中國農業遙感技術應用現狀及發展趨勢

王利民，劉 佳，季富華

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081）

0 引言

廣義的農業遙感技術是以遙感(RS)技術為主，同時也包括地理信息系統(GIS)技術、全球定位(GPS)技術，實現農業資源空間分布信息的高效獲取及管理。遙感技術覆蓋范圍廣、信息量大、時效性強、成本低的優勢[1]，促使其在農業領域應用的深度和范圍深入和拓展，從傳統的農業資源調查與動態監測、農作物估產、農業災害監測與評估等方面的應用[2]逐步拓展到農作物品種與品質、病蟲害、耕地土壤質量等的監測[3]，為農戶和政府管理部門提供有效的手段，促使農業走向信息化、精準化，推動了農業現代化的快速發展，也是中國農業競爭力提升的基礎。

從當前的研究狀況看，國內農業遙感應用研究的重點主要集中在農業遙感技術研究領域，例如農作物面積識別技術[4-6]、農作物長勢、產量監測技術[7-8]、主要農業災害遙感監測技術[9-12]、耕地土壤質量監測技術[13-17]等。由于自主遙感衛星、無人機遙感和物聯網等技術的發展，中國農業遙感技術研究與應用在過去20年取得了顯著進步，農業遙感信息獲取呈現出天地網一體化的趨勢[18]。李娟[19]、吐爾遜·艾山[20]、湯文靜[21]、趙春江[22]等基于實證方法，分析了農業遙感技術應用現狀和發展方向；劉海啟等[23]通過分析歐盟國家農業遙感應用狀況，為國內農業遙感技術應用的發展提供參考建議；屈泉酉等[24]以中國遙感衛星的角度分析了遙感技術在農業領域的應用現狀、發展趨勢和方向。

國外研究的重點與國內類似，關注的內容包括遙感技術在農業資源調查[25-26]、長勢[27]、產量[28]、病蟲害[29]、干旱[30]、耕地土壤質量[31]等領域的應用。如Liaghat[32]、Sanders[33]等以遙感技術在精準農業和農業資源管理中應用為基礎，描述了遙感技術在農業的應用現狀；Wojtowicz等[34]從作物產量預測、植物營養需求和土壤養分含量評價、植物需水量測定和雜草防治等方面入手，綜述了遙感技術在農業領域中的應用現狀。

上述學者的研究主要集中在遙感技術在農業中的具體應用，對從廣義角度出發開展遙感技術農業應用分析的研究相對較少。筆者以農業遙感技術作為典型案例，結合地理信息系統(GIS)技術、全球定位(GPS)技術的農業應用分析，從技術重要性、技術水平分析、技術發展趨勢、應用前景、存在問題及建議5個方面分析中國農業遙感技術應用現狀及發展趨勢。

1 農業行業遙感技術的重要性分析

通過遙感技術獲取農業資源空間分布信息是實現農業現代化的保障，既是農業生產管理的實際的需求，也符合國家戰略層面的總體布局。

首先是新時期國家農業農村的管理方式對遙感技術服務于重大農業政策評價提出迫切需求。《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》、《國務院關于印發促進大數據發展行動綱要的通知》、《國務院關于印發全國農業現代化規劃（2016—2020年）的通知》、《中共中央辦公廳 國務院辦公廳印發關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》、《國務院關于建立糧食生產功能區和重要農產品生產保護區的指導意見》、《農業農村部辦公廳國家發展改革委辦公廳財政部辦公廳自然資源部辦公廳關于加快劃定糧食生產功能區和重要農產品保護區的通知》、《農業農村部、財政部關于做好2018年耕地輪作休耕制度試點工作的通知》、《中共中央辦公廳國務院辦公廳印發農村人居環境整治三年行動方案》等諸多文件中，都明確提出利用衛星遙感技術建立農業要素監測體系，支撐全球農業數據調查分析，確保國家糧食安全和農產品質量安全。

