資源簡介

遙感對地觀測技術在農業中的應用與發展
摘要：簡要回顧了國際高分辨率對地觀測領域近十年來的發展， 介紹了我國高分辨率對地觀測領域發展的現狀與規劃， 系統論述了從觀測數據到空間信息和地學知識自動轉化的機理與過程。隨著高分辨率對地觀測技術的發展，遙感技術在農業生產中的應用發展非常迅速。將遙感技術應用在農業上，可在一定程度上降低我國農業產品的損失。最后，根據我國農業生產中應用的現有遙感技術基礎上指出還存在的不足。
關鍵詞：高分辨率對地觀測；農業遙感；遙感技術
1．引言
目前，航空航天遙感正向高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、多極化、多角度的方向迅猛發展。國際商業遙感衛星GeoEye的空間分辨率已達到0.41m，美國光學偵察衛星KH-12空間分辨率達0.1 m；美國NASA發射的EO-1對地觀測衛星搭載的 HYPERION 超光譜成像儀共有220個譜段，光譜分辨率為10nm，Proba小衛星攜帶的CHRIS超光譜成像儀光譜分辨率最高達1.2 nm；微波遙感實現了全天時、全天候的對地觀測，星載SAR的分辨率也達到1 m的水平，差分雷達干涉測量測定相對位移量的精度可達厘米至毫米級；先進的衛星系統都具備大角度側擺觀測的能力，使得重訪周期大幅縮短。
我國已成功發射了近百顆衛星，初步形成了資源環境、氣象、海洋三個系列的遙感衛星體系。正在運行的資源衛星，如中巴地球資源衛星系列、“北京一號”衛星、環境與災害監測預報小衛星星座等。2012年1月9日，我國又成功發射了首顆民用立體測繪衛星“資源三號”。在氣象衛星方面，發射了太陽同步軌道FY衛星系列，最新發射的FY-3衛星的氣象監測能力已達到世界先進水平，我國計劃發射的下一代極軌氣象衛星，將具備全球、全天候大氣探測的能力。海洋衛星方面，已發射了海洋探測衛星系列HY-1A，HY-1B等。正在實施的國家重大專項“高分辨率對地觀測系統”提出，要建立天基、臨近空間、空基對地觀測系統，具備準實時、全天候獲取各種空間數據的能力，形成集高空間、高光譜、高時間分辨率和寬地面覆蓋于一體的對地觀測系統
衛星遙感技術經過幾十年的發展，已經從可見光發展到紅外、微波；從單波段發展到多波段、多角度、多極化；從多光譜擴展到超光譜。在理論上，已從經典電磁波朗伯反射模型發展到更具適應性的多角度模型、臨地效應和尺度效應綜合模型，逐步實現了遙感信息反演地面參數的半定量和定量化。衛星遙感技術在農業氣象、業務服務中的應用主要表現在農作物長勢監側與估產、干旱監測、作物種植面積提取等領域。
2．遙感對地觀測技術在農業中的應用
農業遙感是隨遙感技術的發展而發展的，在農業領域內最早應用的主要是航空照片.農業是遙感技術的最大用戶，農業遙感的工作十分廣泛。我國是一個傳統的農業大國，但是每年由于農業產品自身的原因和環境變化、自然災害等的影響，使得每年都會遭受到巨大地損失。據統計，1983年至2006年，我國平均每年農作物受旱面積2500多萬公頃，占整個農業受災面積的一半以上.1997年、2000年和2001年等特大干旱年，旱災造成的糧食損失分別占當年糧食總產量的9.6%、13.0%、11.8%，對糧食生產造成較大影響。此外，冷凍害、臺風等都對糧食生產造成重大影響，因氣象災害導致的單種糧食產量波動可達20%左右，嚴重時可達30%以上.隨著遙感技術的日漸成熟和發展，遙感技術已經成熟的運用到軍事、自然資源的勘探和調查、城市建設和規劃、地圖繪制等許多領域.如今在農業上的利用也逐漸受到更廣泛的重視，有效的利用遙感技術可以改變農業管理水平，合理利用資源以及糧食生產以及在突變情況下為政府決策部門提供準確信息，做出相應地預防措施。從而降低農作物的經濟損失。現階段的我國，遙感技術的應用主要表現在以下幾個方面。
2.1 作物長勢遙感監測與估產
