遥感在农业方面的应用.ppt

遥感在农业方面的应用-以农业估产为例1 1.遥感（遥感（RemoteSensingRemoteSensing）即遥）即遥远远的感知，指在一定的感知，指在一定距离上，距离上，应应用探用探测仪测仪器不直接接触目器不直接接触目标标物体，从物体，从远远处处把目把目标标的的电电磁波特性磁波特性记录记录下来，通下来，通过过分析，揭示分析，揭示出物体的特征性出物体的特征性质质及其及其变变化的化的综综合性探合性探测测技技术术。摄摄影照相便是一种最常影照相便是一种最常见见的遥感的遥感,照相机并不接触被照相机并不接触被摄摄目目标标,而是相隔一定的距离而是相隔一定的距离,通通过镜头过镜头把被把被摄摄目目标标的的影像影像记录记录在底片上在底片上,经过经过化学化学处处理理,相片便重相片便重现现被被摄摄目目标标的的图图像。从拍像。从拍摄摄目目标标到再到再现现目目标标所用的手段所用的手段,便便是一种遥感技是一种遥感技术术。遥感与其他技。遥感与其他技术结术结合，在合，在农业应农业应用中具有科学、快速、及用中具有科学、快速、及时时的特点。的特点。这对这对于充分利于充分利用用农业资农业资源、指源、指导农业导农业生生产产、农产农产品供需平衡等方品供需平衡等方面有着重要的意面有着重要的意义义。2 2.遥感在农业方面的应用主要是在进行农用土地资源调查、作物估产和气象灾害、作物病虫害的监测、预报等方面。农业已成为遥感技术最大的应用部门之一。3 3.土地土地资资源源调查调查 包括包括对对土壤、地形、植被（如土壤、地形、植被（如森林森林、草原草原）、表）、表层层地地质质、气候、水文和地下潜水等各种、气候、水文和地下潜水等各种农业农业自然要素自然要素的的调查调查。如在。如在土壤土壤调查调查中利用砂中利用砂质质土和粘土和粘质质土土对对可可见见光光光光谱谱的反射的反射,前者前者较较强强,后者后者较较弱，以及二者因弱，以及二者因不同的水分状况、有机不同的水分状况、有机质质含量、含量、盐盐分含量和表面粗分含量和表面粗糙度而糙度而产产生不同的光生不同的光谱谱反射等特性，通反射等特性，通过对过对黑白片黑白片上不同灰上不同灰阶阶的影像灰度和的影像灰度和图图形特征形特征进进行行专业专业解解译译，就可勾就可勾绘绘出不同的出不同的专业图专业图件，如土壤解件，如土壤解译图译图、森林、森林解解译图译图、草原、草原类类型解型解译图译图等。航空像片由于其直等。航空像片由于其直观观性和几何精度性和几何精度较较好，且影像的光学好，且影像的光学纠纠正与精正与精绘绘技技术术较较成熟，已成成熟，已成为为土地土地资资源源调查调查的常的常规规手段。手段。7070年代年代以后，以后，陆陆地地卫卫星开始运用于中小比例尺的土地星开始运用于中小比例尺的土地资资源源调查调查与清与清查查。因价格便宜，取得影像。因价格便宜，取得影像较较易，而易，而为为不不少少发发展中国家所展中国家所应应用。制用。制图图比例尺逐比例尺逐渐扩渐扩大到大到1:500001:50000至至1:250001:25000。4 4.灾情监测与预报主要用于洪涝灾情监测预报。对某些地区的暴雨和可能造成的灾情，可结合应用陆地卫星与气象卫星所获得的资料进行预报。利用当时的卫星影像与常年卫星影像进行对比，可获得有关洪水泛滥成灾面积和灾情程度的较准确的结果。对旱灾的面积和危害程度的监测预报往往更易通过卫星资料来进行。其他如土壤的侵蚀、沙化，草原的退化以及由某些工程引起的环境恶化等，一般也均可通过卫星和航空遥感来进行监测。5 5.作物病虫害监测与预报作物和树木等绿色植物受病虫危害后，其叶绿素都要受到不同程度的破坏，因而其近红外波段（相当于MSS6，MSS7）的光谱反射受到明显影响，并在红外彩色或假彩色影像上与健康植物的分异十分明显。