基于卫星图像数据的水稻预测模型实现高效灌溉，稳定全球市场

2016-08-25唐甜

军民两用技术与产品 2016年11期

2007年底，全球粮食价格急剧上涨，到2008年，多种主要粮食的价格上涨至原来的两倍甚至三倍，一些发展中国家出现了严重的粮食危机，并由此引发多个国家发生民众抗议和骚乱。一些发达国家出现了抢购大米等食物的风潮，粮食危机有向世界蔓延之势。部分产粮大国也出现了恐慌，为控制这种情况，其停止了食品的出口。这又进一步加重了全球粮食危机，动荡和饥饿不断蔓延。

此次粮食危机发生后，世界各国领导人召开了多次研讨会，旨在为未来进行粮食产量预测并避免相应的粮食危机情况发生寻求出路。其中，地球观测组织发起了全球农业监测计划（GEOGLAM）。该计划主要利用卫星获得的地球图像数据，更好地对粮食产量和天气情况进行预测。20国集团（G20）成员联合参与了该项计划。然而，基于原始卫星数据进行预测并不是一项简单的工作，需要将这些数据转换成有用的信息。位于新罕布什尔州纽马克特市的应用地理信息解决方案（Applied GeoSolutions）公司长期致力于地球成像卫星数据应用的研究。该公司目前正在开展水稻方面的研究，因为水稻是世界上最难以预测的粮食种类，所以，该项研究对于粮食的预测可能会产生重要的影响。

研究人员称，目前世界上有玉米、大豆、小麦和牛肉期货市场，但不存在水稻期货市场。这是因为交易人员没有可供水稻期货交易参考的可靠的信息或产量预测结果。这使得水稻市场极易发生波动，导致投资者、生产者和消费者都面临较大的风险。例如，如果泰国或其他东南亚国家出现严重干旱，全世界就可能会有成千上万的人挨饿。

与此同时，美国目前两个主要的水稻产区的部分地区也出现了水资源短缺的问题。例如，加利福尼亚州的萨克拉曼多谷拥有近50万英亩稻田，而现在干旱已成为该地区的新常态。阿肯色州东部约有150万英亩稻田，但大草原城等地区的蓄水层几乎都已被抽干。解决上述问题的方案之一就是使用卫星数据有效地规划用水。

美国地球资源系列卫星（Landsat）是美国地球图像数据的主要来源。该系列卫星自1972年起陆续发射。其中，“大地”（Terra）和“水”（Aqua）卫星搭载了中分辨率成像光谱仪（MODIS）。虽然卫星制造和发射是由美国国家航空航天局（NASA）负责，但卫星入轨后的运行和管理由美国地质调查局负责。

美国地球资源8号卫星发射于2013年，每16天绕地球一圈，可在9个可见、近红外和短波红外波段，以及2个热红外波段获取地球图像。由于热信息能够反映地球表面、植被，以及低层大气中的湿度和温度情况，所以，其对于了解农作物所面临的环境威胁，辅助进行粮食产量预测具有非常重要的作用。此外，卫星上搭载的MODIS每隔1～2天即可在36个可见光和红外波段对地球表面进行一次全面的成像，监测作物生长的阶段性变化、作物对天气变化的反应，并为农业灌溉和耕作等农事活动提供依据。

除湿度和温度监测外，卫星成像系统还能探测到水稻等农作物的绿度指数、生物活力，以及叶片的含水量，此外，其还可监测地表水的深度等，这些信息对于评估作物健康状况和预测作物产量是非常有用的。采用卫星图像评估技术，应用地理信息解决方案公司能够以比传统的实地考察低得多的成本对大面积的农作物的产量进行评估。

应用地理信息解决方案公司与NASA进行了洽谈，计划设计一种基于网络的软件，利用来自地球资源系列卫星，MODIS和其它卫星现有的数据和历史数据，结合对稻田的监测、产量模型，以及天气预报等信息，实时获取关于全球水稻种植面积、生长阶段、异常情况和预期产量等信息，并评估这些信息的统计可靠性，以管控风险。

2012年，NASA斯坦尼斯航天中心授予应用地理信息解决方案公司第一阶段和第二阶段小企业创新研究（SBIR）计划合同，目的是开发水稻决策支持系统（RDSS）。该系统能够反映和水稻相关的信息，包括水稻期货交易策略、稻田的灌溉计划，产量风险存在的地点和时间、买卖和持有的最佳时间等（该系统于2014年初开始投入使用）。