其次是推動落實農業供給側結構性改革對掌握農業農村資源“家底”提出迫切需求。轉變農業生產方式，實現從注重數量為主向數量質量效益并重的發展模式轉變，其中結構性的矛盾尤為突出，農業管理部門亟需樹立大農業的思路，主動了解和掌握國內耕地（農業生產用地）、漁業水資源、農作物種植數量、空間分布和權屬，以及階段性變化的特點和趨勢，確保宏觀調控和政策引導有的放矢、精準到位，進一步推動種植業、養殖業的轉型升級和融合發展。

第三是在復雜多變的全球農產品貿易格局中掌控主動權，對開展國內外農作物監測提出迫切需求。美國、歐盟等發達國家和地區借助自有衛星資源的優勢，率先利用遙感等空間信息技術對本國和全球主要農業國大宗農產品生產開展定期監測，監測和預測目標國家農作物種植面積、長勢、墑情、產量和災害信息，分析評估某一周期內全球主要農作物的貿易格局，在全球農產品貿易中掌握了充分的主動權，從中獲取經濟利益。充分發揮遙感技術的“天眼”功能，實現全球農業數據調查分析系統的監測功能，在全球農產品貿易中占領先機十分必要。

2 農業行業遙感技術應用水平分析

以遙感(RS)技術為主，包括地理信息系統(GIS)技術、全球定位(GPS)技術的農業遙感技術，具有快速高效的數據獲取能力、強大的空間數據處理分析能力和直觀生動的地圖數據表達顯示能力[35]，在作物面積識別、作物估產、作物長勢監測、干旱、洪澇和病蟲害等災害的監測與預報、土壤墑情監測、水肥管理等領域應用廣泛。能有效節約人力、物力、財力，提高效率，提高產量，獲得巨大的經濟效益和社會效益，具體技術水平分析如下。

2.1 遙感(RS)技術水平分析

按照遙感技術農業應用的過程，農業遙感技術可以從數據預處理技術、識別與監測技術、效果評價技術3個方面分析，技術水平則可以通過國內外對比進行分析。

在數據預處理技術方面，瓶頸是TB級遙感觀測原始數據向可定量應用預處理產品，即幾何校正、大氣校正、云檢測產品轉換間的技術。與國際先進水平相比仍有差距。以類似級別的國產高分六號衛星、Sentinel系列可見光-短波譜段衛星數據為例，國產高分衛星數據提供給用戶的主要是粗定位的幾何校正產品，用戶需要進行幾何精校正、大氣校正才能使用該數據，這樣的處理過程實際上成為該數據應用的最大限制瓶頸；相對于Sentinel衛星數據，以向用戶提供處理程序的方式來解決該問題，雖然也存在處理時間的問題，但關鍵的技術問題已經不需要用戶單獨解決，這也是該數據目前應用較為廣泛的主要原因之一。

在農作物類型遙感識別，以及農作物長勢、產量、墑情、災害等內容的遙感監測方面，是由低空間分辨率數據向中高空間分辨率數據應用轉化的技術瓶頸。雖然大尺度應用能力方面與國外相比具有一定優勢，但存在識別、監測費效比過高，原創性的關鍵技術少等不足。以農作物面積遙感監測業務為例，中國和美國是世界上為數不多的，采用中高空間分辨率數據，實現國內大宗農作物面積近全覆蓋遙感監測的國家；中國是以目視判讀的技術輔助進行的，精度相對較高，但效率較低；美國則是采用自動化識別的技術開展的，精度相對較低，但效率較高，有值得借鑒之處。

與國家綠色發展理念相統一，對農業工程、政策實施的環境、生態效果進行評價，是中國農業遙感技術應用的特色，也應該是中國對全球農業生產環境開展評估的主要貢獻。不考慮以往全球變化的研究水平，對農業生態環境變化遙感評價的研究，國內外無明顯的技術水平差異。目前，這一領域仍在多元農業資源狀態要素監測獲取基礎上，采用因子權重打分獲取綜合指標進行評價的技術；而將遙感觀測數據直接作為一個綜合性指標，在綜合性指標代表性分析基礎上，農業資源、生態、環境等工程、政策效率的評價相對較少；顯然遙感技術在這一領域的應用具有較大的潛力。