故可利用低空红外遥感对作物病虫害进行监测及预报。6 6.作物估作物估产产 目前主要目前主要应应用于：用于：大面大面积积作物作物环环境境监测监测。如通。如通过过NOAANOAA卫卫星遥感影像的星遥感影像的绿绿度度值值，了解大面，了解大面积积作物的分布和作物的分布和长势长势，并根，并根据据该该作物在某一些地区的生作物在某一些地区的生长长日日历历(拔拔节节、开花等、开花等)和气象和气象卫卫星所提供的星所提供的资资料，料，对对某一作物地区可能某一作物地区可能发发生的气象灾害、生的气象灾害、土土壤水分壤水分的保的保证证率和流行性病虫害等率和流行性病虫害等发发生早期警生早期警报报。大面大面积积估估产产。如利用。如利用陆陆地地卫卫星星进进行某一作物的生行某一作物的生态态分区，收集每一分区，收集每一生生态态分区内分区内历历年年该该作物的作物的产产量以及有关的气象量以及有关的气象资资料建立料建立产产量量模式，同模式，同时进时进行与行与卫卫星同步的高空、低空和地面光星同步的高空、低空和地面光谱观测谱观测，然后根据然后根据卫卫星影像所提供的信息星影像所提供的信息进进行某一作物的行某一作物的产产量估量估测测。较较小面小面积积的估的估产产。如在一个。如在一个县县或一个地区范或一个地区范围围内，利用内，利用陆陆地地卫卫星影象星影象进进行行统计统计分分层层（即分区），每（即分区），每层层根据成数抽根据成数抽样样的的原原则则，选选取一定数目的在取一定数目的在卫卫星影象和航空像片上都有明星影象和航空像片上都有明显标显标志的志的样样区，然后利用航空像片在区，然后利用航空像片在该样该样区内区内进进行有关作物面行有关作物面积积和和长势长势等的等的调查调查，以此来推算，以此来推算该层该层的的总总面面积积和和总产总产量。量。这这种种方法称方法称为为框框图图面面积积取取样样估估产产，精度可达，精度可达95959797。在地。在地块块零零碎、多种作物混作的地区碎、多种作物混作的地区则则精度精度为为75758080。但。但卫卫星影像星影像总总的都的都对对宏宏观农业观农业管理有利。管理有利。7 7.作物估产是体现遥感在农业方面综合应用的最好例证。自1974年以来，美国、前苏联、阿根廷、中国、日本、印度等国先后进行了不同范围、不同作物的估产工作。美国对世界小麦产量的估产精度已达90%以上，并扩大到对玉米、大豆等八种以上作物的估产。我国于19831986年在京津冀进行跨省市的统一网络较大范围冬小麦遥感估产试验，精度也超过90%。8 8.遥感估遥感估产产的基本原理的基本原理任何物体都具有吸收和反射不同波长电磁波的特性，这是物体的基本特性。人眼正是利用这一特性，在可见光范围内识别各种物体的，遥感技术也是基于同样的原理，利用搭载在各种遥感平台(地面、气球、飞机、卫星等)上的传感器(照相机、扫描仪等)接收电磁波，根据地面上物体的波谱反射和辐射特性，识别地物的类型和状态。9 9.农作物估产则是指根据生物学原理，在收集分析各种农作物不同生育期不同光谱特征的基础上，通过平台上的传感器记录的地表信息，辨别作物类型，监测作物长势，并在作物收获前，预测作物的产量的一系列方法。它包括作物识别和播种面积提取、长势监测和产量预报两项重要内容。1010.农农作物估作物估产产的方法的方法农作物估产在方法上可分为传统的作物估产和遥感估产两类。1111.传统传统的作物估的作物估产产基本上是基本上是农农学模式和气象模式，采学模式和气象模式，采用人工区域用人工区域调查调查方法。它方法。它们们把作物生把作物生长长与主要制与主要制约约和影响和影响产产量的量的农农学因子或气候因子之学因子或气候因子之间间用用统计统计分析分析的方式建立起关系。