南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)遙感應用現(xiàn)狀及展望

孫亞榮，李 旭，郭英濤

（塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾 843300）

新疆因其獨特的地理條件和氣候條件，成為一些優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地。南疆地區(qū)夏季光照強烈、熱量充足，有利于花和果進行著色，是新疆紅色系列優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品（各種棗類、枸杞、紅富士、石榴等）的主要產(chǎn)地。南疆地區(qū)晝夜溫差大，有利于瓜果及糖料作物糖分的積累和沉淀，有著全國最甜的瓜果。南疆地區(qū)夏季干燥的氣候和穩(wěn)定的灌溉水源，使新疆成為我國優(yōu)質(zhì)棉花（長絨棉）的重要生產(chǎn)基地。而南疆地區(qū)地廣人稀，加之農(nóng)作物都是大面積種植，故在南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，應用遙感技術，并對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)測研究具有極其重要的意義。

目前，航空航天遙感正向高空間分辨率、高時間分辨率、多極化、多角度的方向快速發(fā)展。遙感技術已經(jīng)發(fā)展到利用來自不同的傳感器和平臺對地球進行觀測。遙感傳感器主要用于成像和非成像寬帶多光譜或窄帶高光譜數(shù)據(jù)采集。地球上的物體不斷地傳輸、反射和吸收電磁波。原則上，遙感技術通過透射、反射和吸收的差異電磁波確定和區(qū)分對象。遙感通常在可見光（0.4～0.7 μm）、紅外（0.7～15 μm）波段上和微波（0.75～100 μm）電磁光譜上有效。它因具有地理空間分布的所有因素和數(shù)據(jù)采集頻率而導致遙感大數(shù)據(jù)體積大、復雜度高。典型的農(nóng)業(yè)遙感傳感器包括NIR（近紅外）（0.4～1.5 μm）傳感器、SWIR（短波長紅外）（1.5～3 μm）傳感器、TI（熱紅外）（3～15 μm）傳感器、微波傳感器等。其中：NIR（近紅外）（0.4～1.5 μm）傳感器廣泛用于植物植被的研究，SWIR（短波長紅外）（1.5～3 μm）傳感器用于植物濕度研究，TI（熱紅外）（3～15 μm）傳感器用于農(nóng)田表面或農(nóng)作物冠層溫度研究，微波傳感器用于土壤水分研究。

1 遙感技術的概念

遙感技術是一種從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、紅外線等獲取地物幾何和物理性質(zhì)的技術。早期在進行遙感圖像解譯的時候，通常是依靠目視判讀的方法，隨著計算機和通信技術的飛速發(fā)展，解譯方法得到了迅速的發(fā)展。一種使用計算機對原始衛(wèi)星遙感影像進行輻射校正、幾何校正、圖像增強、圖像變化等一系列的預處理，然后通過相應的遙感處理軟件對結果進行進一步處理，最終通過專業(yè)技術人員的經(jīng)驗進行解譯，直接對解譯結果進行處理，生成具有處理特征的遙感影像[1]。

從廣義上說，遙感技術泛指一切從遠距離進行探測的技術，包括對電磁場、機械波（聲波、地震波）等的探測技術。從狹義上說，遙感技術是指從遠處探測感知物體的物理屬性，也就是不直接接觸物體，從遠處通過探測儀器接收來自目標地物的電磁波信息，經(jīng)過對信息的處理，判別出目標地物的物理屬性。

2 遙感在農(nóng)業(yè)中的應用分類及特點

在當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及科學技術飛速發(fā)展的形勢下，遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的應用主要分為3 類：衛(wèi)星遙感、無人機遙感、高光譜遙感。

