1、遥感对地观测技术在农业中的应用与发展摘要：简要回顾了国际高分辨率对地观测领域近十年来的发展， 介绍了我国高分辨率对地观测领域发展的现状与规划， 系统论述了从观测数据到空间信息和地学知识自动转化的机理与过程。随着高分辨率对地观测技术的发展，遥感技术在农业生产中的应用发展非常迅速。将遥感技术应用在农业上，可在一定程度上降低我国农业产品的损失。最后，根据我国农业生产中应用的现有遥感技术基础上指出还存在的不足。关键词：高分辨率对地观测；农业遥感；遥感技术1引言目前，航空航天遥感正向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多极化、多角度的方向迅猛发展。国际商业遥感卫星 GeoEye 的空间分辨率已达到
2、 0.41m，美国光学侦察卫星 KH-12 空间分辨率达 0.1 m；美国 NASA 发射的 EO-1 对地观测卫星搭载的 HYPERION 超光谱成像仪共有 220 个谱段，光谱分辨率为 10nm，Proba 小卫星携带的CHRIS 超光谱成像仪光谱分辨率最高达 1.2 nm；微波遥感实现了全天时、全天候的对地观测，星载 SAR 的分辨率也达到 1 m 的水平，差分雷达干涉测量测定相对位移量的精度可达厘米至毫米级；先进的卫星系统都具备大角度侧摆观测的能力，使得重访周期大幅缩短。我国已成功发射了近百颗卫星，初步形成了资源环境、气象、海洋三个系列的遥感卫星体系。正在运行的资源卫星，如中巴地球资源
3、卫星系列、 “北京一号”卫星、环境与灾害监测预报小卫星星座等。2012 年 1 月 9 日，我国又成功发射了首颗民用立体测绘卫星“资源三号” 。在气象卫星方面，发射了太阳同步轨道 FY 卫星系列，最新发射的 FY-3 卫星的气象监测能力已达到世界先进水平，我国计划发射的下一代极轨气象卫星，将具备全球、全天候大气探测的能力。海洋卫星方面，已发射了海洋探测卫星系列 HY-1A，HY-1B 等。正在实施的国家重大专项“高分辨率对地观测系统”提出，要建立天基、临近空间、空基对地观测系统，具备准实时、全天候获取各种空间数据的能力，形成集高空间、高光谱、高时间分辨率和宽地面覆盖于一体的对地观测系统卫星遥感
4、技术经过几十年的发展，已经从可见光发展到红外、微波；从单波段发展到多波段、多角度、多极化；从多光谱扩展到超光谱。在理论上，已从经典电磁波朗伯反射模型发展到更具适应性的多角度模型、临地效应和尺度效应综合模型，逐步实现了遥感信息反演地面参数的半定量和定量化。卫星遥感技术在农业气象、业务服务中的应用主要表现在农作物长势监侧与估产、干旱监测、作物种植面积提取等领域。2遥感对地观测技术在农业中的应用农业遥感是随遥感技术的发展而发展的，在农业领域内最早应用的主要是航空照片.农业是遥感技术的最大用户，农业遥感的工作十分广泛。我国是一个传统的农业大国，但是每年由于农业产品自身的原因和环境变化、自然灾害等的影响
5、，使得每年都会遭受到巨大地损失。据统计，1983 年至 2006 年，我国平均每年农作物受旱面积 2500 多万公顷，占整个农业受灾面积的一半以上.1997 年、2000 年和 2001 年等特大干旱年，旱灾造成的粮食损失分别占当年粮食总产量的 9.6%、13.0% 、11.8%，对粮食生产造成较大影响。此外，冷冻害、台风等都对粮食生产造成重大影响，因气象灾害导致的单种粮食产量波动可达 20%左右，严重时可达 30%以上.随着遥感技术的日渐成熟和发展，遥感技术已经成熟的运用到军事、自然资源的勘探和调查、城市建设和规划、地图绘制等许多领域.如今在农业上的利用也逐渐受到更广泛的重视，有效的利用遥感
6、技术可以改变农业管理水平，合理利用资源以及粮食生产以及在突变情况下为政府决策部门提供准确信息，做出相应地预防措施。从而降低农作物的经济损失。现阶段的我国，遥感技术的应用主要表现在以下几个方面。2.1 作物长势遥感监测与估产作物长势遥感监测与估产的基本原理是利用卫星遥感技术反演作物的一些生物学指标，如归一化植被指数和叶面积指数来分析作物的生长状况。有研究表明，植被的叶绿素对红光（630690nm）有强烈的吸收作用，通过该光谱波段的信息可以反映叶绿素的浓度。植被的叶片对近红外（760790nm ）有强烈的反射作用，通过该光谱波段的数据可以反映叶面积指数和植被密度。组合这两个通道的数据计算得到的归一
