欧盟国家农业遥感应用及其启示*

刘海启，游 炯※，王 飞，周应华，李霄汉，黄 平

(1. 农业农村部耕地利用遥感重点实验室/农业农村部规划设计研究院，北京 100125； 2. 农业农村部发展规划司，北京 100125；3. 河北省农业资源区划办公室，石家庄 050057；4. 四川省农业科学院遥感应用研究所，成都 610066)

0 引言

为深入推进遥感技术、地理信息系统、全球定位系统等现代地理空间信息技术在我国农业上的应用，在农业农村部安排和国家外国专家局资助下，于2016年11月赴意大利进行了实地考察。通过对意大利安全及防卫监测研究所、意大利航天局、新技术能源局、中小企业联合会农产品集群协会、e-GEOs对地观测公司、罗马二大、都灵理工大学以及联合国粮农组织(FAO)等机构开展的为期21d专题学习研讨，详细了解了欧盟与FAO的农业遥感应用现状及其未来打算。欧盟有关共同农业政策(CAP)执行效果遥感核查、精准农业生产方式、农地权属管理系统及其应用、自然灾害应急管理、发展规划引导及项目计划资助等做法，对我国农业遥感应用和数字农业发展具有很好的借鉴意义。

1 欧盟农业遥感应用情况

欧盟(EU)高度重视遥感等空间信息技术在农业上的应用研究，并通过共同农业政策(Common Agricultural Policy，CAP)[1]在欧盟国家推广应用。早在1988年，为准确清查作物面积和预测粮食产量，欧盟农业局(EU-Ⅵ)就实施了为期10年的农业遥感研究计划，即MARS计划(Monitoring Agriculture with Remote Sensing)。通过边研究边应用的策略，逐步进入到实际业务运行状态。1993年开始应用于欧盟国家农业监测当中， 2000年开始应用于全球农业监测和粮食安全评估。随着农业遥感研究的不断深入，应用领域不断拓展，产业化程度不断提高，欧盟国家精准农业生产方式基本形成，并对发展数字农业、智慧农业拟定了研究规划。

1.1 农情遥感监测

近30年来，位于意大利的欧盟联合研究中心(Joint Research Center，JRC)MARS项目组，通过构建作物产量预测系统(MARS Crop Yield Forecasting System，MCYFS)[2]、作物长势监测系统(Crop Growth Monitoring System，CGMS)[3]、作物模拟生物物理模型(Biophysical Model Application，BioMA)[4]等农情监测方法，监测作物生长发育过程，评估天气因素影响，及时提供作物生长和产量数据。目前，主要是利用哥白尼计划(Copernicus Programme)[5]中的卫星遥感数据，制作作物长势和产量空间分布图，以便实现空间变量管理，形成精准农业生产方式。如图1所示。

图1 农作物产量预测(a)基于2008—2012时间序列的2013年欧盟软质小麦产量； (b)小区域产量空间变异

自2000年开始，欧盟联合研究中心(JRC)开展了全球农业监测和粮食安全评估工作。主要监测区域为撒哈拉以南非洲粮食短缺区域，以及世界其他粮食主产区。非洲大陆尺度农田监测效果显著[6]，主要方法是协同使用Globcover、SADC、CUI、LULC2000、GLCN Senegal等10种土地覆盖/土地利用遥测数据集(图2a)，统一分类系统后，生成了250m空间尺度的非洲大陆农田空间分布图，同时利用Geo-Wiki工具[7]在Google Earth上获取空间分辨率为1km的验证样本，对JRC的250m非洲大陆农田空间分布数据进行验证(图2b)。结果显示，JRC的方法克服了非洲农田异质性大、作物物候差异大、农田斑块空间结构复杂、干旱/半干旱区域农田与草地等地类光谱相似性强、以及因干旱或休耕等因素引起的农田年际变化大等问题。

图2 JRC 非洲大陆农田分布监测(a)10种土地覆盖/利用数据源； (b)非洲农田空间分布JRC监测精度

1.2 数字农业与精准农业

近年来，欧盟发达国家相继开展了精准农业实践。以意大利伦巴第大区为例，该大区成立的自耕农协会，在大农场中推广了精准农业项目(图3)。其方法可归纳为“5S”技术体系：用数字摄影测量系统(DPS)和全球定位系统(GPS)获取信息和准确定位，用遥感技术(RS)监测作物生长状况和空间变异信息，用地理信息系统(GIS)构建空间信息数据库，用作物专家系统(ES)提供作物生长过程模拟、投入产出分析，用装备GPS系统的智能化农机系统自动控制精准播种、变量施肥用药、以及收获等生产过程。

