高分辨率对地观测系统视角下的农业生产监测.pdf

第2 5卷第3 期2023年6 月黄冈职业技术学院学报Journal of Huanggang PolytechnicVol.25 No.3Jun.2023高分辨率对地观测系统视角下的农业生产监测杨龙（三门峡职业技术学院建筑工程学院，河南三门峡47 2 0 0 0）摘要：作为农业大国，我国在耕地保有量和粮食生产方面均有着可观的成绩，但是，在农业生产科学管理方面，老旧的统计与管理办法已经不能适应新世纪农业现代化生产管理，通过高分遥感技术对农作物生长、耕地面积、土地情等进行监测管理已经成为当今国际上公认的最有效的土地监测手段。通过高分一号和高分六号卫星遥感影像在农业生产中的应用，介绍我国高分辨率对地观测系统在现代农业生产监测方面体现出的高效性、可行性和优越性。关键词：高分辨率；遥感影像；农业生产；遥感技术；监测管理中图分类号：TP79D0l:10.3969/j.issn.1672-1047.2023.03.29我国作为世界人口大国，稳定、健康的农业生产和发展是国家经济发展的基础。随着近年来国内产业变化、人口变化、全球气候变化等因素的影响，农业生产管理和监测手段必须付诸于现代化技术。在上个世纪我国农业生产和监测方面所需的遥感信息主要依靠国外，如Landsat-1、SPO T 等遥感卫星提供的遥感数据。大范围农业遥感监测采用低分辨率NOAAAVHRR以及国产风云气象卫星的遥感数据。直到1999年10 月14日中巴地球资源卫星0 1星（CBERS-1）在太原卫星发射中心成功升空，标志着我国自主获取地表资源国有遥感卫星数据时代的开启，摆脱了国外地表资源遥感卫星数据资源的垄断。由于我国利用卫星遥感数据进行农业管理、监测起步较晚，高分系列卫星部署完成前我们在卫星遥感数据的获取和处理方面相较于国际领先水平还存在一定的差距，主要表现在：第一，遥感卫星影像资源获取比较匮乏，获取的遥感影像比较单一，很难应用于系统性的问题分析；第二，卫星遥感影像精度不够，较低的分辨率对于小区域精细化、清晰化识别和监测略显不足；第三，时间分辨率较低，对于同一区域进行回访的周期较长，对于农作物生长中的各个阶段或者突发性自然灾害等很难及时进行跟踪，对于农业健康发展较难给出指导性意见。齐虎春认为将卫星遥感技术应用于农业生产管理还有一定的差距，其研究费用高、理论基础研究和应用推广脱节严重。1高分系列卫星优势2013年4月2 6 日高分一号卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，同年12 月3 0 日投入使用，标志着我国遥感卫星影像正式迈入了高分辨率梯队。其搭载的分辨率为2 米的全色相机、分辨率为8 米的多光谱相机以及分辨率为16 米的4台多光谱相机能够提供高精度融合影像。万丛，梁治华等利用高分一号宽幅影收稿日期：2 0 2 3-0 3-16作者简介：杨龙，男，陕西宝鸡人，讲师。研究方向：遥感。124文献标志码：A地质量现状间。在高分二号将空间分辨率提高至0.8 米的亚米级后，2 0 18 年6 月2 日高分六号在酒泉卫星发射中心成功发射，这颗被称为“农业卫星”的低轨道高分辨率遥感卫星让中国成功身于世界农业监测管理领域的前列。与高分一号相比，高分六号有以下特点。第一，首次携带了红边波段的传感器，尤其是红2波段的增加很好地提高了数据精度，通过与此前4个波段的数据相比较发现，增加红2 波段后数据精度能提高3.1%3.4%，而没有与红2 波段组合的数据精度仅提高0.0%0.6%。此外，高分六号的绝对定标精度高于7%，相对定标精度高于3%。