7、化植被指数，可以较好地反映植被的生长状况和作物产量。因此，NDVI 是一个综合的参数，与叶面积指数、植被覆盖度、发育程度以及生物量有关。在农业气象业务中，作物长势监测的遥感模型主要分为差值模型和标液化模型两种。而遥感估产主要基于作物植被指数与产量的统计关系。2008 年 12 月 1 日我国“遥感卫星 4 号”发射成功，其主要作用之一就是负责我国农作物的品质与产量监测数据的采集。如今高光谱分辨率遥感技术也在农作物估产得到应用，利用它的客观、定量、准确的优点，可以同时获取单产、面积、总产资料， 在小区试验已取得较高的精度，但其大面积估产还不能满足专业化的要求 3。另外，由于传统的作物生长模型很难
8、模拟大田的实际产量，因为大量的数据、复杂的数学运算以及误差传递限制了作物生长模拟模型的运用，所以中国农业大学宇振荣等通过基于遥感反演作物冠层温度的作物生长模拟.运用冠层温度与周围环境温度之差是作物气孔关闭的程度和与之相关的同化作用活性的一个指标， 它不仅反映了土壤水分对作物生长的影响， 同时在一定程度上也反映了其他因素对作物生长的影响.利用遥感估算区域冠层温度， 并计算水分胁迫系数， 可以近似地估计作物实际生长速率和产量 4。2.2 干旱遥感监测随着遥感技术的发展，可获取的多源遥感数据不断增加，通过遥感数据计算可直接或间接反映干旱状况的指数有数十种，但能够在业务上应用的干旱遥感监测方法主要有两
9、类：一类是基于地表反射率和发射率的干旱监测模型；另一类是基于地表能量和水分平衡模型的干旱监测模型，这类模型的推导过程比较复杂，但物理意义明确，能够反映出土壤水分状况。干旱监测的气象卫星遥感信息处理分析方法，目前应用比较广泛的是植被供水指数法和土壤热惯量法 6。植被供水指数法比较适用于地面作物覆盖情况下的干旱状况的遥感监测.土壤热惯量法主要是利用土壤水分的热特性进行土壤水分监测， 它适用于裸地干旱的监测.丁太胜等根据当地的实际情况，综合利用植被供水指数法和土壤热惯量法进行江淮流域旱涝灾害气象卫星遥感监测和预报方法研究，并做出了一个预测系统.经过实际数据的检测，该系统的采用的方法完全可以实现旱涝灾
10、害的预测.李文等根据福建的地形，利用遥感卫星监测旱涝灾害.在比较了土壤热惯量法、植被供水指数法、距平植被指数法等国内外常用的干旱遥感监测方法后， 采用植被供水指数法来监测福建省的旱情.该法综合考虑了归一化植被指数(NDVI) 和植被冠层温度(Ts)两个因子。一般地，植被供水指数(VSWI)定义为：VSW I = Ts/NDVI 当遇到干旱时，由于土壤供水不足，植被生长受到影响，NDVI 降低，同时冠层温度因无足够的水分供蒸发而升高.因此 VSWI 急剧上升，故利用 VSWI 可以有效地反映干旱的程度 .同样，对洪涝灾害的研究主要是运用洪涝灾害前后不同时相的植被指数变化(I)来间接评价洪涝灾害发
11、生的程度.因为当绿色植被受到洪涝灾害时， 会引起叶绿素含量和水分含量的变化，从而影响到植被指数的大小。I = NDV I (2) - NDVI (1)，式中 NDVI (1)、NDVI (2)分别表示涝前、涝后的归一化植被指数。归一化植被指数按 NDV I =(CH2 - CH1) / (CH2 +CH1) 计算。最后用“优选法”来确定洪涝灾情指标值 7。2.3 作物病虫害监测与预报农作物发生病虫害时，常表现为作物外部形态和内部生理结构发生变化。病虫害在作物光谱表现为绿光波段的反射峰向红光波段移动，在可见光波段的光谱反射率高于正常作物，而在近红外波段，受害作物的光谱反射率要比正常作物光谱反射率
12、低，陡坡效应不明显或消失。病虫害影响的作物光谱反射率的变化特征是遥感监测作物病虫害的理论基础。现有的大部分研究都是基于光谱参数法，即从遥感数据中提取出植物生理方面的信息，以探测农作物的生长情况以及是否受病虫害的危害。比较常用的遥感监测病虫害方法有植被指数法和红边参数法。由此可见，红外波段的光谱特征变化早于人用肉眼观测到的病虫危害，可及时、有效地控制病虫害的蔓延。小麦条锈病是危害冬小麦的一种重要病害，具有流行频率高、暴发性强、发生范围广和危害损失大等特点。据统计，1950，1964，1990 和 2002 年我国小麦条锈病四次大流行，引起小麦产量的直接损失分别为 60 亿、30 亿、26 亿和
