遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究探討

吳保升，李 旭，邵 倩，劉釔廷，李家毅，楊 野

（塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)取得了前所未有的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)作為基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其信息化發(fā)展尤為重要，只有保證了農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展才能真正保證國(guó)家的糧食安全戰(zhàn)略。目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域雖然得到了相當(dāng)程度的機(jī)械化、信息化的應(yīng)用，但是其整體模式依然相對(duì)粗放，對(duì)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家差距依舊明顯，要想改變目前的被動(dòng)局面，必須深入探究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谛畔⒓夹g(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，真正使我國(guó)走上農(nóng)業(yè)發(fā)展快車道［1］。隨著遙感技術(shù)的不斷成熟，日益成為農(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用中最為重要的一環(huán)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用中扮演著極其重要的角色，比如利用高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)、脅迫性分析和產(chǎn)量估算等。

1 遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用

農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化的發(fā)展對(duì)于相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取和處理有著較高的要求，農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤、農(nóng)作物和長(zhǎng)勢(shì)狀況等數(shù)據(jù)的快速獲取，然后通過遙感技術(shù)進(jìn)行分析研究，從而提出具有參考性指導(dǎo)意見，達(dá)到增產(chǎn)增收，更好地通過遙感技術(shù)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。

1.1 資源調(diào)查

農(nóng)業(yè)用地的分析、農(nóng)作物的分布及種類和村莊居民點(diǎn)等是資源調(diào)查的重點(diǎn)，通過合理運(yùn)用資源調(diào)查手段做出符合實(shí)際的規(guī)劃建議和管理方案。伴隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)人口從業(yè)數(shù)量下降趨勢(shì)明顯，對(duì)于農(nóng)業(yè)的精細(xì)化科學(xué)化管理要求越來越高，實(shí)現(xiàn)集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)難點(diǎn)，這就要求對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)做到科學(xué)合理的分析，通過高光譜遙感數(shù)據(jù)不同的輻射光譜，來識(shí)別耕地作物種類、土壤類型、植被覆蓋情況等，尤其是對(duì)于小麥、玉米、水稻、花生等我國(guó)主要農(nóng)作物的有效識(shí)別，調(diào)查其分布區(qū)域是否合理，以及農(nóng)作物種植密度和不同生育期期間的長(zhǎng)勢(shì)情況，來實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)資源的評(píng)估并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出合理建議。

1.2 估產(chǎn)預(yù)測(cè)

遙感技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)種植區(qū)域進(jìn)行較為客觀的產(chǎn)量估算，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率水平做出評(píng)估。對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量情況影響的因素很多，其中最為重要的是葉綠素含量、水分和氮素等，傳統(tǒng)的估產(chǎn)方式主要通過人工隨機(jī)抽樣計(jì)算部分面積農(nóng)作物的產(chǎn)量，需要耗費(fèi)大量人力財(cái)力和時(shí)間成本，并最終得出的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差性較大。隨著遙感技術(shù)的日益成熟和高分辨率的高光譜衛(wèi)星影像的預(yù)測(cè)精確度一再提高，大面積的農(nóng)作物估產(chǎn)預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)可能，通過分析待估產(chǎn)研究區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像，例如可以從其反射光譜信息中的紅邊拐點(diǎn)建立葉綠素含量與RVI 之間的線性回歸模型［2］；或者通過歸一化植被指數(shù)NDVI 展開估產(chǎn)討論，當(dāng)NDVI 值越接近1，證明光合作用越強(qiáng)，農(nóng)作物健康狀況就表示越好，推斷產(chǎn)量越可能較高，相反越接近0 代表農(nóng)作物整體狀況較差，接近負(fù)值則代表研究區(qū)域農(nóng)作物缺苗較高或作物較稀疏，推斷產(chǎn)量可能比較低，NDVI 公式（1）：

NDVI代表歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。

1.3 農(nóng)業(yè)災(zāi)害防范

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害造成的損失不可估量，究其原因還是在于未能提前得到預(yù)警，不能及時(shí)做出反應(yīng)來防范，遙感技術(shù)可以借助其大范圍、實(shí)時(shí)性和快速性的特點(diǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高防災(zāi)能力，成為農(nóng)業(yè)災(zāi)害防治的重要利器。我國(guó)因其獨(dú)特的氣候環(huán)境，夏季華北平原和南方局部地區(qū)往往由于降水量過大易發(fā)生水災(zāi)，而西北地區(qū)尤其是新疆南疆地區(qū)降水量偏少易發(fā)生旱災(zāi)。利用遙感技術(shù)通過同時(shí)段衛(wèi)星影像對(duì)水災(zāi)和旱災(zāi)情況的輕重程度進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)下一步動(dòng)向，有效減輕災(zāi)害帶來的損失，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1.4 病蟲害防治

病蟲害對(duì)農(nóng)作物生育期健康狀況有很大影響，如果沒有及時(shí)了解病蟲害發(fā)展情況，快速啟動(dòng)處理預(yù)案，將會(huì)使其大范圍擴(kuò)展最終造成重大損失，應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)病蟲害進(jìn)行預(yù)測(cè)在國(guó)外早有先例，美國(guó)農(nóng)業(yè)之所以有現(xiàn)在的成就，也是和實(shí)現(xiàn)了高度的農(nóng)業(yè)信息化分不開的。在病蟲害防治方面，美國(guó)農(nóng)民通過遙感技術(shù)獲得的航空?qǐng)D片對(duì)病蟲害進(jìn)行識(shí)別和病蟲害程度的判斷［3］。