由此可见，高分六号更加适合农作物的观测与成像，新增的谱段对于农作物的识别更加精准，对于农作物不同生长周期的影像捕捉更加及时，进而系统分析形成农业生产管理的指导性意见。第二，高分六号所携带的分辨率为2 米的全色相机、分辨率为8 米的多光谱相机单次观测覆盖宽度超过了9 0 千米，而分辨率为16 米的多光谱相机单次观测宽度则超过了9 0 0 千米，这样极大地提高了影像获取效率，减少人为控制相机侧摆的频次。第三，时间分辨率提高，由于高分六号属于低轨道光学卫星，相较于高分一号，其对于同一观测区域的重访周期由原来的4天减少为2 天，根据2 0 2 0 年全国范围内各省高分六号WFV影像数据覆盖统计（见表1）来看，全年平均影像覆盖次数为7.3 次，影像覆盖的最大和最小次数分别是9.4次和3.0 次。当然，文章编号：16 7 2-10 47（2 0 2 3）0 3-0 12 4-0 3像数据对河南省某地冬小麦种植面积及范围进行了信息提取3 。付青，郭晨等利用高分一号2 0 13 年至2017年江西省南昌市遥感影像提取了不同时期土地使用情况，分析了土地利用率的变化特征。李志刚，许强等利用高分一号影像对延安市顾屯流域的土地盐碱化进行了定量监测，得出了较为准确和直观的土第3 期由于各地不同时间的云覆盖情况不同，表1中各月的影像覆盖频次是采用各地的平均晴空次数推算的，但也能反映出高分六号的影像获取能力了。表1基于2 0 2 0 年高分六号WFV影像的月覆盖频次统计覆盖频次月平最多的省/区年月均省/区频次名称名称2020年1月7.2宁夏8.52020年2 月新疆7.610.12020年3 月7.9黑龙江10.62020年4月9.1内蒙古12.42020年5月3.6黑龙江6.2广东0.92020年6 月3.3黑龙江6.52020年7 月7.3新疆10.62020年8 月8.2新疆10.72020年9 月8.4内蒙古10.32020年10 月9.0新疆12.32020年11月7.8新疆11.62020年12 月7.7新疆10.8年平均频次7.3新疆9.42高分遥感影像在农业中的应用目前，我国高分辨率对地观测系统中各星已完成部署，得益于丰富、及时、准确的国产高分影像，现代化的农业生产监测和管理正在快速发展和进行中，为保证我国粮食生产安全提供了有力的技术支撑。将高分辨率对地观测系统遥感影像应用于农业生产监测中主要包括基本农田保护监测、农作物种植面积监测、农作物长势与估产监测、土地情监测、农作物病虫害及自然灾害监测、农险承保等方面的监测。2.1基本农田保护监测基本农田数字化管理基于数字化管理理念，以基本农田“建一块、管一块、用一块”为指导，建设基本农田信息本底数据库，开发基本农田信息管理、质量监测评价及工程信息化管理系统，为多层级的业务人员提供数据上报更新、业务统计分析、质量监测评价及工程进展分析等具有针对性的信息服务，为农业局主管领导提供信息展示服务及辅助决策信息。农业农村部在2 0 2 2 年中国农业农村发展趋势报告中指出我国当前耕地保有量约为19.2 亿亩，而10 年前第二次全国土地调查结果显示耕地保有量约为2 0.3亿亩，10 年时间耕地减少约1.13 亿亩。加之我国当下生态环境问题尚未解决，人口集中化、城镇化发展还在继续，保证耕地面积基本红线势在必行。所以，借助高分一号和高分六号影像，可以及时、准确地掌握国家适时耕地面积，相较于原来人工统计、层层汇报的模式更加高效，同时，相关管理部门对于非法破坏或改变耕地性质等行为也能及时发现并治理（如图1）。