].

2．1．3精準噴藥

精準噴藥是指利用遙感技術,進行農(nóng)作物病蟲害的高精度精準監(jiān)測和制圖,結合GPS,采用無人機噴灑技術,實現(xiàn)對作物病蟲害區(qū)域的精準噴藥.此外,利用遙感技術進行病蟲害的實時動態(tài)監(jiān)測,還可以使農(nóng)田管理者實時了解病蟲害的發(fā)生、發(fā)展狀況,為病蟲害的早期防治提供數(shù)據(jù)支撐,降低蟲害損失.遙感技術病蟲害監(jiān)測主要是通過監(jiān)測病蟲害導致的作物光譜響應的變化,構建病蟲害的指示指數(shù)來進行監(jiān)測[14,15,22].

2．2長勢監(jiān)測與產(chǎn)量估計

遙感監(jiān)測的植被指數(shù)可以直接反映植被的長勢、覆蓋度和動態(tài)季相變化[23,24],利用時序歸一化植被指數(shù)(NDVI)、差值植被指數(shù)(DVI)和比值植被指數(shù)(RVI)等遙感植被數(shù)據(jù),采用逐年比較模型、等級模型和診斷模型等方法,可以實現(xiàn)對作物長勢的動態(tài)監(jiān)測[11],采用植被指數(shù)與地面實測產(chǎn)量的回歸模型法可以實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量的估計[25].

2．3農(nóng)業(yè)保險服務

遙感技術可以從兩個方面服務于農(nóng)業(yè)保險.1)農(nóng)田地塊信息的獲取與管理.利用高分辨率遙感影像可以通過面向對象的計算機和人工解譯方法獲取承保地塊屬性情況,準確測算承保地塊的種植面積、位置、作物類型,提供每一塊承保地塊“遙感提取面積”與“投保面積”關聯(lián)對比,對承保農(nóng)作物類型、區(qū)域位置、耕地類型、地塊屬性進行評估驗標,并實現(xiàn)對承保標的風險指數(shù)分析.2)災情評估.利用遙感技術可以實現(xiàn)高精度的洪災[16,26]、旱災[17,27]和火災[18]等自然災害范圍的監(jiān)測,同時利用遙感技術進行作物長勢的監(jiān)測,可以評估由于災情導致的量減產(chǎn),從而為保險理賠提供科學數(shù)據(jù)支撐[28,29].

3遙感農(nóng)業(yè)科技服務的現(xiàn)狀

3．1國外服務現(xiàn)狀

遙感技術農(nóng)業(yè)服務在美國、加拿大等北美國家發(fā)展較為成熟,涌現(xiàn)了以Climate和FarmsEdge為代表的專業(yè)遙感農(nóng)業(yè)科技服務公司.美國1/4的農(nóng)戶使用Climate公司的服務,2016年該公司的營業(yè)額高達995億元人民幣.Climate和FarmersEdge提供的農(nóng)業(yè)科技服務內(nèi)容包括:

3．1．1數(shù)據(jù)采集和可視化服務

數(shù)據(jù)采集、管理:實時的數(shù)據(jù)采集和可視化服務,可以采集拖拉機、耕種機、播種機、噴霧器等農(nóng)業(yè)機械設備的數(shù)據(jù),以及放置在地塊的氣象站點數(shù)據(jù),并可疊加在衛(wèi)星影像上,在電腦、PAD和手機等終端上實時展現(xiàn).耕種過程的實時在線顯示和在線監(jiān)控:在遙感影像地圖中實時顯示耕種過程,監(jiān)控農(nóng)作物播種密度和產(chǎn)量,為農(nóng)田管理者提供農(nóng)田生產(chǎn)活動的在線監(jiān)控,實時顯示各項農(nóng)田生產(chǎn)活動的進度.

3．1．2數(shù)據(jù)分析服務

1)作物產(chǎn)量評估.利用遙感影像和數(shù)字地圖比較關鍵參數(shù),確定影響產(chǎn)量的關鍵措施.提交作物長勢報告,并為下一個季度的作物類型挑選提供選擇依據(jù).關鍵農(nóng)田參數(shù)對比:對比不同時期的農(nóng)作物產(chǎn)量、管理措施、作物健康狀況等數(shù)據(jù),監(jiān)測作物的長勢,幫助客戶更好的理解作物長勢影響變量.產(chǎn)量分析:更好的分析雜交、土壤類型和農(nóng)田管理措施等對產(chǎn)量措施的影響,幫助客戶在下季度做更出更好的決策,出具產(chǎn)量分析報告,便于與管理顧問分享.地塊分析:出具基于地塊的農(nóng)作物表現(xiàn)報告,幫助客戶分析不同農(nóng)田管理措施如何影響農(nóng)作物產(chǎn)量.2)農(nóng)作物長勢監(jiān)測與預防.利用持續(xù)的高質量遙感影像進行作物長勢的監(jiān)測,提前識別和預防農(nóng)作物災害的發(fā)生,保護農(nóng)作物產(chǎn)量.

3．1．3精準管理服務

為每一種作物定制一個管理計劃,通過氮元素監(jiān)測工具和可變速率播種工具來獲得最大的產(chǎn)量.可變速率播種:通過基于多數(shù)據(jù)層手動腳本方式或者通過歷史現(xiàn)場數(shù)據(jù),創(chuàng)建可變速率播種,結合現(xiàn)場測量結果,定制適合特定產(chǎn)量或盈利目標的種植方案.氮素監(jiān)測:通過監(jiān)測定制區(qū)域的氮元素含量,使得地塊始終處在最佳的氮素水平,發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷,并輕松添加或編輯氮氣應用數(shù)據(jù),以確保實現(xiàn)您的產(chǎn)量目標.