的方式建立起关系。这类这类模式模式计计算繁算繁杂杂、速度慢、速度慢、工作量大、成本高，某些因子种工作量大、成本高，某些因子种类类往往往往难难以定量化，以定量化，不易推广不易推广应应用。用。遥感估遥感估产则产则是建立作物光是建立作物光谱谱与与产产量之量之间联间联系的一种系的一种技技术术,它是通它是通过过光光谱谱来来获获取作物的生取作物的生长长信息。在信息。在实际实际工作中，常常用工作中，常常用绿绿度或植被指数（由多光度或植被指数（由多光谱谱数据，数据，经线经线性或非性或非线线性性组组合构成的合构成的对对植被有一定指示意植被有一定指示意义义的各种数的各种数值值）作）作为评为评价作物生价作物生长长状况的状况的标标准。植被准。植被指数中包括了作物指数中包括了作物长势长势和面和面积积两方面的信息，两方面的信息，各种各种估估产产模式模式，尤其是光，尤其是光谱谱模式中植被指数是一个极模式中植被指数是一个极为为重要的参数。根据重要的参数。根据传传感器从地物中感器从地物中获获得的光得的光谱谱特征特征进进行估行估产产具有宏具有宏观观、快速、准确、快速、准确、动态动态的的优优点点 1212.农农作物估作物估产产中所中所应应用的遥感用的遥感资资料大致可分料大致可分为为三三类类：一是气象一是气象卫卫星星资资料，主要料，主要为为美国第三代美国第三代业务业务极极轨轨气气象象卫卫星（星（NOAANOAA系列）装系列）装载载的甚高分辨率的甚高分辨率辐辐射射仪仪（AVHRRAVHRR）资资料，其料，其资资料特点是周期短、覆盖面料特点是周期短、覆盖面积积大、大、资资料易料易获获取、取、实时实时性性强强、价格低廉，空、价格低廉，空间间分辨分辨率低但率低但时间时间分辨率分辨率较较高；二是高；二是陆陆地地卫卫星星(Landsat)(Landsat)资资料，料，应应用用较较多功能是多功能是专题专题制制图仪图仪(TM)(TM)资资料，它重复料，它重复周期周期长长、价格高，但其空、价格高，但其空间间分辨率高分辨率高55；三是航空；三是航空遥感和地面遥感遥感和地面遥感资资料，主要用于光料，主要用于光谱谱特征及估特征及估产农产农学机理的研究中，其中高光学机理的研究中，其中高光谱谱数据可提供数据可提供连续连续光光谱谱，可消除一些外部条件的影响而成可消除一些外部条件的影响而成为为遥感数据遥感数据处处理、理、地面地面测测量、光量、光谱谱模型和模型和应应用的用的强强有力的工具有力的工具。1313.在遥感估在遥感估产产中中农农作物面作物面积积提取是最重要的内容。用提取是最重要的内容。用遥感方法遥感方法测测算一种算一种农农作物的种植面作物的种植面积积主要有以下几主要有以下几种方法。种方法。1 1）航天遥感方法。包括）航天遥感方法。包括卫卫星影像磁星影像磁带带数字数字图图象象处处理理方（一般精度方（一般精度较较高）和高）和绿绿度度-面面积积模式。模式。2)2)航空遥感方法。可航空遥感方法。可进进行行总总面面积积的的测测量、作物分量、作物分类类及及测测算分算分类类面面积积。3)3)遥感与遥感与统计统计相相结结合的方法。此方法是由美国合的方法。此方法是由美国农业农业部部统计统计局在原面局在原面积积抽抽样统计样统计估估产产的基的基础础上上发发展起来展起来的的,其原理是利用遥感影像分其原理是利用遥感影像分层层，再，再实实行行统计统计学方法学方法抽抽样样。4)4)地理信息系地理信息系统统(GIS)(GIS)与遥感相与遥感相结结合方法。此方法是合方法。此方法是在地理信息系在地理信息系统统的支持下，利用遥感信息，的支持下，利用遥感信息，对对不同不同农农作物的种植面作物的种植面积进积进行行获获取。