農業遙感研究進展及其展望范文

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0引言

中國農業遙感經歷了20世紀70年代的引進學習階段，80～90年代中期的技術攻關階段，90年代后期～2010年監測應用階段以及2010年至今全面深化研究與應用階段。40余年來，國內農業遙感科學家緊密結合農業生產的實際需求，不斷攻克技術難關，使得農業遙感技術研究和應用從深度和廣度上都得到長足發展，取得眾多成果。筆者旨在回顧農業遙感研究的百年發展歷程，分析農業遙感發展不同階段的特點，歸納總結一批近年來國內農業遙感研究取得的成就及重要成果、重要人物以及農業遙感發展的國際前沿情況，展望未來發展前景和趨勢。

1回顧農業遙感研究的發展歷程

現代遙感技術可以從1915年世界上第一臺航空攝影相機的出現作為開始。第二次世界大戰期間，彩色攝影、紅外攝影、雷達技術、多光譜攝影、掃描技術，以及運載工具和判讀成圖設備等被廣泛應用于軍事目標探測，隨后逐步擴展應用到測繪、土地、林業和農業等領域。20世紀中期，隨著無線電電子技術、光學技術、計算機技術和信息技術的發展，遙感技術迅速發展。遙感器的搭載平臺從飛機發展為衛星、宇宙飛船和航天飛機等，遙感從航空攝影技術為主的遙感進入到衛星遙感時代。遙感譜段從可見光發展到紅外、微波，遙感信息的記錄和傳輸從膠片成像、圖像直接傳送發展到非圖像的無線傳輸，探測地物的能力和應用范圍得到了極大地拓展。遙感技術的不斷發展為其在農業上的應用奠定了強大基礎。作為遙感科學的重要分支，農業遙感伴隨著遙感技術的發展而發展。農業遙感指利用裝載在航天、航空及地面等不同遙感平臺上的傳感器，獲取農業對象目標的電磁波波譜信號，利用計算機、地理學、農學等多學科的理論和技術方法，揭示農業地物、生態環境和生產過程的數量、屬性及其時空變化特征。1972年，美國成功發射第一顆陸地資源衛星對農業遙感發展意義重大，為農業遙感應用提供了持續穩定的遙感數據源。1974年，美國開始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（LACIE），隨后開展的AgRISTARS計劃成為美國農業遙感監測的業務系統，不但服務于美國國內農業的實際生產，同時也開展了全球糧食生產信息監測。1988年，歐盟利用遙感技術建立了農業遙感監測系統MARS，監測歐盟成員國農業生產情況，核查補貼發放。MARS系統的監測范圍后來擴展到全球主要農業區，監測信息服務于歐盟的農業對外援助與國際合作。20世紀90年代開始，很多國家或國際組織紛紛建立農業遙感監測業務系統，服務農業生產管理、防災減災、糧食安全以及國際合作。2011年，20國集團（G20）成員發起全球農業監測計劃（GeoGLAM），整合多個國家與國際組織的區域以及全球農業遙感監測系統，通過數據與信息共享，實現對全球農業的遙感監測。這一階段的主要發展特點是利用遙感技術監測農業生產信息，監測范圍從單個國家、局部區域不斷擴展到全球范圍。近10年來，隨著各類高空間、時間、光譜分辨率民用衛星的出現，定量遙感技術的進一步發展，農業遙感與地理信息系統、全球導航技術及物聯網等技術不斷融合，遙感在農業領域的應用廣度和深度不斷擴展，在農業資源調查、生物產量估計、農業災害監測等方面發揮了重要作用。農業遙感發展特點從獲取傳統的總產、面積、單產三要素向更多監測要素深入，如土壤濕度、作物健康、作物品質、物候、病蟲害等。在農業遙感應用的學科領域，也從傳統的資源、環境向植保、農學等方向擴展，農業遙感正逐步成為農業科學的基礎關鍵技術。