13、14 亿 kg，可见其危害之大。目前，对小麦条锈病高光谱遥感监测研究有了一定的进展，在条锈病防治的最佳时期(病叶率5%) ，高光谱遥感可以对其进行相应诊断.但这离实际应用还有一段距离。通过对条锈病影响下冬小麦高光谱特征的研究，提取一些重要的生理参数，建立反演的模型，在小麦生长环境分析和长势监测中，将发生重要的作用，对以后进行病害等级评价和损失的评估也具有意义。2.4 农作物生态环境监测遥感技术能及时掌握土壤的盐碱度、沙尘暴等对土壤的风化侵蚀、虫害、耕地水分和养分的增减等具体变化信息，生产者能根据这些信息及时决定对策，提高劳动生产率.如通过 NOAA 卫星遥感影像的绿度值，了解大面积作物的分布和
14、长势，并根据该作物在某一些地区的生长特点和气象卫星所提供的资料，对某一作物地区可能发生的气象灾害、土壤水分的保证率和流行性病虫害等发生早期警报。应用遥感手段监测冷冻害，主要是选用冷冻害发生阶段及前后的遥感图像进行分析处理，获得地面作物的植被指数，通过对 NDVI 进行时间序列分析，根据 NDVI 的变化进行农作物冷冻害的识别。此外，农作物发生冷冻害时气温低是其重要特征，因此利用遥感技术反演研究区地面温度也是农作物冷冻害识别的重要手段。与传统的冷冻害监测方法相比，遥感技术可快速、准确地估算冷冻灾害的发生与覆盖范围，因而对黑龙江垦区冷冻害的防灾减灾具有重要意义。2.5 遥感在农业环境保护中的应用环
15、境卫星在我国的环境保护领域起到了很大的作用，它能利用卫星遥感技术连续监测环境变化，准确反映环境质量。利用遥感技术能及时监测出大气的污染，寻找出污染源；对河流进行实时监控；提前研究环境污染的成因和对策。用含热污水灌溉，常给作物带来损害 10。如在水稻灌浆期，用高温水浇灌，使作物根系早衰，甚至根茎腐烂，倒伏；叶片功能下降，叶绿素含量降低，缩短了光合作用产物的接纳期，使成熟期缩短，灌浆不足，千粒重下降而造成减产.因此及时监测水体的热污染是保护农作物正常生长的一项重要措施.监测热污染一般用红外扫描仪， 测得物体的热信息记录在磁带上后回放成热象图.不论是黑白图象还是彩色红外图象， 我们可以根据色调的深浅
16、与不同的颜色很快地判断出物体的温度高低。同时还可根据图象上反映出来的范围算出热污染面积及扩散规律.这样便可及时地发现热污染， 采取有效地防范措施。另外对工业废水做到及时的监测也是保护农作物的一项有利措施。根据工业废水和正常河水测得的光谱特性曲线就可把污水状况监测出来，并可测出污水范围.土壤的监测用多光谱相片判读土壤受到污染以及土壤所含的水分。土壤的辐射光谱特性，也随自身的状态如受重金属污染，含水量等的不同分光反射率会发生变化.如受铁污染的土壤与原土的分光反射率相比，前者为高，这样在图象上受铁污染的土壤的色调要浅而原土要深.而对于同一种土壤，越干燥的土壤分光反射率就越大.从可见区反射特性来看，湿
17、润土几乎是黑色而干燥土是黄色的。在多光谱相片上反映出来的色调更有明显的差别，含水越多颜色越深，越干燥则颜色越浅.判读土壤水分是遥感技术的一项重要内容，同时也是农业环保的一项不容忽视的措施。3我国农业遥感技术应用面临的问题虽然我国农业信息技术的研究起步较晚，但是遥感技术的研究在很早就已经开始，与美国相比也只有不到十年的差距。近年来，国家加大了对农业的重视，并制定了一系列支持农业生产、经营、管理的政策措施，鼓励农业信息技术的发展，促进产业升级。但是由于种种原因，我国的遥感技术还是与发达国家存在着一定的差距，这主要表现在：3.1 技术上存在差距西方发达国家长期在技术领域占有优势，由于技术贸易壁垒的关
18、系，我国的遥感技术尚未达到世界一流水平。以遥感图像分辨率为例，美国民间现有技术已经能做到分辨 0.6m的物体，而我国军用水平也只能达到 3.5m，技术上的差距导致我国在遥感信息收集方面就已经处于落后地位。3.2 资金和信息源受到限制资金的紧缺和信息源收集的困难，使我国农业遥感技术在实际应用中经常出现遥感观测次数少和观测范围小的现象，一些地方甚至不能做到遥感监测。这是我国农业遥感技术的推广面临的重大难题和挑战。3.3 运用范围偏小目前我国农业遥感技术主要是运用于水稻、小麦、玉米等主要农作物上，而甘蔗、油菜等油料和糖类作物则还未涉及。3.4 地面配合投入不足由于我国独特的地理结构，幅员辽阔，地形多
