遥感技术在农作物空间格局监测中的作用

摘  要：遥感技术以其时效高、范围广、成本低等突出优势被广泛应用于农作物空间格局监测中，在农作物种植面积、复种模式以及种植方式上是一种新的科学技术手段，有利于掌握大区域尺度农作物的生长信息。遥感技术监测通过识别绿色植物光谱特征来区分农作物种植面积;通过同一地区生长季节内植被指数时间序列数据拟合生长曲线，进行复种模式监测;最后根据时间序列遥感数据，区分农作物生长周期，进行种植方式监测。遥感技术在农作物空间格局监测上的应用，是打造及精准农业的强大助力。

关键词：遥感技术   农作物空间格局   种植面积   复种模式   种植方式

中图分类号：S127   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

The Role of Remote Sensing Technology in Monitoring Spatial Pattern of Crops

TANG Chenguang

（Huaihua Polytechnic College， Huaihua， Hunan Province， 418000 China）

Abstract： Remote sensing technology has been widely used in monitoring the spatial pattern of crops due to its outstanding advantages of high time-effectiveness， wide range and low cost. It is a new scientific and technological means in terms of crop planting area， multiple cropping pattern and planting mode， which is beneficial to master the growth information of crops at large regional scale. Remote sensing technology can distinguish the planting area of crops by identifying the spectral characteristics of green plants. The multiple cropping pattern was monitored by fitting the growth curve with the vegetation index time series data in the same growing season. Finally， according to the time series remote sensing data， the growth cycle of crops is distinguished and the planting pattern is monitored. The application of remote sensing technology in monitoring the spatial pattern of crops is a powerful help to build and quasi-agriculture.

Key Words： Remote sensing technology; Spatial pattern of crops; Planting area; Multiple cropping mode; Planting method

農作物空间格局指的是某个地区作物种植结构、一年几熟以及种植方式的综合表述，具体来说，体现在种植什么与在哪里种、一年几熟以及在连作、轮作、间种、套种等中选择如何进行种植。农作物空间格局的提出为人们详细了解一个地区作物种类、结构与分布特点提供重要信息，也为人们调整、优化作物结构提供可靠依据，有利于人们了解农业资源在空间范围中的生产状况。同时，研究农作物空间格局特征以及它的时间变化信息对农业发展有着重要影响，主要体现在农业生态系统对地球碳循环的影响、全球变化对农业生产的影响以及农作物空间动态变化的建立机制上。所以，从农业长期发展的角度来看，对农业空间格局进行监测具有深远且重要的意义。

1 遥感技术在精准农业中的应用

科技的飞速发展驱动着农业技术的突飞猛进，尤其是遥感技术在农业中的普遍应用，改变了传统农民“看云识天气”、看地看作物的农业模式，取而代之的是数据信息下的农耕技艺。遥感技术从高空卫星到低空无人机再到充满各个区域的互联网传感器，逐渐渗透到传统农业的方方面面，通过使用各种新兴的信息采集技术和装备对天空、地面进行全方位、全天候监测，获取农业生产数据，再经过专业分析，从而实现农业生产的精准化与管理的智能化。

遥感技术传来的遥感影像，可实时监测作物长势。遥感影像通过全天候地记录作物不同生长阶段状况，形成相同区域的时间序列图像，从而对农作物不同阶段的生长趋势达到实时监控。不同作物生长状况不同，即使是相同作物，也会因其光照、土地、水分之差而形成不生长差异，但通过卫星照片上绿色植物的光谱数据，可以直观地看到作物生长信息、准确判断作物的生长情况，达到对农作物全方位监测的目的[1]。因此，这种遥感技术监测立足于绿色植物光谱理论，通过及时反馈作物生长状况，为农业生产、预测产量提供重要依据。

此外，遥感技术可以通过叶子反射出的近红外波段来进行作物类型识别。因此，人们可以利用遥感技术调查作物关键阶段特征，以及形成的遥感影像，通过分析采集的作物的关键阶段特征进行农作物分类，以达到识别不同类型的农作物的目标。总之，遥感技术在农业生产中的应用，可以提升识别作物类型的速度和准确性，实时监测作物生长信息，为改善农作物的种植面积、复种模式以及种植模式提供极大便利，具有十分广阔的应用前景。