3．2國內(nèi)服務現(xiàn)狀

近年來,中國農(nóng)業(yè)逐漸向機械化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,使得對基于遙感的農(nóng)業(yè)服務需求越來越旺盛,相繼涌現(xiàn)了“佳格”和“云保天下”等遙感科技農(nóng)業(yè)服務公司.這些企業(yè)主要提供地塊管理、作物管理、病蟲害防治、農(nóng)業(yè)保險等服務.

3．2．1地塊管理

在高分辨率遙感影像上,根據(jù)耕地的紋理、種類等特征,實時地確定地塊位置、識別地塊分界、測算地塊和種植面積,并在云端存儲.

3．2．2作物管理

作物長勢監(jiān)測:用可見光、紅外、激光、雷達等實時掃描作物的生長狀態(tài),據(jù)土壤和歷史氣候數(shù)據(jù),并結合作物生長模型評估其健康狀況.生長周期估算:利用遙感衛(wèi)星一次性監(jiān)測到廣大地域作物的生長狀態(tài),實時監(jiān)控作物所處的生長周期,為灌溉、施肥、植保、收割等農(nóng)事活動提供依據(jù),為每個區(qū)域推薦最佳的收割期.

3．2．3病蟲害管理

病蟲害預警:基于主要作物的病蟲害預報模型,根據(jù)實時的氣候、地塊溫度和濕度,通過云端專家知識庫,預報未來數(shù)周主要農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生概率,為更好地開展植保提供數(shù)據(jù).植保方案:通過比較不同時期衛(wèi)星成像的作物生長狀態(tài),實時地評估作物健康,并做出植保建議.針對不同的作物病蟲害類型,選擇針對性的植保方案和特效農(nóng)藥,對不同作物在不同生長時期的問題給出成套的植保解決方案.

3．2．4農(nóng)業(yè)保險服務

保險標的精準管理:以衛(wèi)星遙感和地理信息系統(tǒng)為核心,構建農(nóng)業(yè)保險標的綜合管理平臺,實現(xiàn)行政區(qū)劃、土地歸屬人、宗地編號等多維度的地塊查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能.完美結合農(nóng)業(yè)保險標的管理實際應用場景,促進農(nóng)業(yè)保險標的管理升級.受災程度精準評估:通過估產(chǎn)模型,對各類主糧作物及經(jīng)濟作物的產(chǎn)量進行準確估算,結合保險公司具體賠付標準,生成災情評估報告,為核保定損提供決策依據(jù).保險費率精準厘定:結合歷史災害信息、歷史產(chǎn)量、氣象、地形地貌等綜合條件,對不同地塊的災情發(fā)生概率與產(chǎn)量進行評估,為差異化保費制定提供基礎.

4結論與展望

隨著遙感技術的發(fā)展,農(nóng)業(yè)遙感技術逐步從大區(qū)域資源調查和宏觀決策支持服務,向精細化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務方向發(fā)展,如地塊級的農(nóng)作物長勢監(jiān)測、病蟲害預防、精準噴施等,逐步形成了包含遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等支撐的數(shù)據(jù)驅動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務模式,使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動逐步走向信息化、數(shù)字化和智能化.雖然目前遙感技術在精細化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務中發(fā)揮了越來越大的作用,并已經(jīng)形成了數(shù)百億美元的巨大市場.然而,目前農(nóng)業(yè)遙感服務還存在以下問題:1)主要采用可見光遙感數(shù)據(jù),由于可見光遙感技術的限制,可見光遙感數(shù)據(jù)的光譜分辨率低,限制了其在病蟲害監(jiān)測、農(nóng)作物生化組分反演等方面的應用,而衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)空間分辨率較低,難以適用于地塊級別的病蟲害和生物組分反演應用.2)可見光遙感數(shù)據(jù)容易受到云雨等天氣條件的影響,雷達遙感可以穿云透霧,但目前高空間分辨率雷達衛(wèi)星較少,且數(shù)據(jù)成本高昂,也不適用于地塊級別的應用.機載數(shù)據(jù),特別是無人機載高光譜數(shù)據(jù),是解決上述問題的有效手段之一.雖然基于無人機載高光譜數(shù)據(jù)的病蟲害和生化組分反演還處于應用研究階段,但該平臺是精細化農(nóng)業(yè)遙感進一步發(fā)展的重要方向之一.3)農(nóng)業(yè)遙感技術服務的時效性還有待提高.農(nóng)情遙感監(jiān)測,特別是病蟲害、旱災等的監(jiān)測對時效性有很高的要求,然而目前實時或準實時遙感,受遙感數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)處理等水平的限制,發(fā)展水平較低,還難以做到實時或準實時的應用的需求,基于GFG4號衛(wèi)星等高時空分辨率遙感技術發(fā)展實時或準實時遙感技術是發(fā)展的方向之一.4)農(nóng)業(yè)遙感技術服務的費效比還有待提高.農(nóng)業(yè)的每平方公里GDP產(chǎn)值較低,這決定了農(nóng)戶不可能花費較多費用購買遙感技術服務,如何在滿足應用需求的前提下,盡量減低遙感技術服務的費用,提高農(nóng)業(yè)遙感經(jīng)濟服務效率,是決定農(nóng)業(yè)遙感商業(yè)化應用水平的根本.目前高空間分辨率衛(wèi)星遙感和無人機遙感監(jiān)測的費用均較高,還難以滿足農(nóng)業(yè)應用的低成本需求,GFG2/1等國產(chǎn)高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)是免費分發(fā)的數(shù)據(jù),基于這些數(shù)據(jù)來提供農(nóng)業(yè)遙感技術服務可以大幅減低遙感技術服務費用.

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作者:姚妮 李寶龍 單位:北京農(nóng)學院文法學院