2.2 地理信息系統技術(GIS)水平分析

地理信息系統技術(GIS)在農業行業應用可以從空間數據管理以及空間數據分析2個方面評價，技術水平可以通過國內外現狀、現狀與需求之間的差異來評價。

在農業資源、環境、生態空間數據管理技術方面，GIS技術本身相對較為成熟，主要的問題在于以往僅具有統計屬性的數據如何有效地關聯到空間位置，以及多元、多維的農業資源、環境、生態等數據的有效歸類、管理的瓶頸，可以看作是標準化管理的問題。國內外技術水平對比方面，大致可以歸納為2類。第一類是歐盟的比利時等國家，已經建立了地塊管理數據庫（土地銀行），實現了基于地塊單元的農作物種植管理；第二類是中國、美國等國家，表格化的統計數據相對較為完善，但是空間位置屬性相關的管理系統相對較為缺乏，以地塊為單元的管理系統尚處于建設之中。與各自國家需求相比，中國的需求是以地塊、農戶為單元的統計數據自下而上的整體一致性，當前也在逐步完善中。

在農業資源、環境、生態空間數據分析技術方面，主要問題在于智能化分析技術的匱乏，特別是綜合農業、農村、經濟、政策等社會屬性的空間綜合分析技術匱乏，已經成為限制農業、農村發展評價的主要瓶頸。由于國內、國際關注重點不同，國內外相比沒有明顯的技術優劣區分，特別是在國家、洲際、全球評價方面研究相對較少，更沒有明顯的技術優勢。中國需要國家、全球尺度融合農業自然、農村經濟、社會發展等數據綜合的空間分析技術，保證綠色發展政策的落實，但這方面的技術尚未得到廣泛重視。

2.3 全球定位技術(GPS)水平分析

GPS技術貫穿于農業資源、環境、生態監測與評價應用的各個方面，但總體上存在整體性、系統性相對薄弱的問題。以國內各地農業資源調查中廣泛使用的GPS定位設備為例，使用的設備包括各種類型的差分GPS、手持GPS甚至手機定位的方式，這些設備沒有統一的基準定位體系，導致數據集成使用時定位精度差異較大，甚至不能使用；需要從國家層面建立適合農業農村行業應用的技術體系、基礎參考系統，對使用GPS定位的設備進行統一規范，保證農業行業對GPS使用的廣泛性。國際上，農業行業對GPS的使用尚沒有特別明確的技術體系，多數是依靠各國基礎地理信息體系建立的技術體系，與中國的情況類似。因此，在保密原則指導下，建立國內獨立農業應用GPS體系，將推進農業農村遙感技術應用水平提高。

3 農業遙感技術發展趨勢分析

全球農業遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)技術發展趨勢，在基礎性、整體性、系統性3個方面表現出明顯的特點。本著補齊短板、提高站位的指導原則，這些發展趨勢也是農業遙感領域未來的發展方向，是農業遙感技術研究與應用的努力方向。

3.1 基礎性趨勢

農業遙感技術表現出基礎理論研究、基礎性研究工作并重的趨勢。以農作物類型遙感識別為例，大宗農作物地理空間分布規律，以及光譜特征時空分異規律等的研究屬于基礎理論研究；不同光譜特征組合、地物景觀破碎度、影像時間分辨率對農作物類型識別能力與精度影響的研究，則屬于基礎性的研究工作。兩者的差別主要在于，基礎理論研究是發現內在規律，基礎性研究工作則是說明規律性的具體事例。再以農業資源空間數據管理與分析為例，基于空間數據支持的資源分布與環境要素、社會屬性間地理規律的研究屬于基礎理論研究，但是空間資源數據庫的高效構建技術則屬于基礎性研究工作。無論是RS還是GIS技術，盡管目前大部分工作是屬于基礎性研究，但隨著具體事例的積累，基礎理論方面研究將日益受到重視。