图3 智能化农机装备自动控制精准施肥

欧盟不同国家精准农业的发展有着明显差异。在德国、荷兰、丹麦、芬兰等国，农业机械制造商是发展精准农业的主要推动力。在意大利、法国等国，主要是政府与企业出资共同组建商业化运营公司，开展导航数据加工、基础位置服务、终端制造以及用户服务等业务。

1.3 农地综合管理

自20世纪60年代开始，欧盟以共同农业政策(CAP)方式对成员国农户进行农业补贴资助。为确保资金准确分配到农场主，欧盟开发了农业综合管理和控制系统(Integrated Administration and Control System，IACS)[8]。从1992年开始，农地综合管理纳入欧盟共同农业政策(CAP)，强制要求各成员国使用[9]。主要功能包括3个方面：(1)接收和审查农民提交的补贴申请；(2)预防、核查和控制资金发放过程； (3)快速纠错机制。

目前，欧盟一些国家在IACS系统运行的基础上，根据本国实际，不断完善信息化管理功能。例如，意大利政府委托e-GEOs公司，将地理信息与其他辅助信息相结合，逐步完善系统、增加功能，用来查询和掌握农户、家庭农场、农业企业的农地空间分布、地力等级、土地利用类型、农业补贴等详细情况。这种自主开发的地籍信息管理平台，更加注重用户的个性需求：一是提交申请的方式更为灵活。比如，农户在申报种植变化信息时，既可以个人直接申报，也可以委托当地农业机构帮助申报。二是可以互相交流。可与农户互动和交流，保证及时更新和高效运转。意大利地籍信息管理平台的用户为150万， 2017年开始强制国内所有农户使用该系统。此外，通过这类电子地籍图，还能发现一些农民应该申请补贴而没有申请的情况。政府机构借此可以查找土地所有者姓名，与农户联系补贴事宜。

1.4 遥感核查工作

为确保农业补贴正确发放，自1993年开始，欧盟倡导各成员国采用遥感手段，对农户申请补贴的地块种植情况进行核查。从2014年开始，遥感核查方法(Checks with Remote Sensing，CwRS)[10]列入CAP条款[11-12]强制应用。

CwRS方法利用遥感数据(图4)，针对地块位置、作物类型及种植面积进行核查。具体做法是： (1)利用航空遥感影像或高分辨率卫星影像，对核查区域的所有地块进行识别，判别土地利用/土地覆盖类型和作物类型； (2)数字化上图，定位空间位置； (3)面积量算； (4)与申报面积对比； (5)监控补贴资金发放的合法性。CwRS方法需要的遥感图像数据，均由欧盟联合研究中心(JRC)统一负责获取、处理和分发。

图4 多尺度遥感卫星影像地块识别效果对比

就意大利来说，承担核查任务的专业机构利用CwRS方法，每年向意大利政府提供一份核查报告，以3年为周期，完成意大利境内所有农地地块的全覆盖核查，并对农业生产信息进行数字化存储。同时，利用这些详细数据更新地籍图，达到监督农户和调控生产的目的。

图5 欧盟农业自然灾害应急制图流程

1.5 农业灾害应急制图

在欧盟哥白尼计划资助下，欧盟成员国利用卫星技术特别是雷达技术，开展了自然灾害的应急制图和评价工作。主要包括洪涝灾害、外来物种入侵、地震应急灾害制图等。意大利e-GEOs公司负责欧洲应急灾害快速制图及评价，主要用户为欧洲民防机构。当自然灾害发生时，应欧洲民防机构的要求，立即开始进行灾害应急制图，如图5所示。一般在2h以内做好准备工作； 6h以内，核对整理受灾地区已有的可用卫星数据源清单； 9—22h以内，完成灾区制图并提供产品给用户参考。产品内容主要包括参考图层、灾区边界图层、受灾等级图等。近4年来，e-GEOs公司受理了突发事件190多起，提供了2 500多份图件。

在应急制图技术方面，除了目前常规的地图基本要素标识以外，还附加有地图说明。主要以文字形式进行展示，提供详细的地图要素信息介绍、制图的遥感数据源介绍和地面数据信息介绍。最有特色的是，地图说明中详细描述了灾区的农情信息，包括灾区农用地面积、灾区作物面积变化趋势与简要原因分析等内容，如图6所示。

图6 农业自然灾害应急图件示例

总之，欧盟国家现代农业发展进入了数字化、精准化、智能化阶段[13-14]。针对现代农业需求的新型遥感传感器及应用平台不断创新，定量遥感技术对农业参数的估算精度不断提高。农业监测的空间尺度同时向宏观和微观两个方向扩展，在田间尺度上支撑精准农业操作，在区域和国家尺度上支持农业科学决策，在全球尺度上支持粮食安全和农产品贸易分析。