作物長勢遙感監測與估產的基本原理是利用衛星遙感技術反演作物的一些生物學指標，如歸一化植被指數和葉面積指數來分析作物的生長狀況。有研究表明，植被的葉綠素對紅光（630~690nm）有強烈的吸收作用，通過該光譜波段的信息可以反映葉綠素的濃度。植被的葉片對近紅外（760~790nm）有強烈的反射作用，通過該光譜波段的數據可以反映葉面積指數和植被密度。組合這兩個通道的數據計算得到的歸一化植被指數，可以較好地反映植被的生長狀況和作物產量。因此，NDVI 是一個綜合的參數，與葉面積指數、植被覆蓋度、發育程度以及生物量有關。21世紀教育網版權所有
在農業氣象業務中，作物長勢監測的遙感模型主要分為差值模型和標液化模型兩種。而遙感估產主要基于作物植被指數與產量的統計關系。21教育網
2008 年12 月1 日我國“遙感衛星4 號”發射成功，其主要作用之一就是負責我國農作物的品質與產量監測數據的采集。如今高光譜分辨率遙感技術也在農作物估產得到應用，利用它的客觀、定量、準確的優點，可以同時獲取單產、面積、總產資料， 在小區試驗已取得較高的精度，但其大面積估產還不能滿足專業化的要求[3]。另外，由于傳統的作物生長模型很難模擬大田的實際產量，因為大量的數據、復雜的數學運算以及誤差傳遞限制了作物生長模擬模型的運用，所以中國農業大學宇振榮等通過基于遙感反演作物冠層溫度的作物生長模擬.運用冠層溫度與周圍環境溫度之差是作物氣孔關閉的程度和與之相關的同化作用活性的一個指標， 它不僅反映了土壤水分對作物生長的影響， 同時在一定程度上也反映了其他因素對作物生長的影響.利用遙感估算區域冠層溫度， 并計算水分脅迫系數， 可以近似地估計作物實際生長速率和產量[4]。21cnjy.com
2.2 干旱遙感監測
隨著遙感技術的發展，可獲取的多源遙感數據不斷增加，通過遙感數據計算可直接或間接反映干旱狀況的指數有數十種，但能夠在業務上應用的干旱遙感監測方法主要有兩類：一類是基于地表反射率和發射率的干旱監測模型；另一類是基于地表能量和水分平衡模型的干旱監測模型，這類模型的推導過程比較復雜，但物理意義明確，能夠反映出土壤水分狀況。
干旱監測的氣象衛星遙感信息處理分析方法，目前應用比較廣泛的是植被供水指數法和土壤熱慣量法[6]。植被供水指數法比較適用于地面作物覆蓋情況下的干旱狀況的遙感監測.土壤熱慣量法主要是利用土壤水分的熱特性進行土壤水分監測， 它適用于裸地干旱的監測.丁太勝等根據當地的實際情況，綜合利用植被供水指數法和土壤熱慣量法進行江淮流域旱澇災害氣象衛星遙感監測和預報方法研究，并做出了一個預測系統.經過實際數據的檢測，該系統的采用的方法完全可以實現旱澇災害的預測.李文等根據福建的地形，利用遙感衛星監測旱澇災害.在比較了土壤熱慣量法、植被供水指數法、距平植被指數法等國內外常用的干旱遙感監測方法后， 采用植被供水指數法來監測福建省的旱情.該法綜合考慮了歸一化植被指數(NDVI) 和植被冠層溫度(Ts)兩個因子。【來源：21·世紀·教育·網】
一般地，植被供水指數(VSWI)定義為：VSW I = Ts/NDVI當遇到干旱時，由于土壤供水不足，植被生長受到影響，NDVI降低，同時冠層溫度因無足夠的水分供蒸發而升高.因此VSWI急劇上升，故利用VSWI可以有效地反映干旱的程度.同樣，對洪澇災害的研究主要是運用洪澇災害前后不同時相的植被指數變化(I)來間接評價洪澇災害發生的程度.因為當綠色植被受到洪澇災害時， 會引起葉綠素含量和水分含量的變化，從而影響到植被指數的大小。I = NDV I (2) - NDVI (1)，式中NDVI (1)、NDVI (2)分別表示澇前、澇后的歸一化植被指數。歸一化植被指數按NDV I =(CH2 - CH1) / (CH2 +CH1) 計算。最后用“優選法”來確定洪澇災情指標值[7]。21·世紀*教育網
2.3 作物病蟲害監測與預報
