遥感技术在精准农业中的应用与对策

摘 要：阐述了精准种植农业的含义、技术体系、我国发展精准种植农业的意义及优势，遥感技术及其应用等，并提出了精准种植农业发展的对策建议。

关键词：遥感技术 精准农业

现代化农业在信息技术和现代工程、高新技术的推动下，迎来数字化农业新阶段。20世纪，RS(遥感技术)，GPS(全球卫星定位系统)，GIS(地理信息系统)在农业资源调查、监测与利用，土地资源与土地利用研究，作物估产与长势监测，农业灾害监测、预报及应急反应，农业环境监测与管理诸多方面的应用，推动了农业现代化的发展。近年来，以“3s”集成技术、农业智能化、自动控制系统与工程装备为主要内容，广泛运用现代信息技术参与管理的一种先进农业体系，即“精准农业”(Precision Agriculture)出现并迅速发展。专家称此为2l世纪农业的重要发展方向。

遥感技术是一种远距离、在不直接接触目标物体情况下,通过接受目标物体反射或辐射的电磁波,探测地物波谱信息,并获取目标地物的光谱数据与图像,从而实现对地物的定位、定性或定量描述[1] 。现代遥感技术应用于农业生产已经有20多年的历史,该技术在作物认别、面积计算、作物长势监测、灾害评估和产量估计等方面取得了重大成绩[2]。

一、精准农业概述

精准农业（Precision Agricultural，也称精细农业、精确农业）精准种植农业是由信息技术支持，根据空间变异实况定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其基本涵义是根据作物生长的土壤、性状，调节对作物的投入。即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。[3-5]精准农业技术是一门多学科的综合性技术，它涉及遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机网络技术、自动化技术等高技术[6]。是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，包含遥感技术在内的3S技术（全球定位系统（GPS）、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)）是它的一个重要组成部分。按不同农业生产对象可分为精准种植、精准养殖、精准加工等。其具体实施过程包括：利用卫星定位系统对采集的农田信息进行空间定位；利用遥感技术获取农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息；利用地理信息系统建立农田管理、自然条件（如土壤、地形、地貌、水分条件等）、作物产量的空间分布等的空间数据库[7]；对作物苗情、病虫害、墒情的发生发展趋势进行分析模拟，为分析农田内自然条件、资源有效利用状况、作物产量的时空差异性和实施调控提供处方信息；在获取上述信息的基础上，利用作物生产管理辅助决策支持系统对生产过程进行调控，合理地进行施肥、灌溉、施药和除草等，以达到对田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的产量[8]。实行精准农业可在减少投入的情况下，增加（或维持）产量、提高品质、降低成本、节约资源、减少污染和保护生态，因此，它具有明显的经济与环境效益。

二、遥感技术在精准农业中的应用

1.农业遥感的兴起

遥感( 英文缩写为RS) , 顾名思义就是遥远地感知。遥感作为一门综合技术是美国学者E. L. Pruitt在1960 年提出来的。为了比较全面地描述这种技术和方法, E. L. Pruitt 把遥感定义为“ 以摄影方式或以非摄影方式获得被探测目标的图像或数据的技术”[9]。

我国的农业遥感起步于20 世纪80 年代初，通过遥感技术可以客观、准确、及时地提供作物生态环境和作物生长的各种信息。遥感可实时记录农作物覆盖面积数据, 通过这些数据可以对农作物分类, 并在此基础上可以估算出每种作物的播种面积。利用遥感技术在作物生长不同阶段进行观测, 获得不同时间序列的图像。农田管理者可以通过遥感提供的信息, 及时发现作物生长中出现的问题, 采取针对性措施进行田间管理。还可以根据不同时间序列的遥感图像, 了解不同生长阶段中作物的长势, 提前预测作物产量。利用遥感技术可以对土壤侵蚀面积、土壤盐碱化面积、主要分布区域以及土地盐碱化变化趋势进行监测。也可以对土壤水和其他作物生态环境进行监测, 这些信息有助于田间管理者采取相应的措施。利用遥感技术可以监测与定量评估作物受灾程度, 对作物损失进行评估, 然后针对具体受灾情况, 进行补种、浇水、施肥或排水等抗灾措施。遥感技术已成为精确农业获取田间数据的重要来源[10] 。

2.遥感技术在精准农业中的应用

遥感技术是精准种植农业技术体系中获得田间数据的重要来源。它可以提供大量的田间时空变化信息。近年来，遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图像信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。遥感获得的时间序列图像，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在不同时间采集的图像，可用于确定作物长势和条件的变化。目前，世界上约有超过40颗以上卫星可为农业遥感提供服务。大部分这类卫星采集的全色图像，空间分辨率可达1m~3m，甚至更低；多光谱图像分辨率预计可达3m~15m，扫视区6km~30km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本低很多，卫星遥感技术将在精准农业体系中扮演重要角色。遥感技术在精准农业上的应用主要有以下几个方面。

2.1精准农业中的作物长势监测。主要利用红外波段和近红外波段遥感信息，通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感，及时提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况，供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据，需要反复利用航空遥感或利用多个卫星建立全球数据采集网。[11]

2.2对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行分析和估算。比如可以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参数，就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的生物和农学参数的反演。这可以用来研究植物生态系统过程，如光合作用，碳、氮循环等，也可以用来对生态系统进行描述和模拟。

2.3研究作物的光谱特征、农学遥感机理，将其应用于遥感估产，做到对农作物生长势的动态监测，病虫害的早期诊断和产量的早期预报。如用于农业自然灾害(水、旱、火、虫、病等)的遥感实时动态监测和损失评估，主要农作物的长势、播种面积的监测和产量预报以及草地估产、草畜平衡估算，进行农业自然资源与环境的动态监测与评估，进行全国耕地变化的遥感动态监测。