19、样，南北生产作物差距较大，统一的技术很难在全国内发挥相同的作用，这就要求各地区根据自身的特点，及时收集处理信息，配合卫星遥感技术的成果，做好调整和反馈工作，选择符合地区实际情况的生产决策。4我国农业遥感技术的新成果4.1 遥感技术获取信息的渠道更丰富、信息更完整随着我国通信技术、信息技术、计算机技术特别是航天技术的迅速提高，我国农业遥感技术获取信息的能力和渠道都得到了迅猛的发展。我国的遥感信息渠道现在已经逐渐形成了一个多平台、多角度、多传感器的格局，收集到的数据也逐渐向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率靠近，这使信息的提取处理更精确和完整。4.2 新型遥感设备的运用由于军事和国民经济的需
20、要，近年来空间光学遥感技术取得迅猛地发展，各种各样的光学遥感器应运而生，并且技术性能也飞快的得到提高和完善。高光谱成像就是一项代表性技术，它结合了地物高光谱和高空成像技术，能比多光谱成像技术提供分辨率高很多的目标信息。4.3“3S”技术系统的广泛运用“3S”技术，指的是对地观测的三种空间高新技术系统，即遥感技术 (RS)、全球定位系统(GPS) 、地利信息系统 (GIS)。 “3S”系统是三者相互补充相得益彰构成的一个功能完整强大的空间数据采集处理分析系统，这个系统既能高速地收集、处理信息，又能准确合理地应用信息。 “3S”集成技术已成为许多行业特别是在农业领域的先进管理技术。5. 结束语作为
21、 21 世纪信息技术的支柱之一，遥感技术在农业生产中的地位尤其重要，作为国土辽阔的农业大国，利用遥感手段及时掌握复杂多变的农业自然资源和农业生产信息，对我国的农业规划和管理都有重要的现实意义。我国农业遥感的发展重点应主要集中在高光谱遥感和精准农业研究。加强高光谱、高分辨率、雷达等技术手段和“3S”技术等关键技术在农业生产活动中的运用，建立健全基础农业信息系统运行管理机制等。航空遥感方面应发展高空摄影、大像幅和多波段摄影，以减少像幅、节省开支和增加光谱分辨率；同时，由低空轻型飞机进行的小面积红外摄影也很有发展前景，这种方式可以及时又经济地取得信息。虽然我国在 20 世纪 70 年代末就开始了农业
22、遥感的应用研究，在土地资源利用现状调查、盐碱地调查、耕地调查、农作物长势预测等方面做了大量的演技工作，取得了很多成果。但是对大面积农作物种植面积调查、农作物病虫灾害预警机土地动态监测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.遥感的新技术、新手段要求农业科研人员探索和学习空间信息转化为技术，借鉴国外先进技术建立符合我国的农业监测系统，继续挖掘遥感在数字农业中的应用。参考文献:1 刘歆遥感技术在农业中的应用与发展科技创新导报J2011.27:1441452 黄惠珍遥感技术在我国农业生产中的应用科技信息J2010.243 洪霞，江洪，余树全. 高光谱遥感在精准农业生产中的应用. 安徽农业
23、科学J2010 ， 38 (1)：529531 ，5404 宇振荣基于遥感反演作物冠层温度的作物生长模拟和预报 中国农业大学学报(增刊)2003，8：71755 王爽，马占鸿，孙振宇，黄冲，王海光，闫佳会，梁俊敏 基于高光谱遥感的小麦条锈病胁迫下的产量损失估计 中国农学通报2011，27(21):2532586 肖乾广，陈维英，盛永伟 气象卫星监测干旱灾害的方法研究C 气象卫星遥感技术为农业服务应用研讨论文集 北京:中国气象局， 1996. 1 ， 22 297 李文，张春桂，王加义，陈家金，陈惠，蔡文华 福建省旱涝灾情监测研究福建农业科技J 2005.6:55 578 安永清，屈永华，高鸿永，段小亮，伍靖伟，陈爱萍 内蒙古河套灌区土壤盐碱化遥感监测方法研究 遥感技术与应用J2008.3(23):3163229 牛鲁燕，钟家有，郑立平，严志雁，苏小波，唐先辉，宋晓 基于遥感技术的江西省植被生态环境初探 江西农业学报J2011，23( 6) : 132 13410 张家良 遥感技术在农业环保上的应用 农业环境科学学报J1985.3:3335