在美国，应用地理信息解决方案公司的数据来源主要是地球资源系列卫星和MODIS；而在东南亚，该公司主要利用由政府和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提供的合成孔径雷达（SAR）卫星数据。2015年，该公司除了继续使用欧空局（ESA）的相控阵L波段SAR卫星和加拿大雷达-2卫星外，还增加了对ESA的地球成像哨兵平台的利用。

不同的成像系统具有不同的分辨率，运行在电磁光谱的不同波段，RDSS能够将所有这些信息集成起来，提供一张包含完整地面信息情况的图像。目前，RDSS已在爪哇、印尼、越南红河三角洲和巴西等地开展了试点试验。试验结果表明，该系统的应用增加了水稻产量，并验证了可持续作物管理方式的有效性。在阿肯色州和加利福尼亚州，应用地理信息解决方案公司与农民、农业机构等建立了合作关系，帮助他们制定种植计划、管理资源，尤其是制定灌溉计划。而在巴西，该系统能够帮助农场选择合适的灌溉方式。

研究显示，未来，随着资源压力日益加大、气候的变化、人口的增长、人类饮食结构的变化，以及经济的发展，农业面临着越来越严峻的挑战。过去，全球水稻产量很难预测，因为世界上绝大多数的水稻产区通常是多云天气，不利于传统卫星成像。而SAR成像技术能够透过云层探测植被构成和含水量，从而解决了这一问题。

应用地理信息解决方案公司开发的RDSS系统目前正在为GEOGLAM计划提供支撑，可向生产者、购买者和投资者提供对于水稻生产的全面信息和产量分析预测服务。RDSS系统还能够为美国国际开发局的饥荒早期预警系统等项目提供参考信息。NASA总部地球科学部水资源应用科学项目的项目经理布兰德利·多尔恩说：“GEOGLAM计划使得很多国家和地区能够更好地对粮食产量进行评估，适时作出正确的投资和买入粮食的决策，避免灾难。此外，利用应用地理信息解决方案公司开发的RDSS系统提供的可靠信息，农民可以预测粮食价格，并选择最佳的时机出售手中的粮食。这有利于维护公平的市场环境。”

在美国，水资源管理是RDSS系统的主要应用领域之一。在加利福尼亚州北部，大多数稻田在播种之前需要大水漫灌，也就是通常所说的湿播种植方式，但随着水资源的持续减少，对水资源的保护越来越重要。利用卫星图像，应用地理信息解决方案公司能够确定灌溉时间及用水量，以及湿播种植的必要性。如果可以使用干法播种，且水稻的产量不会大量减少，农民就可以将灌溉的成本和产量的损失抵消。而利用RDSS系统，可以预测能够实施干法播种的地区，也可以预测出水稻的产量。

在阿肯色州，应用地理信息解决方案公司正在帮助农民实施一种被称为“干-湿交替灌溉”的节水方法。利用RDSS系统，可以综合天气、土壤湿度，以及农作物状态等信息优化灌溉时间和方式。此外，利用历史数据、天气预测和对土壤湿度的测量，该公司能够精确地为农民提供需要的灌溉水量等信息。目前，已有约50个农场与应用地理信息解决方案公司开展了合作。该公司可利用安装在农场中的湿度传感器来校正卫星成像数据。他们希望将干-湿交替灌溉等技术在地球上的其它地方进行推广应用。

应用地理信息解决方案公司还为美国农业部的国家农业统计服务局提供信息，帮助他们实时进行数据统计。

在美国，在作物进入生长期前的6周，该公司对于水稻种植面积预测的准确度可达90%～95%，而对其它国家的水稻种植面积的预测准确度约为85%～90%。2015年，该公司计划免费提供一些基本预测数据，同时为付费用户提供更详细的信息。

对于NASA来说，其卫星数据实现了真正的应用，而不仅仅是用于基础研究。这些数据不仅可用于水稻的预测，还可以用于其它商品的预测，其应用潜力是无限的。

随着NASA土壤湿度主被动探测卫星（SMAP）和全球降水测量核心观测平台的升空，更多的卫星成像仪器的应用，卫星图像及其它数据的应用领域将进一步拓展，而NASA为这一应用拓展提供了机遇和帮助。

（唐甜）

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