歐盟國家農業遙感應用及其啟示*

劉海啟，游 炯※，王 飛，周應華，李霄漢，黃 平

(1. 農業農村部耕地利用遙感重點實驗室/農業農村部規劃設計研究院，北京 100125； 2. 農業農村部發展規劃司，北京 100125；3. 河北省農業資源區劃辦公室，石家莊 050057；4. 四川省農業科學院遙感應用研究所，成都 610066)

0 引言

為深入推進遙感技術、地理信息系統、全球定位系統等現代地理空間信息技術在我國農業上的應用，在農業農村部安排和國家外國專家局資助下，于2016年11月赴意大利進行了實地考察。通過對意大利安全及防衛監測研究所、意大利航天局、新技術能源局、中小企業聯合會農產品集群協會、e-GEOs對地觀測公司、羅馬二大、都靈理工大學以及聯合國糧農組織(FAO)等機構開展的為期21d專題學習研討，詳細了解了歐盟與FAO的農業遙感應用現狀及其未來打算。歐盟有關共同農業政策(CAP)執行效果遙感核查、精準農業生產方式、農地權屬管理系統及其應用、自然災害應急管理、發展規劃引導及項目計劃資助等做法，對我國農業遙感應用和數字農業發展具有很好的借鑒意義。

1 歐盟農業遙感應用情況

歐盟(EU)高度重視遙感等空間信息技術在農業上的應用研究，并通過共同農業政策(Common Agricultural Policy，CAP)[1]在歐盟國家推廣應用。早在1988年，為準確清查作物面積和預測糧食產量，歐盟農業局(EU-Ⅵ)就實施了為期10年的農業遙感研究計劃，即MARS計劃(Monitoring Agriculture with Remote Sensing)。通過邊研究邊應用的策略，逐步進入到實際業務運行狀態。1993年開始應用于歐盟國家農業監測當中， 2000年開始應用于全球農業監測和糧食安全評估。隨著農業遙感研究的不斷深入，應用領域不斷拓展，產業化程度不斷提高，歐盟國家精準農業生產方式基本形成，并對發展數字農業、智慧農業擬定了研究規劃。

1.1 農情遙感監測

近30年來，位于意大利的歐盟聯合研究中心(Joint Research Center，JRC)MARS項目組，通過構建作物產量預測系統(MARS Crop Yield Forecasting System，MCYFS)[2]、作物長勢監測系統(Crop Growth Monitoring System，CGMS)[3]、作物模擬生物物理模型(Biophysical Model Application，BioMA)[4]等農情監測方法，監測作物生長發育過程，評估天氣因素影響，及時提供作物生長和產量數據。目前，主要是利用哥白尼計劃(Copernicus Programme)[5]中的衛星遙感數據，制作作物長勢和產量空間分布圖，以便實現空間變量管理，形成精準農業生產方式。如圖1所示。

圖1 農作物產量預測(a)基于2008—2012時間序列的2013年歐盟軟質小麥產量； (b)小區域產量空間變異

自2000年開始，歐盟聯合研究中心(JRC)開展了全球農業監測和糧食安全評估工作。主要監測區域為撒哈拉以南非洲糧食短缺區域，以及世界其他糧食主產區。非洲大陸尺度農田監測效果顯著[6]，主要方法是協同使用Globcover、SADC、CUI、LULC2000、GLCN Senegal等10種土地覆蓋/土地利用遙測數據集(圖2a)，統一分類系統后，生成了250m空間尺度的非洲大陸農田空間分布圖，同時利用Geo-Wiki工具[7]在Google Earth上獲取空間分辨率為1km的驗證樣本，對JRC的250m非洲大陸農田空間分布數據進行驗證(圖2b)。結果顯示，JRC的方法克服了非洲農田異質性大、作物物候差異大、農田斑塊空間結構復雜、干旱/半干旱區域農田與草地等地類光譜相似性強、以及因干旱或休耕等因素引起的農田年際變化大等問題。

圖2 JRC 非洲大陸農田分布監測(a)10種土地覆蓋/利用數據源； (b)非洲農田空間分布JRC監測精度

1.2 數字農業與精準農業

近年來，歐盟發達國家相繼開展了精準農業實踐。以意大利倫巴第大區為例，該大區成立的自耕農協會，在大農場中推廣了精準農業項目(圖3)。其方法可歸納為“5S”技術體系：用數字攝影測量系統(DPS)和全球定位系統(GPS)獲取信息和準確定位，用遙感技術(RS)監測作物生長狀況和空間變異信息，用地理信息系統(GIS)構建空間信息數據庫，用作物專家系統(ES)提供作物生長過程模擬、投入產出分析，用裝備GPS系統的智能化農機系統自動控制精準播種、變量施肥用藥、以及收獲等生產過程。

