摘要:遙感技術具有覆蓋面積大、重訪周期短、獲取成本相對低等優勢，對大面積露天農業生產的調查、評價、監測和管理具有獨特的作用。從20世紀70年代出現民用資源衛星后，農業成為遙感技術最先投入應用和收益顯著的領域。特別是隨著高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數據的出現，農業遙感技術在長時間序列作物長勢動態監測、農作物種類細分、田間精細農業信息獲取等關鍵技術方面得到了突破。但是農業生產的分散性、時空變異性等特點，對當前農業遙感技術的應用還存在諸多挑戰。本文簡要回顧了農業遙感發展歷程以及其應用的理論基礎;再從農作物估產、農業資源調查、農業災害監測和精準農業管理4個領域闡述了國內外相關研究和應用情況。最后提出農業遙感應加強與地面農業觀測網技術的結合，推動新一代低空無人機遙感平臺的發展，強化多源傳感器融合以及農業過程模型與遙感數據同化的研究。

　　關鍵詞:遙感農作物估產無人機農業災害土壤調查

　　引言

　　農業生產是在地球表面露天進行的有生命的社會生產活動。它具有生產分散性、時空變異性、災害突發性等人們用常規技術難以掌握與控制的基本特點，這是農業生產長期來處于被動地位的原因［1］。現代遙感技術是應用各類主被動探測儀器，不與探測目標相接觸，從衛星、飛機等平臺來記錄地面目標物的電磁波特性，通過分析，揭示物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。由于遙感技術具有獲取信息量大、多平臺和多分辨率(時間和空間)、快速、覆蓋面積大的優勢，是及時掌握農業資源、作物長勢、農業災害等信息的最佳手段，對改變或部分改變農業生產的被動局面具有特殊的作用。從20世紀70年代開始，美國和歐洲國家就采用衛星遙感技術建立大范圍的農作物面積監測和估產系統，不但服務于農業實際生產指導，同時為全球糧食貿易提供了重要的信息來源。20世紀90年代，農業遙感的重點轉入作物管理［2］，農業資源調查、農業災害遙感等方面的應用得到了拓展。近10年，特別是各類高空間分辨率民用衛星的出現，遙感與地理信息系統、全球導航技術以及最新物聯網技術發展相結合在精準農業的管理與作業等方面得到了應用與推廣。

　　1農業遙感概述

　　1.1農業遙感技術的發展

　　遙感技術是在現代物理學、空間科學、電子計算機技術、數學方法和地球科學理論的基礎上發展起來的一門新興的、綜合性的交叉學科，是一門先進的、實用的探測技術［3］。遙感技術從20世紀初的航空攝影技術為主到20世紀60年代進入到衛星遙感時代，已發展了多種不同平臺不同方式的傳感器，遙感探測地物的能力(包括地物的性質和大小)和應用范圍得到了極大的拓展。

　　農業是遙感最先投入應用和收益顯著的領域。據美國數據統計，農業遙感的收益占衛星遙感應用總收益的70%［4］。目前，遙感技術在農業資源調查、生物產量估計、農業災害預測和評估等方面得到了廣泛的應用。特別是近年來，各國先后發射了各類民用衛星平臺和傳感器，從光學資源衛星為主向高光譜、高空間、高時間分辨率的方向發展。高光譜成像儀技術相繼取得了很大的研究進展，如美國NASA和日本METI聯合研制的ASTEＲ，美國NASA研制的Hyperion等。2008年，我國也發射了環境一號衛星，該衛星上搭載了一個有115個波段的高光譜成像儀HSI，其數據可應用于農業災害和資源調查。同時，諸如QuickBird、GeoEye-1、WorldView-2、Pléiades-1等商用化亞米級光學衛星，可與航片媲美，且成本低，精度高，更新周期短，對精確農業的發展是一個極大的機遇。另外，美國地球觀測系統的中分辨率成像光譜儀(MODIS)，從可見光、近紅外到熱紅外設置有36個通道，覆蓋周期為1～2d，并業務化提供標準的植被指數、地表溫度、生物量等數據產品，為全球各地進行大面積農作物的周期性監測提供了重要的數據支撐。目前，不斷有各類新型的遙感數據或遙感平臺的出現，如米級分辨率的雷達衛星數據，每3d覆蓋全球一次的微波遙感數據，各種靈活多樣的無人機平臺等，都為現代農業遙感技術的發展提供了新的機遇。