高分辨率对地观测系统视角下的农业生产监测覆盖频次最少的省/区省/区频次湖南2.2江西1.6江西2.4湖南3.3广西1.4云南0.9海南4.4四川2.9重庆3.1重庆2.6台湾3.0贵州3.0第2 5卷吉2016年图1某地2 0 16-2 0 17 年耕地使用变化2.2农作物种植面积监测根据农作物物候特征，利用多时相高分遥感数据，提取区域主要农作物（如冬小麦、玉米、油菜）播种面积、设施农业类型与面积，从而有效地提高农田调查效率，支撑农田环境监测。受环境、气候、社会需求、灾害等多种因素影响，基本耕地范围内各种农作物的种植面积在不同的物候期内会发生一些变化，这些变化不利于国家针对粮食安全的宏观管控，相关部门需要及时掌握当季各类农作物精准的种植面积，进而做出应对可能影响国内粮食结构安全问题的措施。在上个世纪，我国各类农作物种植面积的统计主要靠下级单位的汇报或者往年的经验，这样的数据具有一定的滞后性，甚至失真，即使后来可以利用国外遥感影像和国内低分辨率遥感影像，都无法做到短时间内精准测算各地区、各类农作物的种植面积。现在高分六号最快2 天的重访周期、2 米的全色分辨率以及红边谱段传感器可以实现当季各类作物的精准、实时种植面积，为粮食结构安全保驾护航。2.3农作物病虫害及自然灾害监测影响农作物亩产的因素除了上述土地情外，还有农作物病虫害及自然灾害，后者可大幅降低农作物产量，甚至绝收。在上世纪40 年代和6 0 年代，我国经历了较为严重的饥荒，其中一个原因就是农作物病虫害和自然灾害，导致粮食欠收或绝收。当病虫害或自然灾害发生时，作为农业生产管理者必须及时掌握受灾的耕地面积和受灾程度，进而做出合理、高效的补救措施。高分一号和高分六号卫星均属于高分辨率卫星，且重访周期短，可以在短时间内对受灾地区进行覆盖扫描，经数据提取和分析后形成直观的受灾分布图和分析报告。冯琳，陈圣波等利用高分一号遥感影像对某地玉米涝灾进行了及时监测和分析，精准地提取到受灾范围，并按受灾程度进行划分，为后续的粮食产量统计及灾情救助提供了及时准确的技术数据支撑2.4农作物长势与估产监测遥感估产是建立农作物光谱与产量之间联系的一种技术，通过光谱来获取作物的生长信息7。由于不同作物、不同生长时期光谱的反率不同，特别是叶1252017年第3 期高分辨率对地观测系统视角下的农业生产监测第2 5卷绿素的光谱反率最为敏感，利用高分六号携带的高分辨率相机以及红波谱段传感器可以对作物的苗情、生长状况及其变化开展宏观监测，通过遥感图像获取作物的 NDVI（No r ma l i z e d d i f f e r e n c e v e g e t a t i o n i n d e x)曲线反演计算作物的叶面积指数LAI（L e a f a r e aindex)，进行作物长势监测。近年来受国内社会发展因素影响，我国耕地面积在持续降低，在保障国家耕地面积基本红线的基础上，尽可能地提高农作物亩产量，满足粮食年产出计划及需求，就需要摆脱“靠天吃饭”的固有思想。利用高分遥感影像可以解译出当地实时的农作物生长趋势，在结合实地踏勘情况和以往作物生长资料，反演推算当季农作物产量，刘佳利用2 0 18 年9 月2 3 日高分六号多光普相机数据对河北廊坊玉米产量进行反演估算，准确率达到了9 3%。2.5土地情监测受大气环流、洋流、太阳耀斑等非规律环境因素影响，各地的周期性降水量会出现不同的变化，受其影响最直接的便是土地含水量（土地摘情），而土地摘情直接影响到农作物的生产和产量，所以，及时掌握当地土地情变化可以对农作物产量进行研判，对于受土地情影响而减少产量的可以提前采取人工降雨、浇灌等措施，将土地情变化对农作物产量的影响降至最低。在高分系列卫星升空之前，我国遥感影像资源比较匮乏，且分辨率不高、时效性不强，无法做到土地摘情的及时掌握，现在可以充分利用高分系列遥感影像资源对农业生产进行实时监控，做到未雨绸缪。