圖3 智能化農機裝備自動控制精準施肥

歐盟不同國家精準農業的發展有著明顯差異。在德國、荷蘭、丹麥、芬蘭等國，農業機械制造商是發展精準農業的主要推動力。在意大利、法國等國，主要是政府與企業出資共同組建商業化運營公司，開展導航數據加工、基礎位置服務、終端制造以及用戶服務等業務。

1.3 農地綜合管理

自20世紀60年代開始，歐盟以共同農業政策(CAP)方式對成員國農戶進行農業補貼資助。為確保資金準確分配到農場主，歐盟開發了農業綜合管理和控制系統(Integrated Administration and Control System，IACS)[8]。從1992年開始，農地綜合管理納入歐盟共同農業政策(CAP)，強制要求各成員國使用[9]。主要功能包括3個方面：(1)接收和審查農民提交的補貼申請；(2)預防、核查和控制資金發放過程； (3)快速糾錯機制。

目前，歐盟一些國家在IACS系統運行的基礎上，根據本國實際，不斷完善信息化管理功能。例如，意大利政府委托e-GEOs公司，將地理信息與其他輔助信息相結合，逐步完善系統、增加功能，用來查詢和掌握農戶、家庭農場、農業企業的農地空間分布、地力等級、土地利用類型、農業補貼等詳細情況。這種自主開發的地籍信息管理平臺，更加注重用戶的個性需求：一是提交申請的方式更為靈活。比如，農戶在申報種植變化信息時，既可以個人直接申報，也可以委托當地農業機構幫助申報。二是可以互相交流。可與農戶互動和交流，保證及時更新和高效運轉。意大利地籍信息管理平臺的用戶為150萬， 2017年開始強制國內所有農戶使用該系統。此外，通過這類電子地籍圖，還能發現一些農民應該申請補貼而沒有申請的情況。政府機構借此可以查找土地所有者姓名，與農戶聯系補貼事宜。

1.4 遙感核查工作

為確保農業補貼正確發放，自1993年開始，歐盟倡導各成員國采用遙感手段，對農戶申請補貼的地塊種植情況進行核查。從2014年開始，遙感核查方法(Checks with Remote Sensing，CwRS)[10]列入CAP條款[11-12]強制應用。

CwRS方法利用遙感數據(圖4)，針對地塊位置、作物類型及種植面積進行核查。具體做法是： (1)利用航空遙感影像或高分辨率衛星影像，對核查區域的所有地塊進行識別，判別土地利用/土地覆蓋類型和作物類型； (2)數字化上圖，定位空間位置； (3)面積量算； (4)與申報面積對比； (5)監控補貼資金發放的合法性。CwRS方法需要的遙感圖像數據，均由歐盟聯合研究中心(JRC)統一負責獲取、處理和分發。

圖4 多尺度遙感衛星影像地塊識別效果對比

就意大利來說，承擔核查任務的專業機構利用CwRS方法，每年向意大利政府提供一份核查報告，以3年為周期，完成意大利境內所有農地地塊的全覆蓋核查，并對農業生產信息進行數字化存儲。同時，利用這些詳細數據更新地籍圖，達到監督農戶和調控生產的目的。

圖5 歐盟農業自然災害應急制圖流程

1.5 農業災害應急制圖

在歐盟哥白尼計劃資助下，歐盟成員國利用衛星技術特別是雷達技術，開展了自然災害的應急制圖和評價工作。主要包括洪澇災害、外來物種入侵、地震應急災害制圖等。意大利e-GEOs公司負責歐洲應急災害快速制圖及評價，主要用戶為歐洲民防機構。當自然災害發生時，應歐洲民防機構的要求，立即開始進行災害應急制圖，如圖5所示。一般在2h以內做好準備工作； 6h以內，核對整理受災地區已有的可用衛星數據源清單； 9—22h以內，完成災區制圖并提供產品給用戶參考。產品內容主要包括參考圖層、災區邊界圖層、受災等級圖等。近4年來，e-GEOs公司受理了突發事件190多起，提供了2 500多份圖件。

在應急制圖技術方面，除了目前常規的地圖基本要素標識以外，還附加有地圖說明。主要以文字形式進行展示，提供詳細的地圖要素信息介紹、制圖的遙感數據源介紹和地面數據信息介紹。最有特色的是，地圖說明中詳細描述了災區的農情信息，包括災區農用地面積、災區作物面積變化趨勢與簡要原因分析等內容，如圖6所示。

圖6 農業自然災害應急圖件示例

總之，歐盟國家現代農業發展進入了數字化、精準化、智能化階段[13-14]。針對現代農業需求的新型遙感傳感器及應用平臺不斷創新，定量遙感技術對農業參數的估算精度不斷提高。農業監測的空間尺度同時向宏觀和微觀兩個方向擴展，在田間尺度上支撐精準農業操作，在區域和國家尺度上支持農業科學決策，在全球尺度上支持糧食安全和農產品貿易分析。

