遙感技術(shù)中農(nóng)業(yè)科技的服務領(lǐng)域應用論文
遙感技術(shù)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(lǐng)域[１,２].其中,農(nóng)業(yè)是遙感技術(shù)發(fā)展最早、應用最成熟的領(lǐng)域之一.遙感技術(shù)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(diào)查和全覆蓋方法[６Ｇ１０].農(nóng)作物面積遙感抽樣調(diào)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(diào)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(diào)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(shù)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(jié)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(shù)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(shù)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(shù)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(lǐng)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(zhuǎn),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(shù)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(shù)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(shù),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(shù)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(jié)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(shù)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(shù),進行農(nóng)作物病蟲害的高精度精準監(jiān)測和制圖,結(jié)合GPS,采用無人機噴灑技術(shù),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(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)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?qū)ο蟮挠嬎銠C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(guān)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(shù)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(shù)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(shù)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(guān)鍵參數(shù),確定影響產(chǎn)量的關(guān)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(guān)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(zhì)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(jié)合現(xiàn)場測量結(jié)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(jié)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(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǔ).
４結(jié)論與展望
隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)逐步從大區(qū)域資源調(diào)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(qū)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)發(fā)展實時或準實時遙感技術(shù)是發(fā)展的方向之一.４)農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)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(shù)服務,如何在滿足應用需求的前提下,盡量減低遙感技術(shù)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(shù)服務可以大幅減低遙感技術(shù)服務費用.
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