2.1 衛(wèi)星遙感在農(nóng)業(yè)中的應用

衛(wèi)星遙感具有觀測范圍大、效率高、獲取方式簡便等優(yōu)勢，逐漸成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中進行遠程監(jiān)測的主要方式[12]。遙感數(shù)據(jù)通常用于通過提供有關光合作用、物候、干擾、恢復和人為干預的真實信息來檢索植被狀態(tài)的變化。這些信息對于確定作物生長狀況和產(chǎn)量至關重要，是農(nóng)業(yè)規(guī)劃和管理的重要措施。衛(wèi)星遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的應用集中在農(nóng)田空間信息提取、農(nóng)情監(jiān)測、農(nóng)作物分類、農(nóng)作物估產(chǎn)及農(nóng)業(yè)災害監(jiān)測等方面。衛(wèi)星遙感通常使用衛(wèi)星所自帶的傳感器波段來計算出一些植被指數(shù)，從而進行作物監(jiān)測及產(chǎn)量估算和預測，這對于那些負責監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的組織來說是至關重要的。衛(wèi)星遙感在1960年代隨著Explorer、TIROS(電視紅外觀測衛(wèi)星)系列、Corona 及后來的Landsat任務等成為航空遙感的繼任者[13]。遙感工作過程是由來自太陽（被動遙感）或衛(wèi)星本身（主動遙感）的電磁輻射啟動。入射輻射在與地球表面相互作用時被反射、吸收和傳輸，然后衛(wèi)星傳感器測量這些反射輻射，其中包含衛(wèi)星在經(jīng)過某個位置期間地面上的物體所包含的信息。獲取到的地面數(shù)據(jù)包括水文循環(huán)的組成部分、植被生長過程、與水體的相互作用、地貌和地形等數(shù)據(jù)，獲取到的每個地面數(shù)據(jù)可能僅包含衛(wèi)星傳感器對特定波長/頻率的測量敏感度，因此，在使用衛(wèi)星遙感對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行監(jiān)測時必須確定適合該狀態(tài)下的的衛(wèi)星傳感器。此外，使用衛(wèi)星測量還受到與傳感器配置相關的空間、時間、光譜和輻射分辨率的影響。

2.2 無人機遙感在農(nóng)業(yè)中的應用

無人機遙感具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、操作簡便等一系列優(yōu)勢，而且受天氣、云層覆蓋限制小，飛行高度及飛行時間可人為控制，故操作比較靈活，能獲取中小尺度范圍內(nèi)的高時空分辨率的影像數(shù)據(jù)，有效地彌補了衛(wèi)星遙感和地面遙感中存在的一些缺陷，能滿足精準農(nóng)業(yè)管理的需求[14]?；谝陨蟽?yōu)勢，無人機遙感近年來在農(nóng)業(yè)領域得到了廣泛應用，成為了精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，無人機遙感為作物管理和數(shù)據(jù)采集提供了一種快速靈活的方式。國際上基于微型無人機的遙感信息獲取關鍵技術包括無人機遙感平臺的開發(fā)、信息采集技術、圖像處理、分析應用等。在遙感信息獲取系統(tǒng)中，由于微型無人機的承載能力有限，數(shù)碼相機和輕型多光譜相機是微型無人機進行遙感信息獲取的2 個主要儀器。如何快速準確調(diào)整機載遙感傳感器高度，使探測目標始終處于監(jiān)控視野中心；如何實現(xiàn)遠程控制、圖像和信息采集、無線傳輸?shù)仁悄壳盁o人機遙感技術的一些重點。目前，無人機遙感在農(nóng)業(yè)領域的應用研究集中在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物表型輔助育種、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和災害監(jiān)測評估等4個方面。

2.3 高光譜遙感在農(nóng)業(yè)中的應用

由于高光譜遙感不會對農(nóng)作物造成損害，因而被廣泛用于監(jiān)測農(nóng)作物的葉片面積。同時，高光譜遙感彌補了傳統(tǒng)遙感技術獲取農(nóng)作物葉面積指數(shù)時間過長的缺點，從而獲得最準確、損害最小的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。高光譜傳感器是在數(shù)百個光譜帶上獲取圖像的設備，能夠提取觀察到物體或材料的光譜特征。

通過高光譜的觀測和分析，可以得到更為精確的農(nóng)作物葉面積指數(shù)，形成不同的遙感反演模型。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，高光譜圖像處理用于植物病蟲害和入侵植物物種的監(jiān)測、作物產(chǎn)量估算、作物分布的精細分類。高光譜遙感技術可對農(nóng)作物生長過程進行監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及決策提供重要技術支持，其主要應用方向有農(nóng)田面積、作物長勢監(jiān)測、品種識別與監(jiān)測、產(chǎn)量估計[15]。

3 遙感在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)中的應用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)遙感是隨著遙感技術的發(fā)展而產(chǎn)生的。從目前所獲取到的資料信息來看，當前南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)遙感的應用研究重點在農(nóng)業(yè)遙感技術的創(chuàng)新和應用上。例如在節(jié)水灌溉方面，王志東等[2]基于P-M 方法和GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)對南疆地區(qū)的作物種植結構進行了分析并根據(jù)分析結果對灌溉需水量空間格局進行了研究。在土地利用分類方面，石俊[3]基于Landsat8 遙感影像對第一師阿拉爾市的土地利用情況進行了分類研究。在農(nóng)作物種植面積監(jiān)測方面，費浩[4]等利用遙感衛(wèi)星圖像對阿拉爾市的棉花種植面積進行了研究。阿迪力·克熱木[5]基于LANDSAT8 衛(wèi)星遙感對阿拉爾市棉花種植面積進行了研究分析。檀博軒[6]基于遙感影像對阿克蘇地區(qū)林果種植面積進行了分類、測算，以及基于基于Landsat＿8 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對新疆阿拉爾地區(qū)的紅棗種植面積進行了估算[7]。