1.6 數字農業發展計劃及其發展重點

隨著工業4.0時代的到來，歐盟國家也提出了農業4.0時代的概念，并制定一系列發展計劃(如歐盟“地平線2020”計劃[15])。意大利農業領域專家將無人機遙感與GPS定位跟蹤、GIS空間分析、專家系統(ES)等有機結合，實現對農業生產過程的實時監測。例如，利用農作物表觀遺傳學參量實現育種策略選擇、利用電子嗅覺傳感器無損測量實現葡萄最佳采摘時間判識(圖7)、利用激光雷達點云數據模擬樹冠曲面實現農田生物質信息估算，以及農作物病害植株判識、農作物潛在病害植株評估(圖8)、農業景觀格局分析與土地利用規劃、特色農產品生產導致的環境污染監測和預防策略等。

圖7 葡萄園電子嗅覺傳感網無損測量判識最佳采摘時間

圖8 基于無人機遙感影像的農作物潛在病害植株評估(a)Drone4； (b)無人機影像； (c)植株健康指數反演

根據歐盟“地平線2020”計劃、意大利《農業戰略規劃(2014—2020)》、英國《農業技術戰略》(Agri-Tech計劃)[16]等科研創新框架計劃，歐盟計劃在2015—2020年間利用遙感技術重點發展6類農業應用[17]，包括農業補貼核查、作物配套支付核查、作物多樣性監測、永久性牧場保護監管、休耕地和填閑作物監測，以及農田景觀格局監測。這些農業應用主要是借助空間對地觀測衛星網絡如哨兵系列衛星等，實現對農業整體布局和農作物實時信息的監測和掌握。

2 對我國農業遙感應用的啟示

與歐盟國家相比，我國農業現代化在遙感技術支撐方面還比較滯后，農業數字化水平較低，農業空間信息應用較少。當前需要著重推進以下6方面工作。

2.1 加快編制數字農業發展規劃，發揮規劃的引領作用

數字農業是貫徹落實鄉村振興戰略和大數據戰略的必然要求，是數字中國和數字經濟的重要組成部分，是推動新時代農業高質量發展的根本途徑。數字農業是指在現代空間信息技術支撐下的農業經濟系統，是現代信息技術在現代農業產業體系、生產體系和經營體系中的融合發展而形成的農業生產方式。數字農業涉及到現代農業發展的各個方面，需要用一個規劃提高認識、推動建設。

2.2 深入開展農業政策執行效果核查

借鑒歐盟農業遙感核查理念和方法，利用衛星遙感手段，在農村承包地確權完成的地區，開展地塊級別的耕地休耕輪作遙感核查，效果顯著。一方面為財政補貼提供了科學依據，另一方面為落實情況提供了真實依據。在此基礎上，應進一步加快開展農業重大建設項目監測核查、農業功能區監測核查、農業生態環境監測核查等工作。

2.3 加快開展遙感等大數據技術應用，推動我國農業綠色發展

借鑒歐盟等國家的經驗，我國需要加強兩方面工作：一是加快農業數字化進程。在農業資源、開發利用、權屬核定、政策執行等方面，盡快形成數字化管理系統。二是加強精準農業研究。在農業資源權屬數字化基礎上，開展農業生產信息采集、分析決策、生產要素投入變量管理等研究，構建精準作業系統和技術體系。

2.4 加快建設全球農業監測體系，科學應對全球農業和環境問題

為充分利用“兩種資源、兩個市場”，形成與我國第二大經濟體地位相匹配的農業體系，確保國家糧食安全以及科學應對全球農業和環境問題，需要加快建設全球農業監測系統。借鑒歐盟等發達國家的做法，一是開展全球土地利用現狀尤其是耕地分布及耕地利用的數字建庫工作。二是針對重點地區、重要作物開展生產監測和綜合分析。

2.5 加強示范引導，發揮輻射帶動作用

數字農業工作需要政府示范引導和推動。一是在已經開展一些工程示范項目的基礎上，總結經驗，加大力度，逐步形成精準農業、智慧農業等新型的現代化生產方式。二是鼓勵農業主體建設新型的農業服務體系，用信息把小農戶和大市場聯系起來，用網絡把農村和城市聯系起來，實現對農業生產、交換、分配、消費全過程的服務。

2.6 加強遙感技術前沿研究，著力創新農業遙感新型實用技術

從長遠發展考慮，一是開展高光譜應用研究，找到農作物長勢、災害監測所需的最佳波段組合和計算模型。二是加快信息源擴建，解決當前缺乏雷達衛星應對云雨天氣問題、缺乏紅邊波段應對作物區分問題、缺乏熒光波段應對作物“亞健康”監測評價問題。