2 遥感监测农作物种植面积

在传统农业面积的测量中，都是人工进行统计，不仅消耗时间，又无法得到准确数据。因此，将遥感技术用于田地面积测量中，可以精准、高效地获取农田信息。传统的遥感技术具有成本高、周期长、易受天气因素影响的特点，以致无法达到新时代精准农业的要求，如卫星遥感和载人飞机遥感。而随着新兴技术的出现——无人机技术，以及在民用领域的普遍应用，无人机对农田进行低空遥感开始成为可能。无人机技术具有诸多特点，如操作简易、成本低、周期短以及灵活性强，可以克服传统遥感技术因天气干扰而无法准确监测的不足，快速、准确地获取农作物种植面积。

无人机遥感监测是把无人机技术与遥感结合，建立无人航空器遥感平台。将各种遥感设备安装在无人机上，利用其低空飞行技术，获取所需的影像数据。无人机遥感的高空间分辨率即使在采集很小区域农田信息时也能准确应用，且不受云层和空间辐射的影响。对于中小尺度的种植面积，可以采用图像分割法，以避免高空间分辨率所带来的地物内部的复杂纹理。图像分割法通过对影像进行尺度分割再分类，合并相邻的像素或分割对象，从而达到对种植面积的精准测量[2]。这是一种在保证对象之间形成的异质性最小，内部象元与象元之间拥有最大同质性的前提下，通过区域合并技术，从而达到影像分割的方法。并且，影像分割效果的好坏对特征提取以及完成目标分类有着重要影响。此外，利用无人机遥感技术进行测绘操作时，应根据监测区域的地理条件，选择适合的飞行区域;最重要的是认识到无人机在飞行时产生大的偏角、像幅小的特点可能造成拍摄内容偏差的问题[3]，因此，人们可以采用空中三角技术对其内容进行纠正和修复，保证地理位置的完整性。

3 遥感监测农作物复种模式

随着遥感技术在农作物种植面积的应用，将遥感技术运用在作物复种模式上也成必然趋势。通过监测绿色植物的光谱特征，遥感技术可以得到不同时间段的遥感数据，从而很好地观测到作物的生长状况。通过分析遥感数据得到植被指数数据，再把一年的植被指数数据形成变化趋势图，以时间为横坐标的时间序列组，以此来反映农作物一年的生长状况变化。这个时间序列动态且直观地显示出作物从播种到幼苗到长高直至成熟的全生命周期过程。同时还可以根据作物成熟次数制作指数曲线图，一年几熟便绘制几个生长周期[4]。因此，这种采用作物时间序列指数数据拟合得到作物的生长曲线，可以达到对作物复种模式的有效监测。此外，对于农作物复种模式遥感监测方法，人们一般采用操作简单的峰值法。它把植被指数变化曲线出现的峰值次数与农作物一年种植次数相等作为假设前提，比如：相同地区的某些作物一年一熟，那么它的植被指数峰值可能就只有一个，以此类推。对于峰值数目和分布的获取，人们一般采用直接比较法和二次差分法。但是，只计算峰值无法消除监测误差，所以我们需要根据现实因素和其他约束条件对峰值进行判定和取舍。

4 遥感监测农作物种植方式

农作物种植方式一般来说，有连作、轮作、间种和套种等。在考虑到地理条件、气候条件以及土地使用方面，可以发现农作物种植方式与其复种模式差异并不明显，但究其根本，农作物种植方式是不同作物在不同生长季节下的种植先后顺序和方式，但复种模式更加注重于某个地区的作物一年可以种植几次。农作物种植方式多样化，比如：有的地区作物一年可以成熟多次，那么种植方式采用连种更好。而轮作是指根据作物成熟周期在不同季节种植不同的作物，如小麦和玉米。农作物种植方式的不同，以致遥感技术监测到的信息也不同[5]。

以玉米大豆轮作遥感监测为例。大豆玉米的轮作涉及种植结构的调整，这就要求遥感监测在分块土地、面积与位置等方面达到精准监测，因此，遥感监测应涉及3个方面，即种植区域识别、作物类型识别以及作物生长变化检测。在作物种植区域识别上，遥感技术利用高分辨率影像自动识别，比如：利用无人机影像提取地块信息，同时使用分水岭分割以及边缘提取等方法进行地块信息提取，这种方法可以节约人力和时间。在生长变化检测中，利用多个时间的遥感数据对作物生长周期内的变化进行监测，通过各种方法把多期遥感图像的信息进行整合，同时设置一定阈值以达到对作物的识别。