1.6 数字农业发展计划及其发展重点

随着工业4.0时代的到来，欧盟国家也提出了农业4.0时代的概念，并制定一系列发展计划(如欧盟“地平线2020”计划[15])。意大利农业领域专家将无人机遥感与GPS定位跟踪、GIS空间分析、专家系统(ES)等有机结合，实现对农业生产过程的实时监测。例如，利用农作物表观遗传学参量实现育种策略选择、利用电子嗅觉传感器无损测量实现葡萄最佳采摘时间判识(图7)、利用激光雷达点云数据模拟树冠曲面实现农田生物质信息估算，以及农作物病害植株判识、农作物潜在病害植株评估(图8)、农业景观格局分析与土地利用规划、特色农产品生产导致的环境污染监测和预防策略等。

图7 葡萄园电子嗅觉传感网无损测量判识最佳采摘时间

图8 基于无人机遥感影像的农作物潜在病害植株评估(a)Drone4； (b)无人机影像； (c)植株健康指数反演

根据欧盟“地平线2020”计划、意大利《农业战略规划(2014—2020)》、英国《农业技术战略》(Agri-Tech计划)[16]等科研创新框架计划，欧盟计划在2015—2020年间利用遥感技术重点发展6类农业应用[17]，包括农业补贴核查、作物配套支付核查、作物多样性监测、永久性牧场保护监管、休耕地和填闲作物监测，以及农田景观格局监测。这些农业应用主要是借助空间对地观测卫星网络如哨兵系列卫星等，实现对农业整体布局和农作物实时信息的监测和掌握。

2 对我国农业遥感应用的启示

与欧盟国家相比，我国农业现代化在遥感技术支撑方面还比较滞后，农业数字化水平较低，农业空间信息应用较少。当前需要着重推进以下6方面工作。

2.1 加快编制数字农业发展规划，发挥规划的引领作用

数字农业是贯彻落实乡村振兴战略和大数据战略的必然要求，是数字中国和数字经济的重要组成部分，是推动新时代农业高质量发展的根本途径。数字农业是指在现代空间信息技术支撑下的农业经济系统，是现代信息技术在现代农业产业体系、生产体系和经营体系中的融合发展而形成的农业生产方式。数字农业涉及到现代农业发展的各个方面，需要用一个规划提高认识、推动建设。

2.2 深入开展农业政策执行效果核查

借鉴欧盟农业遥感核查理念和方法，利用卫星遥感手段，在农村承包地确权完成的地区，开展地块级别的耕地休耕轮作遥感核查，效果显著。一方面为财政补贴提供了科学依据，另一方面为落实情况提供了真实依据。在此基础上，应进一步加快开展农业重大建设项目监测核查、农业功能区监测核查、农业生态环境监测核查等工作。

2.3 加快开展遥感等大数据技术应用，推动我国农业绿色发展

借鉴欧盟等国家的经验，我国需要加强两方面工作：一是加快农业数字化进程。在农业资源、开发利用、权属核定、政策执行等方面，尽快形成数字化管理系统。二是加强精准农业研究。在农业资源权属数字化基础上，开展农业生产信息采集、分析决策、生产要素投入变量管理等研究，构建精准作业系统和技术体系。

2.4 加快建设全球农业监测体系，科学应对全球农业和环境问题

为充分利用“两种资源、两个市场”，形成与我国第二大经济体地位相匹配的农业体系，确保国家粮食安全以及科学应对全球农业和环境问题，需要加快建设全球农业监测系统。借鉴欧盟等发达国家的做法，一是开展全球土地利用现状尤其是耕地分布及耕地利用的数字建库工作。二是针对重点地区、重要作物开展生产监测和综合分析。

2.5 加强示范引导，发挥辐射带动作用

数字农业工作需要政府示范引导和推动。一是在已经开展一些工程示范项目的基础上，总结经验，加大力度，逐步形成精准农业、智慧农业等新型的现代化生产方式。二是鼓励农业主体建设新型的农业服务体系，用信息把小农户和大市场联系起来，用网络把农村和城市联系起来，实现对农业生产、交换、分配、消费全过程的服务。

2.6 加强遥感技术前沿研究，着力创新农业遥感新型实用技术

从长远发展考虑，一是开展高光谱应用研究，找到农作物长势、灾害监测所需的最佳波段组合和计算模型。二是加快信息源扩建，解决当前缺乏雷达卫星应对云雨天气问题、缺乏红边波段应对作物区分问题、缺乏荧光波段应对作物“亚健康”监测评价问题。