在農(nóng)作物產(chǎn)量估算方面，陳仁谷[8]利用遙感同化技術對新疆阿拉爾市棗園中駿棗的產(chǎn)量進行了精確估算。吳家林[9]將遙感技術與近地傳感技術相結合以新疆南部阿拉爾墾區(qū)為研究區(qū)，綜合評估了阿拉爾市鹽漬化土壤對當?shù)刂饕?jīng)濟作物棉花產(chǎn)量的影響。

在農(nóng)作物種植結構方面，信會男等[10]利用遙感影像對阿克蘇地區(qū)主要農(nóng)作物的種植結構進行了分類研究。

在耕地面積變化監(jiān)測方面，吳楠[11]以新疆阿克蘇地區(qū)2000—2016 年的遙感影像作為耕地數(shù)量的數(shù)據(jù)源，對阿克蘇地區(qū)的耕地利用狀況進行了分析和探討。

由此可見，遙感這種監(jiān)測方式在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中應用越來越頻繁。南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動因其地廣人稀的特點而常常受到限制，如今隨著農(nóng)業(yè)信息化和農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動將會大幅度地減低生產(chǎn)難度。遙感作為農(nóng)業(yè)信息化過程中極其重要的一個監(jiān)測與分析手段，將為南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出貢獻，在一定程度上降低生產(chǎn)成本、節(jié)約勞動力，進一步促進南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

4 遙感在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)應用中存在的問題

當前，南疆地區(qū)雖然已經(jīng)有了很多遙感監(jiān)測平臺，但是全鏈條監(jiān)測技術仍存在諸多缺點。南疆地區(qū)各遙感監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)運行效率良莠不齊、監(jiān)測結果可比性差、相關研究人才匱乏、基礎設施薄弱，存在資源浪費現(xiàn)象。

4.1 衛(wèi)星遙感應用中存在的問題

1）遙感影像是二維的，會帶來幾何信息損失、像點偏移等。2）影像是瞬時的，不連續(xù)的。3）存在混合像元問題，給地面驗證帶來一定困擾。

4.2 無人機遙感應用中存在的問題

1）體積小，易受風影響，電池壽命短。2）導航系統(tǒng)和平衡控制系統(tǒng)精度差。3）航向重疊不精確、航路彎曲且無規(guī)律，導致抓拍圖像模糊不清或重復。4）圖像校正困難。由于無人機抓拍的圖像重復、模糊不清或有斷點，故對影像進行匹配、拼接、融合、分析造成了一定的困難。5）無人機裝備和使用誤差難以控制。

4.3 高光譜遙感應用中存在的問題

1）高光譜儀器的使用方式會導致空間分辨率的相對降低。2）多光譜波段會導致數(shù)據(jù)冗余，需要進行大量的降維和去噪處理，從而增加了數(shù)據(jù)處理的工作量。

農(nóng)業(yè)遙感的快速全面發(fā)展，不僅能夠減少基礎設施資源的浪費，而且能從全疆乃至全國層面形成不同尺度和方面互補的農(nóng)情監(jiān)測信息，從而能提高這些遙感監(jiān)測平臺的運行效率、提升農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測結果的精準性與可靠性。

5 遙感在南疆農(nóng)業(yè)中的應用前景

國家科技部將“GIS、GPS 和RS 綜合應用研究”列為國家科技攻關重點項目。截至目前，遙感信息技術已連續(xù)在7個“五年規(guī)劃”中被列為國家重點項目，這就體現(xiàn)了國家對遙感技術的重視。由此可見，農(nóng)業(yè)遙感將有效地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的各個環(huán)節(jié)中，使我國農(nóng)業(yè)走上智能化、信息化、產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展道路。長期以來，人們一直想使用遙感這種方法作為估算研究區(qū)域范圍內(nèi)作物產(chǎn)量的工具。但是，使用遙感信息直接估計作物產(chǎn)量存在問題（主要是由于遙感數(shù)據(jù)和作物的生長狀態(tài)之間是間接關系），所以一直未能實現(xiàn)這個目標。近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用農(nóng)業(yè)遙感可以融合統(tǒng)計的、確定的、半經(jīng)驗的各種類型的作物模型，進而描述研究農(nóng)作物生長過程中的狀況。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析、農(nóng)業(yè)人工智能及機器視覺等高新技術的不斷發(fā)展，遙感技術將與之進行融合發(fā)展。結合農(nóng)學的相關知識，遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的應用范圍將不斷擴展。