对于农作物种植方式的监测方法，一般是用时序遥感数据。人们可以通过分析作物指数数据的变化特征，以此来进行作物生长周期的区分。同时，人们经过调查可得到某一地区作物的生命周期，再通过遥感监测得到的相关数据拟合成的作物的生命周期，二者进行耦合，从而对作物的种植方式进行判断。遥感技术在农作物种植方式上进行监测，使分散区域下的农作物的生长变化一直在监测中，有利于预测作用产量、充分利用土地资源，有利于农业种植方式的发展。

5 农业遥感的其他应用

病虫害监测。遥感技术可以实时监测植物叶片中的热红外波段，从而获得作物病虫害分布的动态信息，有利于农业更好地监测作物病虫害问题。生长正常的作物一般通过叶片上的气孔调节蒸腾作用，进而保持农作物整体温度的恒定[6]。而有病虫害问题的作物，叶子表面会表现出白斑等病理变化，导致植物的蒸腾作用比正常植株显著下降，造成有虫害部分的叶片温度失衡。通常有病虫害的植物对叶片七孔的开闭有一定影响，甚至造成其失调，从而导致有病虫害的叶片蒸腾作用明显高于正常叶片的蒸腾作用。而蒸腾作用对叶片保持恒温有重要影响，高的蒸腾作用致使病虫害叶片区域温度下降，且有虫害的叶片部位温差高于正常叶片温差，叶片上的病虫害问题也愈发明显，等到叶片病虫害区域细胞完全坏死，那整个叶片将会完全丧失蒸腾作用，以至叶片枯黄而衰败。作物病虫害监测，实际上便是通过监测正常作物的温差要一直低于作物叶片表面的温度，观察作物植株叶片动态变化，掌握植物病虫害趋势变化，为解决农业产量问题提供帮助。

估计作物产量。我国在主要生产粮食地区，建立了产量估算系统。比如：对某一地区冬小麦的产量预测，将RS与GIS技术结合并运用到遥感产量估算，通过把小麦产量估算的整个操作过程装载到计算机程序系统中，使操作数字化、程序化，从而输出小麦各种估算的产量。将冬小麦产量估算结果与实际产量进行对比，可以发现我国冬小麦产量估算系统精度较高，在对大面积冬小麦产量估计时可以达到95%的高精度，并且随着信息技术的不断发展，冬小麦产量估算系统不断更新与完善，操作系统的精度将会达到更高，并且操作成本也随着大面积使用和常年运营而逐渐降低。

农业遥感的拓宽领域。信息技术的快速发展，使得物联网、大数据以及人工智能技术不断运用到现代农业生产活动中。物联网与大数据运用到农业遥感，再加上其他学科领域的应用，跨学科的融合不仅促进农业遥感的快速前进，还扩大农业遥感的应用范围，逐渐形成“空、天、地”一体的全方位全天候农业遥感体系，促进发展智能农业、精准农业、数字农业。

6 结语

将遥感技术应用于对农作物种植面积、复种模式以及种植方式的监测，为农业生产活动提供农作物详细的生长信息，有利于掌握复杂多变的农业自然资源。同时，在作物预测产量、单产和总产上发挥重要作用，为我国打造精准农业提供强大助力。遥感技术的应用对我国未来农业规划和管理有着深远且重要的影响，因此，我们应该不断提高农业遥感技术，聚力打造智能农业、精准农业、数字农业。

参考文獻

[1] 肖让，唐亮，张勇.高光谱与多光谱数据融合在植被水域分类与生态保护中的应用[J].科技创新导报，2019，16（31）：55-56.

[2] 张伟.遥感技术在农业信息化中的应用探析[J].南方农业，2021，15（2）：223-224.

[3] 李娟.农业遥感应用的现状与发展研究[J].科技创新导报，2019，16（4）：70-71.

[4] 王利民，刘佳，季富华.中国农业遥感技术应用现状及发展趋势[J].中国农学通报，2021，37（25）：138-143.

[5] 王芳.基于遥感的干旱区农作物种植结构提取与农业用水研究[D].重庆：重庆交通大学，2020.

[6] 李家宝.基于遥感技术的滹沱河流域农作物种植结构提取[D].邯郸：河北工程大学，2020.

基金项目： 2019年湖南省教育厅科学研究项目《基于无线传感器技术的有机水果优质生长曲线研究》（项目编号：19C1488）。

作者简介：唐晨光（1979—），男，硕士，副教授，高级工程师，研究方向为职业教育、电子技术。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2111-5042-3485