取。1414.植被可利用遥感数据，大多数（主要是无机材料）可见光谱凭借红色和蓝色的部分其显著的吸收，其较高的绿色反射率，特别是其很强烈的反射近红外。这是表面瓦尔格拉绿洲地下水达到在撒哈拉大沙漠在阿尔及利亚南部的一个集中的树木和植物：1515.1616.这是发生在得克萨斯州于2007年6月时高达20英寸的降雨过程中下降。该拼图制成的SPOT图像表明，大多数国家对西部两个三分之二已在米德兰盆地周围绿化植被的响应远在这个时间比正常的一年（在黑色的区域，是极端）1717.1818.国内外遥感估国内外遥感估国内外遥感估国内外遥感估产产产产的研究的研究的研究的研究进进进进展状况展状况展状况展状况国外遥感估国外遥感估国外遥感估国外遥感估产产产产研究的研究的研究的研究的进进进进展状况展状况展状况展状况美国首先开了美国首先开了美国首先开了美国首先开了农农农农作物遥感估作物遥感估作物遥感估作物遥感估产产产产之先河，美国之先河，美国之先河，美国之先河，美国农业农业农业农业部、部、部、部、国家海洋大气管理局、宇航局和商国家海洋大气管理局、宇航局和商国家海洋大气管理局、宇航局和商国家海洋大气管理局、宇航局和商业业业业部合作制定了部合作制定了部合作制定了部合作制定了“大面大面大面大面积农积农积农积农作物估作物估作物估作物估产实验产实验产实验产实验(1974(19741978)1978)计计计计划划划划”，组织组织组织组织实实实实施了小麦估施了小麦估施了小麦估施了小麦估产计产计产计产计划，划，划，划，应应应应用先后用先后用先后用先后发发发发射入射入射入射入轨轨轨轨的的的的陆陆陆陆地地地地卫卫卫卫星星星星1 13 3接收接收接收接收处处处处理出的理出的理出的理出的MSSMSS图图图图像，首先像，首先像，首先像，首先对对对对美国大平原美国大平原美国大平原美国大平原9 9个小麦生个小麦生个小麦生个小麦生产产产产州的面州的面州的面州的面积积积积、单产单产单产单产和和和和产产产产量做出估算量做出估算量做出估算量做出估算;尔尔尔尔后后后后对对对对包括美国本土、加拿大和前包括美国本土、加拿大和前包括美国本土、加拿大和前包括美国本土、加拿大和前苏联苏联苏联苏联部分地区小麦面部分地区小麦面部分地区小麦面部分地区小麦面积积积积、单产单产单产单产和和和和产产产产量做出估算量做出估算量做出估算量做出估算;接着是接着是接着是接着是对对对对世界其它地区小世界其它地区小世界其它地区小世界其它地区小麦面麦面麦面麦面积积积积、总产总产总产总产量量量量进进进进行估算。行估算。行估算。行估算。调查调查调查调查分析美国、原分析美国、原分析美国、原分析美国、原苏联苏联苏联苏联、加拿大等主要加拿大等主要加拿大等主要加拿大等主要产产产产粮国的小麦播种面粮国的小麦播种面粮国的小麦播种面粮国的小麦播种面积积积积、出苗状况和、出苗状况和、出苗状况和、出苗状况和长势长势长势长势，并利用气象，并利用气象，并利用气象，并利用气象卫卫卫卫星星星星获获获获得的气象要素信息，得的气象要素信息，得的气象要素信息，得的气象要素信息，结结结结合合合合历历历历年年年年统计统计统计统计数据数据数据数据进进进进行行行行综综综综合分析，建立的小麦估合分析，建立的小麦估合分析，建立的小麦估合分析，建立的小麦估产产产产模型模型模型模型精度高达精度高达精度高达精度高达90%90%以上。以上。以上。以上。1919.19801986年，美国又制定了“农业和资源的空间遥感调查”计划,其核心内容仍是主要作物的种植面积与单产模型的研究。进行国内、世界多种粮食作物长势评估和产量预报。