南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

孫亞榮 李旭 郭英濤

摘 要 結(jié)合遙感技術(shù)在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展動(dòng)態(tài)，從南疆所具有的地理特點(diǎn)、氣候特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀、農(nóng)業(yè)遙感分類、存在的問題及應(yīng)用前景做了初步的分析與介紹，為南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)從傳統(tǒng)模式向產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化模式轉(zhuǎn)型升級(jí)研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 南疆地區(qū)；農(nóng)業(yè)遙感；發(fā)展動(dòng)態(tài)

中圖分類號(hào)：S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.19.023

新疆因其獨(dú)特的地理?xiàng)l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(qiáng)烈、熱量充足，有利于花和果進(jìn)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(guó)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(guó)優(yōu)質(zhì)棉花（長(zhǎng)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(dòng)中，應(yīng)用遙感技術(shù)，并對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)間分辨率、多極化、多角度的方向快速發(fā)展。遙感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到利用來自不同的傳感器和平臺(tái)對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)。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(shù)通過透射、反射和吸收的差異電磁波確定和區(qū)分對(duì)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(dǎo)致遙感大數(shù)據(jù)體積大、復(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)的概念

遙感技術(shù)是一種從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)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(shù)。早期在進(jìn)行遙感圖像解譯的時(shí)候，通常是依靠目視判讀的方法，隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，解譯方法得到了迅速的發(fā)展。一種使用計(jì)算機(jī)對(duì)原始衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)、圖像變化等一系列的預(yù)處理，然后通過相應(yīng)的遙感處理軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理，最終通過專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解譯，直接對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)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(shù)泛指一切從遠(yuǎn)距離進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，包括對(duì)電磁場(chǎng)、機(jī)械波（聲波、地震波）等的探測(cè)技術(shù)。從狹義上說，遙感技術(shù)是指從遠(yuǎn)處探測(cè)感知物體的物理屬性，也就是不直接接觸物體，從遠(yuǎn)處通過探測(cè)儀器接收來自目標(biāo)地物的電磁波信息，經(jīng)過對(duì)信息的處理，判別出目標(biāo)地物的物理屬性。

2? 遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用分類及特點(diǎn)

在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)下，遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用主要分為3類：衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、高光譜遙感。

2.1? 衛(wèi)星遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

衛(wèi)星遙感具有觀測(cè)范圍大、效率高、獲取方式簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的主要方式[12]。遙感數(shù)據(jù)通常用于通過提供有關(guān)光合作用、物候、干擾、恢復(fù)和人為干預(yù)的真實(shí)信息來檢索植被狀態(tài)的變化。這些信息對(duì)于確定作物生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量至關(guān)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(dòng)中的應(yīng)用集中在農(nóng)田空間信息提取、農(nóng)情監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物分類、農(nóng)作物估產(chǎn)及農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(jì)算出一些植被指數(shù)，從而進(jìn)行作物監(jiān)測(cè)及產(chǎn)量估算和預(yù)測(cè)，這對(duì)于那些負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的組織來說是至關(guān)重要的。衛(wèi)星遙感在1960年代隨著Explorer、TIROS（電視紅外觀測(cè)衛(wèi)星）系列、Corona及后來的Landsat任務(wù)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(dòng)遙感）或衛(wèi)星本身（主動(dòng)遙感）的電磁輻射啟動(dòng)。入射輻射在與地球表面相互作用時(shí)被反射、吸收和傳輸，然后衛(wèi)星傳感器測(cè)量這些反射輻射，其中包含衛(wèi)星在經(jīng)過某個(gè)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(zhǎng)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(gè)地面數(shù)據(jù)可能僅包含衛(wèi)星傳感器對(duì)特定波長(zhǎng)/頻率的測(cè)量敏感度，因此，在使用衛(wèi)星遙感對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)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(cè)量還受到與傳感器配置相關(guān)的空間、時(shí)間、光譜和輻射分辨率的影響。

2.2? 無人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

無人機(jī)遙感具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、操作簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)勢(shì)，而且受天氣、云層覆蓋限制小，飛行高度及飛行時(shí)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(shí)空分辨率的影像數(shù)據(jù)，有效地彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和地面遙感中存在的一些缺陷，能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的需求[14]?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，無人機(jī)遙感近年來在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，無人機(jī)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(guó)際上基于微型無人機(jī)的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)包括無人機(jī)遙感平臺(tái)的開發(fā)、信息采集技術(shù)、圖像處理、分析應(yīng)用等。在遙感信息獲取系統(tǒng)中，由于微型無人機(jī)的承載能力有限，數(shù)碼相機(jī)和輕型多光譜相機(jī)是微型無人機(jī)進(jìn)行遙感信息獲取的2個(gè)主要儀器。如何快速準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)載遙感傳感器高度，使探測(cè)目標(biāo)始終處于監(jiān)控視野中心；如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、圖像和信息采集、無線傳輸?shù)仁悄壳盁o人機(jī)遙感技術(shù)的一些重點(diǎn)。目前，無人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究集中在精準(zhǔn)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(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估等4個(gè)方面。