2中國農業遙感研究取得的成就及重要成果

2.1農情遙感領域

從20世紀90年代開始，國內農業遙感研究優勢單位圍繞“農作物空間信息獲取—信息分析—信息應用與服務”的主線，創建了適合于農作物遙感監測的理論、方法和技術體系。中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所建立的國家農作物遙感監測系統（CHARMS）穩定運行超過10年，成為國際地球觀測組織（GEO）向全球推廣的農業遙感監測系統之一。中國科學院遙感應用研究所建立的全球農情遙感速報系統（CropWatch）在全球尺度提供農情遙感監測信息。中國氣象局研制了氣象衛星農業遙感估產信息的提取、加工和處理技術，開創了國內以應用氣象衛星為主的大面積遙感綜合估產的先例。這期間，先后涌現出了孫九林、童慶禧、李小文、唐華俊、郭德友、吳炳方、顧行發、李召良、王長耀、周清波、毛留喜等一批農情遙感領域的著名專家。總的來說，取得的創新性突破為：（1）創建了多源多尺度農情遙感監測技術體系。突破了國內獨特復雜種植條件下農作物精細識別、農作物長勢和土壤墑情多源遙感協同監測、產量多模型估測等技術瓶頸；建立了業務化運行的全國農作物種植面積、長勢、土壤墑情及產量的遙感監測。（2）創建了天（遙感）地（地面）網（無線傳感網）一體化的農情信息獲取技術。解決了以往基于單一遙感信息的農作物監測數據時空不連續的關鍵難點，大范圍農田信息獲取成本較傳統人工地面采集方式節約了90%以上；發展了多源遙感數據組網、空間尺度轉換、海量農業遙感數據處理技術，大大提高了國內農情信息快速、高效、經濟獲取的能力。（3）研制了面向農作物遙感監測的光譜響應診斷技術，研發了全面覆蓋農作物和農田環境參數的定量反演算法和模型。作物生化參數高光譜反演的研究，開辟了無損條件下獲取田間農作物品質及養分等診斷信息的新途徑；研發了作物物候期、葉面積指數、光合有效輻射等關鍵參數的遙感定量反演算法和模型，提高了區域農作物和農田環境參數遙感反演精度。

2.2農業災害遙感領域

21世紀以來，中國農業自然災害發生頻率加快、范圍加大、危害加重。及時、準確獲取多尺度農業旱澇災害信息成為農業主管部門的迫切需求。中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所緊扣“理論創新—技術突破—應用服務”的研究主線，創建了國內首個精度高、尺度大和周期短的國家農業旱澇災害遙感監測系統。中國科學院遙感應用所建立了主要農作物病蟲害遙感監測系統，開展了業務化運行。這些農業災害遙感監測系統廣泛應用于農業部、國家防汛抗旱總指揮部、中國氣象局和國家減災中心等部門的全國農業防災減災工作。先后涌現出了陳述彭、徐冠華、徐希孺、周成虎、唐華俊、李召良、黃詩峰、趙春江、黃文江、黃敬峰等一批農業災害遙感領域做出突出貢獻的專家。取得的創新性突破為：（1）創新了面向農業旱澇災害遙感監測的理論體系。構建了以地表蒸散發參數為核心的農業干旱遙感定量反演理論和農業干旱參數遙感反演的空間尺度效應解析理論體系，實現了全國尺度地表蒸散發等干旱核心參數的全遙感反演。提出農業洪澇災害全過程數值解析理論，精確解析了農業洪澇災害發生的全過程及其對作物生長過程的影響機理，奠定洪澇災害作物災損定量評估的理論基礎。（2）突破了農業旱澇災害遙感監測精度低、時效差的技術難題，實現了高精度、短周期和多尺度的農業旱澇災害遙感監測信息服務與決策支持。建立了“星—機—地”多平臺一體化的農業災害信息快速獲取技術，實現不同尺度旱澇災情信息獲取時間縮短到24h以內。創建了多模型整合的土壤墑情監測技術，建立了全波段和主被動遙感協同的微波全天候水體識別技術，實現區域洪澇災害監測保證率90%以上。研制了面向作物全生育期的旱澇災害損失遙感評估技術，實現了針對不同農作物和發育期的受損面積和受損程度快速評估。實現了信息采集、數據處理、災情解析、災損評估和信息等農業旱澇災害遙感監測規范化和流程化。（3）建立了全國尺度作物病蟲害遙感監測和預測系統。明確了小麥、水稻、玉米等主要作物病蟲害光譜特征和敏感波段，實現了不同病蟲害脅迫類型及病蟲害脅迫與養分、水分等脅迫的區分；建立了“作物病蟲害遙感監測與預測系統”，實現了作物長勢及生境參量反演、病蟲害發生發展狀況的高效遙感監測與預測。

2.3農業資源環境遙感領域

先后搭建了農業環境要素監測網絡，形成了耕地、草原、漁業等農業資源遙感監測業務體系，突破了信息提取、參數反演、模型構建和精度檢驗等一系列技術難題。取得的重要成果包括：（1）中國1∶100000比例尺耕地資源現狀遙感監測數據庫及基于國產高分數據的作物一張圖數據。以遙感影像為主要數據源，經過多年的積累建立了從20世紀80年代末期開始，每5年一期的覆蓋全國陸地區域的多時相1∶100000比例尺土地利用現狀數據庫。其中的耕地資源包括熟耕地、新開荒地、休閑地、輪歇地、草田輪作物地，種植農作物為主的農果、農桑、農林用地，及耕種3年以上的灘地和海涂等。近年來，攻克了基于國產高分衛星數據的冬小麥自動識別的技術瓶頸，獲得了全國第一張16m空間分辨率冬小麥種植區空間分布圖。葉嘉安、楊士中、劉紀遠、劉明亮、張增祥、莊大方等在耕地資源遙感監測領域貢獻突出。（2）創建了草原產草量、草畜平衡狀況遙感監測的新方法和模型庫，實現了全國天然草原產草量的動態定量監測。提出了像元尺度閾值參數和判定準則，實現了對中國牧區和半牧區268個縣（旗）草畜平衡的每年定期監測和優化管理，建成了高效穩定的草原植被遙感監測業務化信息系統，實現了中國草原植被快速遙感監測、草畜平衡動態評估和草原資源數字化的高效管理。李博、史培軍、李建龍、方精云、辛曉平、徐斌、陶偉國等科學家在中國北方草地資源遙感監測及草畜平衡評估遙感監測方面貢獻突出。（3）構建了水產養殖遙感監測及漁場漁情分析預報業務化應用體系。遙感在漁場漁情信息服務、水產養殖規劃及評估、漁業資源管理、漁船監控與管理等方面形成特色，開發了一系列具有自主知識產權的海洋漁業應用軟件系統（北太平洋魷魚漁場漁情預測系統、大洋金槍魚漁場漁情分析速預報系統等），能為國內遠洋主要作業漁場提供海洋遙感環境參數信息、歷史作業漁場查詢和漁場預報等信息。潘德爐、陳雪忠、陳新軍、程家驊等在漁業遙感領域貢獻突出。