中国科学院自然资源综合考查委员会的陈沈斌于1992年8月在美国农业部外国农业局(负责美国以外国家的农作物估产,并建成运行系统)曾见到当月估计的中国小麦、玉米、水稻总产量与后来1993年国家统计局公布的数字差-3.53%、+0.65%和-0.66%。该项工作,为美国在世界农产品贸易中获得巨大的经济利益2020.此后，欧共体、俄此后，欧共体、俄罗罗斯、法国、日本和印度等国也斯、法国、日本和印度等国也都都应应用用卫卫星遥感技星遥感技术进术进行行农农作物作物长势监测长势监测和和产产量量测测算，均取得了一定的成果。例如，欧共体用算，均取得了一定的成果。例如，欧共体用1010年的年的时间时间(从从19831983年开始年开始)，建成用于，建成用于农业农业的遥感的遥感应应用系用系统统，19951995年在欧共体年在欧共体1515个国家用个国家用180180景景SPOTSPOT影像，影像，结结合合NOAANOAA影像在影像在6060个个试验试验点点进进行了作物估行了作物估产产，可，可精确到地精确到地块块和作物种和作物种类类。20022002年美国航空航天局与年美国航空航天局与美国美国农业农业部合作在部合作在贝兹维贝兹维尔尔、马马里里兰兰用用MODISMODIS数据数据代替代替NOAA-AVHRRNOAA-AVHRR进进行遥感估行遥感估产产，MODISMODIS搭搭载载的的TERRATERRA卫卫星是星是19991999年由美国年由美国(国家航空航天局国家航空航天局)、日、日本本(国国际贸际贸易与工易与工业厅业厅)和加拿大和加拿大(空空间间局、多局、多伦伦多大多大学学)共同合作共同合作发发射的，射的，MODISMODIS数据涉及波段范数据涉及波段范围围广广(36(36个波段个波段)、分辨率、分辨率(250,500,1000m)(250,500,1000m)比比NOAA-AVHRRNOAA-AVHRR(5(5个波段，分辨率个波段，分辨率为为1100m)1100m)有有较较大的大的进进步，步，这这些数些数据均据均对农业资对农业资源遥感源遥感监测监测有有较较高的高的实实用价用价值值。2121.ldso等曾运用500600nm和600700nm两个光谱区得到的反射值的转换植被指数(TV16)来估计小麦与大麦的单产,获得小麦单产与TV16之间的相关系数为0.78。同年，日本科技公司完成了“遥感估产”项目，可提高平原农业估产的精度，并着眼于对全球进行估产。而美国已经将遥感技术用于精细农业，对农作物进行区域水分分布评估、病虫害预测等，直接指导农业生产。用卫星遥感方法进行长势监测和产量估算已进行多年，方法已趋于成熟2222.水稻遥感估产以亚洲水稻主要生产国为先行和先进。中国、印度、日本等国家都进行过遥感估产研究且取得较好的效果。Patel和Dash等14建立水稻产量和RVI的关系,试验区预报精度达到96.14%。Miller等15在分蘖或出穗阶段时,运用比值植被指数通过干物质和单产的关系来估计单产。但在作物灌浆与成熟阶段,由于反射率与总生物量之间并不相关,比值植被指数无法预测水稻的冠层生物量。Wiegand,SSRay认为借助于归一化植被指数NDVI(NIR-R)/(NIR+R)可以很好地预测产量2323.国内遥感估国内遥感估产产研究研究进进展情况展情况从“六五”开始，我国试用卫星遥感进行农作物产量预报的研究，并在局部地区开展产量估算试验。“七五”期间，国家气象局于1987年开展了北方11省市小麦气象卫星综合测产，探索运用周期短、价格低的卫星进行农作物估产的新方法。该项目中，主要是以长期的气象资料为基础，以遥感信息为检验手段，建立了不同地区的遥感参数-作物产量的一阶回归模型。19851989年，此项目为中央和地方提供了165次不同时空尺度的产量预报，为国家减少粮食损失达33万t以上，累计经济效益达20亿元2424.。