　　1.2農業遙感的理論基礎

　　電磁波作用下，會在某些特定波段形成反應物質成分和結構信息的光譜吸收與反射特征，這種對不同波段光譜的響應特性通常稱為光譜特性。地球表面各類地物如土壤、植被、水體、巖石、積雪等光譜特性的差異是衛星遙感解譯和監測的理論基礎。

　　農業遙感監測主要以作物、土壤為對象，這兩類地物的典型反射光譜曲線如圖1所示。作物在可見光-近紅外光譜波段中，反射率主要受到作物色素、細胞結構和含水率的影響，特別是在可見光紅光波842農業機械學報2015年段有很強的吸收波段，在近紅外波段有很強的反射特性，這是植被所特有的光譜特性，可以被用來進行作物長勢、作物品質、作物病蟲害等方面的監測。土壤可見-近紅外光譜總體反射率相對較低，在可見光譜波段主要受到土壤有機質、氧化鐵等賦色成分的影響。因此，土壤、作物等地物所固有的反射光譜特性是農業遙感的理論基礎。

　　2遙感技術在農業中的應用

　　2.1作物遙感估產

　　2.1.1作物面積遙感監測技術

　　大規模的作物面積遙感調查最早始于1974年美國實施的“大面積作物估產實驗”，即LACIE計劃，主要是利用LandsatMSS影像來估測小麥種植面積。我國從20世紀80年代中期，在國家經委的支持下，以國家氣象局為主組織開展了北方11省市冬小麥的NOAA/AVHＲＲ衛星遙感估產研究，建立了遙感影像面積測算方法。20世紀90年代，中國科學院等單位采用Landsat/TM和NOAA/AVHＲＲ影像數據對我國主要糧食作物小麥、水稻、玉米的種植面積進行監測，其中小麥在河北、山東、河南、北京和天津進行，水稻在湖北和江蘇進行，玉米在吉林進行，小麥的估算精度達90%，水稻和玉米達85%以上［5－7］。浙江大學采用Landsat/TM和NOAA/AVHＲＲ進行了浙江省、縣、鄉三級的水稻種植面積遙感調查，與統計數據相比，面積精度達到95%以上［8］。2002年以后，隨著美國MODIS遙感數據產品的出現，大面積作物遙感調查開始采用長時間序列遙感數據進行面積的提取。如Wardlow等基于MODIS數據對美國中部大平原主要作物類型(紫花苜蓿、夏季作物、冬小麥)和主要夏季作物(玉米、高粱、大豆)進行分類和面積提取，二者的整體分類精度分別達到94%和84%［9］。Xiao等利用MODIS數據提取中國南方13個省的水稻種植面積，估算精度達89%［10］。另外，針對多云多雨區作物生長期間高質量遙感數據難以獲取的情況，全天候的微波遙感在農作物種植面積監測中得到了廣泛應用。如Jiao等利用ＲADAＲSAT-2極化細束(FQ)影像，對加拿大安大略東北部地區5種主要作物(小麥、燕麥、大豆、油菜籽和牧草作物)進行了分類和面積提取，整體精度高達95%［11］。

　　2.1.2作物長勢動態監測技術

　　作物長勢即作物的生長狀況和趨勢，這直接影響到作物最后的產量和品質。作物長勢監測在為農業生產提供宏觀管理依據的同時，也是農作物產量估測的重要資料。作物長勢監測的方法主要有:直接監測法、同期對比法和作物生長過程監測法。

　　2.2農業資源遙感調查

　　2.2.1耕地資源調查

　　耕地是農業生產的基本保障，耕地面積和質量的變化對糧食安全和生態環境都有十分重要的影響。特別是在中國，人均耕地還不到世界人均耕地面積的一半，為此必須對全國耕地實行嚴格的保護制度。由于遙感監測覆蓋面積廣、重訪周期短等優勢，使其成為我國當前耕地資源監測的重要手段。

　　2.2.2土壤遙感調查

　　(1)土壤關鍵屬性調查早期的土壤遙感調查主要集中在土壤類型遙感制圖，即利用遙感圖像對土壤類型、組合進行人工目視解譯和勾繪。其方法是依據土壤發生學原理、土被形成和分異規律，對遙感圖像特征(包括色調、紋理和圖型結構)或解譯標志以及地面實況調查資料，進行地學相關分析，直接或間接確定土壤單元或組合界線。現在土壤遙感調查主要集中在土壤關鍵理化特性的調查與制圖，特別是土壤水分的遙感監測。