農作物發生病蟲害時，常表現為作物外部形態和內部生理結構發生變化。病蟲害在作物光譜表現為綠光波段的反射峰向紅光波段移動，在可見光波段的光譜反射率高于正常作物，而在近紅外波段，受害作物的光譜反射率要比正常作物光譜反射率低，陡坡效應不明顯或消失。病蟲害影響的作物光譜反射率的變化特征是遙感監測作物病蟲害的理論基礎。現有的大部分研究都是基于光譜參數法，即從遙感數據中提取出植物生理方面的信息，以探測農作物的生長情況以及是否受病蟲害的危害。比較常用的遙感監測病蟲害方法有植被指數法和紅邊參數法。由此可見，紅外波段的光譜特征變化早于人用肉眼觀測到的病蟲危害，可及時、有效地控制病蟲害的蔓延。www-2-1-cnjy-com
小麥條銹病是危害冬小麥的一種重要病害，具有流行頻率高、暴發性強、發生范圍廣和危害損失大等特點。據統計，1950，1964，1990和2002年我國小麥條銹病四次大流行，引起小麥產量的直接損失分別為60億、30億、26億和14億kg，可見其危害之大。目前，對小麥條銹病高光譜遙感監測研究有了一定的進展，在條銹病防治的最佳時期(病葉率<5%)，高光譜遙感可以對其進行相應診斷.但這離實際應用還有一段距離。通過對條銹病影響下冬小麥高光譜特征的研究，提取一些重要的生理參數，建立反演的模型，在小麥生長環境分析和長勢監測中，將發生重要的作用，對以后進行病害等級評價和損失的評估也具有意義。
2.4農作物生態環境監測
遙感技術能及時掌握土壤的鹽堿度、沙塵暴等對土壤的風化侵蝕、蟲害、耕地水分和養分的增減等具體變化信息，生產者能根據這些信息及時決定對策，提高勞動生產率.如通過NOAA衛星遙感影像的綠度值，了解大面積作物的分布和長勢，并根據該作物在某一些地區的生長特點和氣象衛星所提供的資料，對某一作物地區可能發生的氣象災害、土壤水分的保證率和流行性病蟲害等發生早期警報。21*cnjy*com
應用遙感手段監測冷凍害，主要是選用冷凍害發生階段及前后的遙感圖像進行分析處理，獲得地面作物的植被指數，通過對NDVI進行時間序列分析，根據NDVI的變化進行農作物冷凍害的識別。此外，農作物發生冷凍害時氣溫低是其重要特征，因此利用遙感技術反演研究區地面溫度也是農作物冷凍害識別的重要手段。與傳統的冷凍害監測方法相比，遙感技術可快速、準確地估算冷凍災害的發生與覆蓋范圍，因而對黑龍江墾區冷凍害的防災減災具有重要意義。【出處：21教育名師】
2.5 遙感在農業環境保護中的應用
環境衛星在我國的環境保護領域起到了很大的作用，它能利用衛星遙感技術連續監測環境變化，準確反映環境質量。利用遙感技術能及時監測出大氣的污染，尋找出污染源；對河流進行實時監控；提前研究環境污染的成因和對策。21*cnjy*com
用含熱污水灌溉，常給作物帶來損害[10]。如在水稻灌漿期，用高溫水澆灌，使作物根系早衰，甚至根莖腐爛，倒伏；葉片功能下降，葉綠素含量降低，縮短了光合作用產物的接納期，使成熟期縮短，灌漿不足，千粒重下降而造成減產.因此及時監測水體的熱污染是保護農作物正常生長的一項重要措施.監測熱污染一般用紅外掃描儀， 測得物體的熱信息記錄在磁帶上后回放成熱象圖.不論是黑白圖象還是彩色紅外圖象， 我們可以根據色調的深淺與不同的顏色很快地判斷出物體的溫度高低。同時還可根據圖象上反映出來的范圍算出熱污染面積及擴散規律.這樣便可及時地發現熱污染， 采取有效地防范措施。另外對工業廢水做到及時的監測也是保護農作物的一項有利措施。
根據工業廢水和正常河水測得的光譜特性曲線就可把污水狀況監測出來，并可測出污水范圍.土壤的監測用多光譜相片判讀土壤受到污染以及土壤所含的水分。土壤的輻射光譜特性，也隨自身的狀態如受重金屬污染，含水量等的不同分光反射率會發生變化.如受鐵污染的土壤與原土的分光反射率相比，前者為高，這樣在圖象上受鐵污染的土壤的色調要淺而原土要深.而對于同一種土壤，越干燥的土壤分光反射率就越大.從可見區反射特性來看，濕潤土幾乎是黑色而干燥土是黃色的。在多光譜相片上反映出來的色調更有明顯的差別，含水越多顏色越深，越干燥則顏色越淺.判讀土壤水分是遙感技術的一項重要內容，同時也是農業環保的一項不容忽視的措施。www.21-cn-jy.com
3．我國農業遙感技術應用面臨的問題