3.问题与展望

目前，遥感技术真正成功用于精准农业管理中的例子还不多，特别在我国更是如此。究其原因，主要有以下三个方面。

3.1现有农业遥感数据的空间分辨率不高。TM资料的空间分辨率为30m，Spot资料的空间分辨率20m,这与精准农业要求测定每一植株生长状况相差甚远,因此必须提高遥感资料的空间分辨率。现在，美国已经发射了空间分辨率为1m的卫星（EOSAM）,并开始提供其资料；俄罗斯通过和平号、联盟号空间站，获得了大量2m和0.5m分辨率的像片。

3.2现有遥感数据的光谱分辨率不高。大多数遥感资料的光谱分辨率在10nm左右，很难区别生长期相同、外形相差不大、品质相近的混作作物，这给精准农业的实施带来一定的困难，发展高光谱遥感是遥感技术应用于精准农业的必由之路。高光谱遥感数据可以很好地描述作物的“红边”特性（红边位置、红边斜率、“红移”、“蓝移”）区分作物叶片生化成分、含量及其变化[12]，还可以用来减弱土壤对作物光谱的影响。通过分析高光谱植被指数与农作物特征的关系，可以选定表征农作物特征的特定波段，农作物或植被具有一些明显的、独特的吸收特征。

3.3现行光谱反演模型不完善。农业遥感图像数据的精确解译和应用是建立在光谱反演基础上的，有关的遥感信息模型很多，但这些模型一般是建立在线性和非线性拟合的基础上，与实际情况并不完全一致，有一定的局限性!如何发展更好的光谱反演模型，还有待于进一步研究。

此外，在我国实施精准农业还有其它诸多因素限制，如我国的土地、土壤及水文资料不够全，耕地地形起伏大，地块小，多种作物间作或套作；高投入也是制约我国精准农业发展的另一个因素。

三、精准种植农业发展的对策建议

精准种植农业是发达国家在大规模经营及农业机械化水平较高条件下发展形成的新的农业技术体系，必须要在借鉴外国先进经验的同时，结合我国各地农业和农村的特点，因地制宜，分类指导，重点突破，并制定正确的精准农业发展策略。

1.进一步研究遥感信息定量、定性、定位一体化快速遥感技术, 有效地完善农业资源的时间、空间异质分布及定量化。随着高光谱技术进入航天阶段以及传感器的进步、对地观测专业小卫星的发展。遥感技术必将成为推进我国数字农业( Digital Agriculture) 和精准农业、生态农业的重要支撑。

2.国家要注重精准农业理论与宏观研究，政府职能部门要根据农村实际情况，制定精准农业发展规划。在农业规模化生产及机械化程度较高的地区，要率先搞好精准农业技术应用的发展规划；对于经济较发达、城市化程度较高、农村劳动力有序转移，最有可能实现规模经营的地区，加快推进合理的土地流转机制步伐，引导农户发展适度规模经营，在精准农业试验、示范基础上逐步推广精准农业技术；对于那些经济较为落后、经营规模难以扩大的地区应积极探索新的精准农业形式，可只采用集成技术的某一组分形式(如田间产量分布图)等，在现实可行条件下采取适当措施实施精细调控。以县或乡为单位，研究建立适合当地农业生产条件的信息系统，分区指导当地农业生产和管理，逐步建立适合小规模分散经营体制下的精准农业信息化管理模式。

3.引进技术，进行试验、示范。精准农业作为信息技术在农业领域的应用，其技术核心不仅涵盖了可以直接提高农业生产水平的耕作、灌溉、施肥、管理和收获等技术，而且包含了肥料、信息等相关技术。精准农业必须在技术的集成上做文章，重点引进一批数字化农业先进技术，并进行试验、示范，最大限度地发挥精准农业的精、准、新特点，带动精准农业的全面发展。

4.农业科技工作者应积极开展攻关协作，有关部门应给予政策和资金支持。在学习借鉴国外先进经验的同时。开发具有自主知识产权的智能化精准农业机械设备，在智能化、本地化的同时，缩小在精准农业这一前沿科技领域与发达国家的差距，占领竞争制高点。探索出可以降低我国广大农村地区迈向精准农业门槛的途径。由于精准农业系统是涉及现代信息技术、生物技术、工程装备技术等多学科交叉的综合复杂系统，在实施精准农业过程中，各级农业、农机等科研及推广机构间应开展广泛的、多层次、多形式的协作，各级财政、科技、计划部门应在资金、立项等方面给予必要的支持。

5.大力加强精准农业人才的培养，建立行之有效的农民素质培训提高体系。美国、英国、加拿大等发达国家已开设了有关精准农业的专业、课程或专题技术培训班。农业院校要根据实际情况逐渐开设精准农业专业或课程。同时积极吸引出国留学人员回国，并派送更多的人员出国留学、交流合作，学习国外最先进的精准农业技术。农民的文化程度、接受新知识能力对发展精准农业具有巨大的促进或阻碍作用，提高农民素质工作显得尤为迫切。除了现有农村教育培训渠道外，应积极探索新的培训形式。现阶段，围绕发展精准农业，针对广大农民，应从农业信息网络应用入手，引导和提高农民的农业信息技术水平。农业信息网络迅速发展，农民通过网络可以获得大景信息，可以随时上网求得一流专家的帮助并获得各种有效培训，信息网络还可以使农民获得信息分析和专家预测避免因主观臆测导致的生产周期性波动。[13]

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[13]吕新．精准农业概论[M]．乌鲁木齐：新疆人民出版社.2002．