“八五”期间，国家将遥感估产列为攻关课题，由中国科学院主持，联合农业部等40个单位，开展了对小麦、玉米和水稻大面积遥感估产试验研究，建成了大面积“遥感估产试验运行系统”，并完成了全国范围的遥感估产的部分基础工作。通过19931996年4年试验运行,分别对四省两市(河北、山东、河南、安徽北部和北京市、天津市)的小麦,湖北、江苏和上海市的水稻;吉林省的玉米种植面积、长势和产量的监测和预报,在指导农业生产及农业决策中发挥了重要作用。特别是解决了一些关键技术问题，为进一步开展全国性的卫星遥感估产提供了重要保证。2525.19951995年以信息系年以信息系统统及及农农情速情速报报，建立全国，建立全国资资源源环环境境数据数据库库;中国科学院、气象局及多家高等院校、研究中国科学院、气象局及多家高等院校、研究所致力于遥感估所致力于遥感估产产技技术术的研究，并在浙江、江西、的研究，并在浙江、江西、江江苏苏各省及各省及华华北、北、东东北、江北、江汉汉平原等地区平原等地区对对冬小麦、冬小麦、玉米、水稻、糜子等作物玉米、水稻、糜子等作物进进行遥感估行遥感估产产，在遥感信，在遥感信息源息源选选取、作物取、作物识别识别、面、面积积提取、模型构建、系提取、模型构建、系统统集成等各个技集成等各个技术环节术环节有了大幅的有了大幅的进进步。李哲、步。李哲、张军张军涛提出的基于涛提出的基于遗传遗传算法与人工神算法与人工神经经网网络络相相结结合的玉合的玉米估米估产产方法方法;侯英雨等提出的基于作物植被指数和温侯英雨等提出的基于作物植被指数和温度的度的产产量估算模型量估算模型;江江东东博士提出的基于人工神博士提出的基于人工神经经网网络络的的农农作物遥感估作物遥感估产产模型模型;王人潮教授等提出的高光王人潮教授等提出的高光谱谱遥感估算模型和水稻双向反射模型等等，遥感估算模型和水稻双向反射模型等等，这这些模些模型汲取了以前模型的型汲取了以前模型的优优点，模型因子的点，模型因子的选择选择更加合更加合理，可操作性更理，可操作性更强强，精确程度更高。随后，遥感估，精确程度更高。随后，遥感估产产方法已日方法已日趋趋成熟起来成熟起来 。2626.农农作物遥感估作物遥感估产虽产虽然具有客然具有客观观、定量、准确的、定量、准确的优优点点,而且可以同而且可以同时获时获取取单产单产、面、面积积、总产资总产资料料,在小区在小区试试验验已取得已取得较较高的精度高的精度,但其大面但其大面积积估估产还产还不能不能满满足足专专业业化要求。化要求。农农作物作物产产量气象量气象预报预报模型和模型和农农学学预报预报模模型型预报预报精度精度较较高高,但缺乏但缺乏长势监测长势监测和面和面积资积资料。模料。模拟拟模型机理明确模型机理明确,小区小区试验试验效果也很好效果也很好,但但这类这类模型需模型需要大量的田要大量的田间试验观测间试验观测和取和取样样分析来确定模型参数分析来确定模型参数,大面大面积应积应用用难难度很大。因此度很大。因此,在在专业专业服服务务中中,仍然需仍然需要要综综合使用各种模型；在水稻、小麦遥感估合使用各种模型；在水稻、小麦遥感估产产，方，方法已比法已比较较成熟，并仍在成熟，并仍在发发展；棉花遥感正在被广泛展；棉花遥感正在被广泛的研究，而在其他作物估的研究，而在其他作物估产产方面方面还还需需进进一步一步扩扩展；展；农业农业遥感与信息技遥感与信息技术术的基的基础础研究、研究、应应用研究和成果用研究和成果转转化之化之间间有很大的脱有很大的脱节现节现象；象；发发展展3S3S三位一体的估三位一体的估产产方法成方法成为为今后估今后估产产的的趋势趋势。2727.