　　(2)土壤侵蝕退化與障礙性土壤調查

　　遙感技術很早就應用于土壤侵蝕、退化調查與監測，主要有2種途徑:①利用圖像的顏色、色調、形狀、紋理、陰影等信息和背景輔助數據，加上野外實地調查，直接建立土壤侵蝕與退化的遙感解譯標志或機助分類閾值，制作解譯結果圖，傳統遙感調查方式多數采用此方式。②利用土壤侵蝕退化的評價模型，如美國的通用流失方程(USLE)。即先采用遙感資料來獲取全部或部分參數數據，然后計算土壤侵蝕量。目前遙感技術主要用于提取降雨侵蝕Ｒ、植被覆蓋管理C和土壤保持工程措施P3個因子。如卜兆宏等多年來利用遙感技術和地面輔助數據進行土壤USLE模型的計算，已經在江西、山東、福建等地大量應用，與地面水文站監測流域年流失總量相比，精度達到90%以上［54］。另外，如Al-Abed利用SPOT衛星數據計算USLE模型中的C值和P值，然后結合降雨、土壤和DEM數據獲得了敘利亞沿地中海地區的年土壤侵蝕量［55］;Kumar等利用遙感與改進的USLE模型進行印度喜馬拉雅地區的土壤侵蝕研究，其采用TＲMM衛星數據來計算降雨侵蝕因子Ｒ，TM數據來計算植被覆蓋管理C［56］。

　　3農業遙感技術新的發展趨勢

　　3.1新一代農業無人機技術應用

　　無人機(Unmannedaerialvehicle，UAV)作為一種由動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的新型遙感平臺，具有優于其他遙感平臺的靈活性、實時性、移動性等特點。特別是隨著可見-近紅外航空成像光譜儀、航空CCD數字相機的小型化，使得隨時獲取厘米級空間分辨率的可見-近紅外圖像成為可能，所以無人機遙感系統目前在環保、農業、救災等應用領域得到了迅速的拓展。

　　3.2農業地面傳感網與遙感技術相結合

　　目前，基于有線和無線傳感器的各類地基觀測技術和組網建設逐步發展和完善，為衛星遙感的地表參量反演、模型同化和耦合、精度驗證等工作提供了重要的真實性信息。在農業領域，基于現代物聯網技術的農業地面傳感網在智能溫室與大田精準作業管理方面得到了快速應用。特別是各類自動采集作物葉面到冠層、土壤表層到剖面理化信息，以及農田氣溫、濕度、光照等環境信息的傳感器不斷出現，加上無線傳輸網和智能控制系統，使得農田信息地面采集的便捷性、精確性、時效性得到了顯著的提高。

　　4結束語

　　農業是遙感最早應用和效益顯著的領域，從20世紀70年代美國實施LACIE計劃以來，農業遙感技術已得到長足的發展和廣泛的應用。特別是隨著新一代高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數據的不斷出現，使得農業遙感技術的監測對象、監測精度、監測的業務化流程等方面得到了更大的突破。我國農業現在正處在由傳統農業向現代農業發展的轉型期，實施農田流轉和規模化經營給遙感技術帶來了新的機遇。及時總結國內外農業遙感發展歷程和遙感技術發展新趨勢，結合現代農業發展的新契機，將進一步明確農業遙感技術的發展前景和應用潛力。我國農業遙感技術與發達國家之間還有一定差距，大力發展農業遙感新技術、擴展遙感新應用，借鑒當前最新理論研究成果應用于實踐，必將對我國農業現代化產生巨大作用。

　　參考文獻

　　1王人潮，史舟，王珂，等．農業信息科學與農業信息技術［M］．北京:中國農業出版社，2003．

　　2MoranMS，InoueY，BarnesEM．Opportunitiesandlimitationsforimage-basedremotesensinginprecisioncropmanagement［J］．ＲemoteSensingofEnvironment，1997，61(3):319－346．

　　3胡著智，王慧麟，陳欽巒．遙感技術與地學應用［M］．南京:南京大學出社，1999:1－5．

　　4王人潮，蔣亨顯，王珂，等．論中國農業遙感與信息技術發展倡議［J］．科技通報，1999，15(1):1－7．WangＲenchao，JiangHengxian，WangKe，etal．OnthedevelopmentaltacticofagriculturalremotesensingandinformationsystemofChina［J］．BulletinofScienceandTechnology，1999，15(1):1－7．(inChinese)

　　5夏德深，李華．國外災害遙感應用研究現狀［J］．國土資源遙感，1996，29(3):1－8．XiaDeshen，LiHua．Thestatusquoofremotesensingapplicationfornaturaldisasterinsomecountries［J］．ＲemoteSensingforLand＆Ｒesources，1996，29(3):1－8．(inChinese)

　　作者史舟1梁宗正1楊媛媛1郭燕2

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