3.2 整體性趨勢

農業遙感技術的整體性趨勢表現在遙感數據的全覆蓋性以及應用技術的整體適用性，未來遙感技術宏觀性的特點將得到進一步加強。以農作物面積遙感提取技術為例，局部的研究將會被國家、洲際、全球尺度的應用所替代；在數據層面，將要求不同來源的遙感數據源具有同質性，以便后續應用的開展；在技術層面，以往對局部區域特別有效的提取技術，將會被要求在國家、洲際、全球尺度開展應用，樣本的設置、方法的普適性都會更加注重整體性。以農業資源空間數據管理與分析為例，以往的面向局部區域的管理系統將會被更大尺度上的空間管理與分析系統取代，以往僅能應用于局部區域的管理與分析技術，將隨著數據量的增大、拓撲與關聯關系的復雜化而被淘汰、改造、升級或者更新。

3.3 系統性趨勢

農業遙感技術的系統性趨勢表現在全鏈條技術、全口徑作物、全生產過程監測的系統性方面，這些方面都將得到深入的研究與全面的應用。全鏈條技術是指，從GPS定位技術，到遙感數據預處理技術，再到農作物面積、長勢、產量、災害等內容的遙感識別與監測技術，以及與作物生長密切相關的農業環境要素、農業生態管理評價以及農村問題的監測等內容，保證農業生產管理信息的全面性與可靠性。全口徑作物所指作物對象不僅包括大宗農作物類型，還包括重要經濟作物、特色農作物等，以保證不同農業生產區域農作物類型的系統性。全生產過程監測是指，從農作物備耕開始，到種植、生長，再到收獲全過程的農作物生長、耕地土壤肥力、農產品質量的監測技術與評價應用，以保證農產品生產的各個環節上穩定的信息獲取。

4 農業遙感技術的應用前景

農業遙感(RS)技術、地理信息系統(GIS)技術、全球定位(GPS)技術在農業領域的應用前景，預計將推動中國農業遙感研究全面地發展，并促進農業遙感監測應用平臺的形成。

4.1 推動中國農業遙感研究全面、高效的發展

通過農業遙感研究國家需求、研究現狀，以及對比國際上現有水平，明確國內農業遙感研究的定位，有利于明確各農業遙感研究機構的努力方向，消解不同研究機構之間的項目競爭；全局性農業遙感研究的梳理，既有利于根據國家當前需求確定短期研究重點，也能夠避免中長期目標的忽略，形成全面發展方向上的薄弱點。

4.2 促進國家、省級、縣級三級尺度單元農業遙感監測應用平臺的形成、發展與互通

國內當前已經存在諸多的農情遙感監測研究平臺，或者業務系統，但由于全鏈條監測技術的匱乏，各平臺數據運行效率參差不齊、監測結果可比性差，形成了事實上的資源浪費。通過農業遙感技術全面發展，不僅能夠盤活這些系統資源，減少資源浪費，更能夠從全國不同尺度上形成農業監測信息的互補，既提高了運行效率，也將提升監測結果的準確性與可靠性。

5 討論與結論

通過上述概述可以發現，國內農業遙感研究盡管取得了長足的進步，在有些領域甚至處于領先地位，但總體來講，與世界先進水平相比，仍然處于落后狀態，究其原因主要有以下3個主要因素，由此針對性地提出相應建議。

5.1 提高基礎理論研究水平

將大量的基礎性工作作為基礎性理論研究開展，耗費了大量的人力、財力，造成了冗余工作；真正具有指導意義的理論研究被忽視、被淹沒，得不到應有的長效支持；雙向作用下，導致基礎理論研究較為匱乏。建議明確劃分基礎理論研究與基礎性工作的標準，明確考核指標，突出基礎理論研究重點。

5.2 強化關鍵技術的應用普適性

大量未經全局或者系統性檢驗的技術，僅將局部適用性的技術作為普適性的關鍵技術，導致具體使用時需要開展繁雜的測試應用研究，實際上成為不可應用的技術。建議強調技術普適性研究，即對技術本身的應用能力開展評價，建立以數據層次、數據范圍為目標的考核機制。

5.3 國家尺度系統性研究有待加強

遙感原始觀測數據幾何級數的增長，其對存儲與處理能力的要求，是任何單獨的研究機構都是難以勝任的；一方面是社會的迫切需求，另一方面是標準的初級數據產品難以獲取，導致后續的研究工作難以開展。建立統一的中國農業遙感數據集成應用平臺，既能夠實現數據集成，也能夠延伸拓展業務領域。