3農業遙感研究發展的國際前沿

3.1農業定量遙感農業定量遙感是農業遙感的理論基礎。過去由于數據和技術的限制，遙感和農業遙感的定量化程度不高，以類型判別（如作物遙感識別與分類、土地利用與覆蓋變化遙感監測）或指數分析占主導，限制了遙感技術在農業科研與生產上發揮更大作用。近年來由于傳感器技術不斷提升，越來越多高質量的遙感數據獲取成為可能，如高光譜遙感、多角度遙感、微波遙感、熱紅外遙感、激光雷達遙感等，同時定量遙感理論也不斷進步，遙感反演模型精度不斷提高，遙感獲取參數種類也不斷增加。特別是人工智能與數據同化技術的發展，也為農業定量遙感技術發展提供了新的生長點。

3.2無人機遙感農業由于較強的季節性、地域性特征，對遙感數據的時效要求較高。衛星遙感數據受天氣、軌道周期、分辨率等的影響，往往很難及時獲取滿足監測條件的高質量衛星遙感數據，無人機航空遙感正在成為農業遙感數據獲取的重要組成部分，目前國內外無人機遙感呈現爆發式發展，在農田地塊邊界和作物面積等農情遙感，在農業災害的動態連續監測及農業災后快速評估方面，在土壤污染、農業設施、漁場漁情資源調查方面正發揮其獨特的優勢。

3.3作物表型遙感作物表型遙感是近年來農業遙感技術與作物遺傳育種學科交叉產生的新興研究領域。在作物遺傳育種作物表型傳統研究中一般采用人工取樣，費時費力，且對樣品具有損傷。近年來農業遙感傳感技術與數據處理技術的發展，可以使用搭載在近地平臺或低空遙感平臺的遙感器快速準確獲取與分析作物表型參數、測試環境參數，大大提高了效率。作物表型遙感是農業遙感的研究熱點，具有旺盛的生命力和良好的發展前景。

4未來發展前景與趨勢

“十三五”及未來10年，隨著“高分辨率對地觀測系統”重大專項的進一步深入實施以及國家空間基礎設施建設的推進，中國將擁有更多的國產衛星。隨著傳感器、物聯網、互聯網+、大數據、人工智能等技術的發展，以及現代農業發展的需求，國內農業遙感技術的研究與應用將進一步深入發展。

4.1天空地一體化的農業遙感大數據獲取目前天空地協同觀測對農業資源環境監測應用的滿足度還不高，衛星和傳感器參數設計沒有充分體現農業特有需求。關鍵作物生長期與關鍵農事管理節點需要微波遙感全天候遙感觀測數據的獲取；土壤定量遙感、作物品種與品質監測、病蟲害遙感監測等需要高光譜遙感數據；作物生理與生長狀態監測需要熒光遙感、偏振遙感等新型遙感器應用；天空地多源觀測數據的融合與同化理論和技術方法需要加強。

4.2人工智能與大數據等的信息智能提取和挖掘技術應用無論是土地利用類型、作物種類的分類識別，還是作物生長狀態和環境要素的定量遙感，都是非常復雜的認知過程。由于遙感數據本身波段間的相關性，遙感器設計波段的有限性，以及地物同物異譜、異物同譜的光譜復雜性，遙感信息提取和智能挖掘具有病態問題，存在很多不確定性。人工智能與大數據技術的發展，為農業資源環境信息反演、提取與應用提供了嶄新的技術途徑。

4.3農業遙感的應用范圍和應用領域的拓寬遙感觀測與導航定位、互聯網、物聯網、大數據等技術的融合，與農學領域的其他學科交叉結合，可以從方法學上推動自身學科發展，同時跨學科應用也將拓展應用領域。需要進一步建立天空地一體化的農業管理系統，推進天空地協同遙感觀測在精準/智慧農業、作物育種表型、農業保險監測與評估、農業綠色發展、農業政策效果評估等方面的應用深度發展。

作者：唐華俊 單位：中國農業科學院