隨著科技的發(fā)展，利用遙感技術(shù)防控病蟲害是非常有必要且重要的。遙感技術(shù)能為病蟲害防治提供全面且精確的數(shù)據(jù)，精確病蟲害的種類和發(fā)生地，從而根據(jù)病害種類和發(fā)生地對(duì)病蟲害及時(shí)制定不同的病蟲害防治方案。

2 農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)分析

2.1 農(nóng)業(yè)遙感圖像處理軟件

遙感圖像的分類精度、遙感圖像處理、地理信息系統(tǒng)軟件隨著當(dāng)前快速發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的巨量數(shù)據(jù)量，進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)遙感圖像處理軟件提出了新的要求。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，遙感技術(shù)分類最常用的主要是對(duì)象分類法，這種分類方法將像元的光譜特性和像元的空間關(guān)系綜合起來進(jìn)行處理，以便使計(jì)算機(jī)在分類過程中獲得豐富的信息，目前應(yīng)用比較廣泛的工具類軟件主要是ENVI 系列版本，預(yù)處理通過輻射定標(biāo)、大氣校正和正射校正等處理流程，通過細(xì)化分析實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田技術(shù)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)田綜合應(yīng)用分析。

2.2 遙感影像數(shù)據(jù)管理

隨著遙感技術(shù)的不斷成熟，能夠獲取的農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)種類十分豐富，例如我國(guó)最經(jīng)典的高分系列、歐航局的哨兵系列、美國(guó)的landsat 系列等，從成本上來看選擇低成本、高分辨率、高精度要求的數(shù)據(jù)首推歐航局的哨兵系列，哨兵系列衛(wèi)星影像實(shí)現(xiàn)了10 m 左右的分辨率且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)免費(fèi)共享［4］。同時(shí)國(guó)家應(yīng)規(guī)范遙感影像數(shù)據(jù)管理，使數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)規(guī)范化，同時(shí)要求相關(guān)部門在遙感影像數(shù)據(jù)管理方面共享資源，減少浪費(fèi)。例如，農(nóng)業(yè)部門為了監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)而購(gòu)買的影像，需要上交建庫(kù)，其他部門在需要之時(shí)方可申請(qǐng)使用該數(shù)據(jù)，以此節(jié)約成本，提高數(shù)據(jù)的利用率。

2.3 解譯方面的重要性

提高解譯水平需要以建立完善的解譯體系為目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)的處理分析，加強(qiáng)傳統(tǒng)解譯與現(xiàn)代信息技術(shù)（如GIS）相融合，將不同地區(qū)不同地物的波譜特征納入解譯體系，真正利用遙感技術(shù)完善應(yīng)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)解譯解析系統(tǒng)，利用完善的解譯系統(tǒng)提高農(nóng)業(yè)作物識(shí)別處理精度，減少數(shù)據(jù)誤差，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)方面的遙感技術(shù)應(yīng)用。

3 遙感技術(shù)存在的不足

3.1 遙感技術(shù)存在區(qū)域性差異

遙感技術(shù)存在的區(qū)域性差異具體表現(xiàn)在遙感南北區(qū)域，區(qū)域地物識(shí)別區(qū)分顯著。北方地區(qū)受氣候變化、地理環(huán)境等因素影響，尤其是北方，例如我國(guó)新疆地區(qū)農(nóng)田大面積、規(guī)模化的農(nóng)業(yè)方式［5］，利用遙感技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用效果比較明顯，優(yōu)勢(shì)顯著，這使得遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用中也更為成熟穩(wěn)健；但是在南方地區(qū)多丘陵的現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境下，小面積地塊多、農(nóng)作物間種普遍、同物異譜與異物同譜現(xiàn)象明顯等，使得遙感技術(shù)在我國(guó)南北區(qū)域農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在較大的差異。

3.2 遙感數(shù)據(jù)庫(kù)不足

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物的生態(tài)物理參數(shù)差異較大，同時(shí)農(nóng)作物在環(huán)境、時(shí)間的影響下，農(nóng)作物與土壤之間的各種物理化學(xué)條件都會(huì)變化，以及一些不可抗拒的自然條件，如多雨多霧多云的氣候?qū)ψ魑镒R(shí)別造成極大障礙，即使能夠通過envi 系列處理工具實(shí)現(xiàn)霧氣、云層消除，但是誤差較大，這就對(duì)構(gòu)建完整數(shù)據(jù)庫(kù)造成了不小的問題，后續(xù)依然需要通過不斷的技術(shù)革新，加強(qiáng)發(fā)展完善才能極大改善農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)庫(kù)完整性和合理性。

4 對(duì)策與展望

我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，遙感技術(shù)作為信息技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在農(nóng)業(yè)災(zāi)害防范、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、產(chǎn)量估測(cè)等方面已得到充分驗(yàn)證。綜合利用遙感技術(shù)與農(nóng)學(xué)信息相結(jié)合進(jìn)行農(nóng)作物估產(chǎn)，在資源調(diào)查中應(yīng)用多種植被指數(shù)進(jìn)行分析研究等，表明遙感技術(shù)的應(yīng)用在向深度發(fā)展。

目前遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了初步的成效，但更進(jìn)一步深層次應(yīng)用依然還有很大的發(fā)展前景，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段和未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和加深農(nóng)業(yè)應(yīng)用與遙感技術(shù)的密切聯(lián)系，進(jìn)而通過遙感技術(shù)的巨大空間和技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)我國(guó)今后現(xiàn)代科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展發(fā)揮極強(qiáng)的推動(dòng)作用。