杨丹阳等利用高分一号多光普相机影像对豹邂野外试验场进行土地湿度分析后得知对高分遥感影像进行自动提取算法准确率高达9 0%以上。2.6农险承保监测农业生产中受不可预计的环境因素影响较大，投入愈大，风险愈高，为此政府部门鼓励农民为农作物购买保险，以规避自然灾害等带来的巨大损失。在整个保险理赔的过程中，由于农业灾害发生往往较突然，覆盖面积广、涉及到的农户多，导致现场定损较慢，理赔周期长。利用高分辨率对地观测遥感影像可以及时掌握受灾区域、灾情等级、受灾面积等准确信息，实现以遥感技术（RS）为核心，以地理信息系统（G I S）为平台，以全球定位系统（GPS）为辅助，打造“天空地”一体化保险立体服务体系的农业保险精细化管理。同时，高分遥感影像围绕承保、定损、理赔的作业流程，形成一套遥感辅助于农业保险的精细化管理模式，主要包括辅助农业保险“按图承保”、辅助农业保险勘查定损、辅助农业保险“按图理赔”以及农业保险综合服务平台四个环节。3农业高分遥感应用的不足与展望伴随着2 0 19 年11月“高分七号”顺利升空，我126国高分辨率对地观测系统正式部署完成，该系统将对包括农业在内的多个行业生产模式带来革命性的改变。但是，截止目前高分系统在农业方面的应用还存在一些不足，主要包括：（1）由于大多数地方在进行农业统计监测的时候仍然采用原有模式，较少利用高分遥感影像进行分析，缺少专业人员和平台对高分影像进行及时处理；（2）由于农户作为个体农业生产者在其耕地种植和管理过程中主要依靠经验，对于高分影像等方面知识的认知不足；（3）虽然在国家军民融合的背景下，高分系列卫星遥感原始影像对下都是免费的，但在影像处理和分析过程中需要专业技术人员或单位进行操作，间接地增加了下级单位使用高分遥感影像的成本。4结语随着传感器、物联网、大数据、人工智能等技术的发展，以及现代农业发展的需求，农业遥感技术的研究与应用将进一步深入发展。鉴于高分系统遥感影像高空间、高光谱和高时间分辨率的特点，利用高分辨率遥感影像对现代农业生产管理进行监测势在必行。相信在不久的将来就可以实现从粗放农业管理到精准农业管理的转变，切实将高分遥感影像应用于现代化绿色农业生产中，满足政府相关部门、单位和农户的需求。参考文献：1江东,王乃斌,杨小唤.我国粮食作物卫星遥感估产的研究.自然杂志,19 9 9(6):3 51-3 55.2齐虎春.遥感信息技术在农业中的应用.现代农业,2 0 10(6):110-111.3万丛,梁治华,张锦水.基于高分一号宽幅时序影像的冬小麦分布识别研究.安徽农业科学,2 0 2 0,48(2 3):2 56-2 59.4付青,郭晨,罗文浪.基于高分一号卫星遥感影像的土地利用变化检测.激光与光电子学进展,2 0 2 0,57(16)：3 56-3 6 3.5李志刚,许强,赵宽耀,等.基于高分一号卫星影像的延安市顾屯流域耕地盐渍化定量反演.科学技术与工程,2021,21(13):5228-5235.6冯琳,陈圣波,韩冰冰.基于多时相高分一号影像的玉米涝灾监测.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(10):3 8 6 8-3 8 7 3.7刘歆.遥感技术在农业中的应用与发展.科技创新导报,2 0 11(2 7):144-145.8刘佳,王利民,滕飞,等.高分六号卫星在农业资源遥感监测中的典型应用.卫星应用,2 0 2 0(12):18-2 5.9杨丹阳,严颂华,杨永立,等.基于多时相高分一号影像的土壤湿度反演J.科学技术与工程,2 0 2 1,2 1(11):4540-4549.10陈仲新,任建强,唐华俊,等.农业遥感研究应用进展与展望.遥感学报,2 0 16,2 0(5):7 48-7 6 7.责任编辑:程俊