雖然我國農業信息技術的研究起步較晚，但是遙感技術的研究在很早就已經開始，與美國相比也只有不到十年的差距。近年來，國家加大了對農業的重視，并制定了一系列支持農業生產、經營、管理的政策措施，鼓勵農業信息技術的發展，促進產業升級。但是由于種種原因，我國的遙感技術還是與發達國家存在著一定的差距，這主要表現在：
3.1 技術上存在差距
西方發達國家長期在技術領域占有優勢，由于技術貿易壁壘的關系，我國的遙感技術尚未達到世界一流水平。以遙感圖像分辨率為例，美國民間現有技術已經能做到分辨 0.6m的物體，而我國軍用水平也只能達到3.5m，技術上的差距導致我國在遙感信息收集方面就已經處于落后地位。【來源：21cnj*y.co*m】
3.2 資金和信息源受到限制
資金的緊缺和信息源收集的困難，使我國農業遙感技術在實際應用中經常出現遙感觀測次數少和觀測范圍小的現象，一些地方甚至不能做到遙感監測。這是我國農業遙感技術的推廣面臨的重大難題和挑戰。21教育名師原創作品
3.3 運用范圍偏小
目前我國農業遙感技術主要是運用于水稻、小麥、玉米等主要農作物上，而甘蔗、油菜等油料和糖類作物則還未涉及。2-1-c-n-j-y
3.4 地面配合投入不足
由于我國獨特的地理結構，幅員遼闊，地形多樣，南北生產作物差距較大，統一的技術很難在全國內發揮相同的作用，這就要求各地區根據自身的特點，及時收集處理信息，配合衛星遙感技術的成果，做好調整和反饋工作，選擇符合地區實際情況的生產決策。
4．我國農業遙感技術的新成果
4.1 遙感技術獲取信息的渠道更豐富、信息更完整
隨著我國通信技術、信息技術、計算機技術特別是航天技術的迅速提高，我國農業遙感技術獲取信息的能力和渠道都得到了迅猛的發展。我國的遙感信息渠道現在已經逐漸形成了一個多平臺、多角度、多傳感器的格局，收集到的數據也逐漸向高空間分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率靠近，這使信息的提取處理更精確和完整。21·cn·jy·com
4.2 新型遙感設備的運用
由于軍事和國民經濟的需要，近年來空間光學遙感技術取得迅猛地發展，各種各樣的光學遙感器應運而生，并且技術性能也飛快的得到提高和完善。高光譜成像就是一項代表性技術，它結合了地物高光譜和高空成像技術，能比多光譜成像技術提供分辨率高很多的目標信息。
4.3“3S”技術系統的廣泛運用
“3S”技術，指的是對地觀測的三種空間高新技術系統，即遙感技術 (RS)、全球定位系統(GPS)、地利信息系統(GIS)。“3S”系統是三者相互補充相得益彰構成的一個功能完整強大的空間數據采集處理分析系統，這個系統既能高速地收集、處理信息，又能準確合理地應用信息。“3S”集成技術已成為許多行業特別是在農業領域的先進管理技術。
5. 結束語
作為 21 世紀信息技術的支柱之一，遙感技術在農業生產中的地位尤其重要，作為國土遼闊的農業大國，利用遙感手段及時掌握復雜多變的農業自然資源和農業生產信息，對我國的農業規劃和管理都有重要的現實意義。【版權所有：21教育】
我國農業遙感的發展重點應主要集中在高光譜遙感和精準農業研究。加強高光譜、高分辨率、雷達等技術手段和“3S”技術等關鍵技術在農業生產活動中的運用，建立健全基礎農業信息系統運行管理機制等。航空遙感方面應發展高空攝影、大像幅和多波段攝影，以減少像幅、節省開支和增加光譜分辨率；同時，由低空輕型飛機進行的小面積紅外攝影也很有發展前景，這種方式可以及時又經濟地取得信息。
雖然我國在20世紀70年代末就開始了農業遙感的應用研究，在土地資源利用現狀調查、鹽堿地調查、耕地調查、農作物長勢預測等方面做了大量的演技工作，取得了很多成果。但是對大面積農作物種植面積調查、農作物病蟲災害預警機土地動態監測方面等都缺乏有效的手段。在工作的精度和深度上有待提高.遙感的新技術、新手段要求農業科研人員探索和學習空間信息轉化為技術，借鑒國外先進技術建立符合我國的農業監測系統，繼續挖掘遙感在數字農業中的應用。2·1·c·n·j·y
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