2.3? 高光譜遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

由于高光譜遙感不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成損害，因而被廣泛用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的葉片面積。同時(shí)，高光譜遙感彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取農(nóng)作物葉面積指數(shù)時(shí)間過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，從而獲得最準(zhǔn)確、損害最小的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。高光譜傳感器是在數(shù)百個(gè)光譜帶上獲取圖像的設(shè)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(cè)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(cè)、作物產(chǎn)量估算、作物分布的精細(xì)分類。高光譜遙感技術(shù)可對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及決策提供重要技術(shù)支持，其主要應(yīng)用方向有農(nóng)田面積、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、品種識(shí)別與監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量估計(jì)[15]。

3? 遙感在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)遙感是隨著遙感技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。從目前所獲取到的資料信息來看，當(dāng)前南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)遙感的應(yīng)用研究重點(diǎn)在農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)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(duì)南疆地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)灌溉需水量空間格局進(jìn)行了研究。在土地利用分類方面，石俊[3]基于Landsat8遙感影像對(duì)第一師阿拉爾市的土地利用情況進(jìn)行了分類研究。在農(nóng)作物種植面積監(jiān)測(cè)方面，費(fèi)浩[4]等利用遙感衛(wèi)星圖像對(duì)阿拉爾市的棉花種植面積進(jìn)行了研究。阿迪力·克熱木[5]基于LANDSAT8衛(wèi)星遙感對(duì)阿拉爾市棉花種植面積進(jìn)行了研究分析。檀博軒[6]基于遙感影像對(duì)阿克蘇地區(qū)林果種植面積進(jìn)行了分類、測(cè)算，以及基于基于Landsat＿8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對(duì)新疆阿拉爾地區(qū)的紅棗種植面積進(jìn)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(shù)對(duì)新疆阿拉爾市棗園中駿棗的產(chǎn)量進(jìn)行了精確估算。吳家林[9]將遙感技術(shù)與近地傳感技術(shù)相結(jié)合以新疆南部阿拉爾墾區(qū)為研究區(qū)，綜合評(píng)估了阿拉爾市鹽漬化土壤對(duì)當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)作物棉花產(chǎn)量的影響。

在農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)方面，信會(huì)男等[10]利用遙感影像對(duì)阿克蘇地區(qū)主要農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類研究。

在耕地面積變化監(jiān)測(cè)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?cái)?shù)量的數(shù)據(jù)源，對(duì)阿克蘇地區(qū)的耕地利用狀況進(jìn)行了分析和探討。

由此可見，遙感這種監(jiān)測(cè)方式在南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用越來越頻繁。南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)因其地廣人稀的特點(diǎn)而常常受到限制，如今隨著農(nóng)業(yè)信息化和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)將會(huì)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(gè)監(jiān)測(cè)與分析手段，將為南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)，在一定程度上降低生產(chǎn)成本、節(jié)約勞動(dòng)力，進(jìn)一步促進(jìn)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(yīng)用中存在的問題

當(dāng)前，南疆地區(qū)雖然已經(jīng)有了很多遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，但是全鏈條監(jiān)測(cè)技術(shù)仍存在諸多缺點(diǎn)。南疆地區(qū)各遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)行效率良莠不齊、監(jiān)測(cè)結(jié)果可比性差、相關(guān)研究人才匱乏、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

4.1? 衛(wèi)星遙感應(yīng)用中存在的問題

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

4.2? 無人機(jī)遙感應(yīng)用中存在的問題

1）體積小，易受風(fēng)影響，電池壽命短。2）導(dǎo)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(dǎo)致抓拍圖像模糊不清或重復(fù)。4）圖像校正困難。由于無人機(jī)抓拍的圖像重復(fù)、模糊不清或有斷點(diǎn)，故對(duì)影像進(jìn)行匹配、拼接、融合、分析造成了一定的困難。5）無人機(jī)裝備和使用誤差難以控制。

4.3? 高光譜遙感應(yīng)用中存在的問題

1）高光譜儀器的使用方式會(huì)導(dǎo)致空間分辨率的相對(duì)降低。2）多光譜波段會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，需要進(jìn)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(chǔ)設(shè)施資源的浪費(fèi)，而且能從全疆乃至全國(guó)層面形成不同尺度和方面互補(bǔ)的農(nóng)情監(jiān)測(cè)信息，從而能提高這些遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)的運(yùn)行效率、提升農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性與可靠性。

5? 遙感在南疆農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景

國(guó)家科技部將“GIS、GPS和RS綜合應(yīng)用研究”列為國(guó)家科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。截至目前，遙感信息技術(shù)已連續(xù)在7個(gè)“五年規(guī)劃”中被列為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，這就體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)遙感技術(shù)的重視。由此可見，農(nóng)業(yè)遙感將有效地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，使我國(guó)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)狀態(tài)之間是間接關(guān)系），所以一直未能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用農(nóng)業(yè)遙感可以融合統(tǒng)計(jì)的、確定的、半經(jīng)驗(yàn)的各種類型的作物模型，進(jìn)而描述研究農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jī)器視覺等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)將與之進(jìn)行融合發(fā)展。結(jié)合農(nóng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)展。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）