中国农业遥感技术应用现状及发展趋势

2021-04-18王利民季富华

中国农学通报 2021年25期

王利民，刘佳，季富华

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081）

0 引言

广义的农业遥感技术是以遥感(RS)技术为主，同时也包括地理信息系统(GIS)技术、全球定位(GPS)技术，实现农业资源空间分布信息的高效获取及管理。遥感技术覆盖范围广、信息量大、时效性强、成本低的优势[1]，促使其在农业领域应用的深度和范围深入和拓展，从传统的农业资源调查与动态监测、农作物估产、农业灾害监测与评估等方面的应用[2]逐步拓展到农作物品种与品质、病虫害、耕地土壤质量等的监测[3]，为农户和政府管理部门提供有效的手段，促使农业走向信息化、精准化，推动了农业现代化的快速发展，也是中国农业竞争力提升的基础。

从当前的研究状况看，国内农业遥感应用研究的重点主要集中在农业遥感技术研究领域，例如农作物面积识别技术[4-6]、农作物长势、产量监测技术[7-8]、主要农业灾害遥感监测技术[9-12]、耕地土壤质量监测技术[13-17]等。由于自主遥感卫星、无人机遥感和物联网等技术的发展，中国农业遥感技术研究与应用在过去20年取得了显著进步，农业遥感信息获取呈现出天地网一体化的趋势[18]。李娟[19]、吐尔逊·艾山[20]、汤文静[21]、赵春江[22]等基于实证方法，分析了农业遥感技术应用现状和发展方向；刘海启等[23]通过分析欧盟国家农业遥感应用状况，为国内农业遥感技术应用的发展提供参考建议；屈泉酉等[24]以中国遥感卫星的角度分析了遥感技术在农业领域的应用现状、发展趋势和方向。

国外研究的重点与国内类似，关注的内容包括遥感技术在农业资源调查[25-26]、长势[27]、产量[28]、病虫害[29]、干旱[30]、耕地土壤质量[31]等领域的应用。如Liaghat[32]、Sanders[33]等以遥感技术在精准农业和农业资源管理中应用为基础，描述了遥感技术在农业的应用现状；Wojtowicz等[34]从作物产量预测、植物营养需求和土壤养分含量评价、植物需水量测定和杂草防治等方面入手，综述了遥感技术在农业领域中的应用现状。

上述学者的研究主要集中在遥感技术在农业中的具体应用，对从广义角度出发开展遥感技术农业应用分析的研究相对较少。笔者以农业遥感技术作为典型案例，结合地理信息系统(GIS)技术、全球定位(GPS)技术的农业应用分析，从技术重要性、技术水平分析、技术发展趋势、应用前景、存在问题及建议5个方面分析中国农业遥感技术应用现状及发展趋势。

1 农业行业遥感技术的重要性分析

通过遥感技术获取农业资源空间分布信息是实现农业现代化的保障，既是农业生产管理的实际的需求，也符合国家战略层面的总体布局。

首先是新时期国家农业农村的管理方式对遥感技术服务于重大农业政策评价提出迫切需求。《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》、《国务院关于印发促进大数据发展行动纲要的通知》、《国务院关于印发全国农业现代化规划（2016—2020年）的通知》、《中共中央办公厅国务院办公厅印发关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》、《国务院关于建立粮食生产功能区和重要农产品生产保护区的指导意见》、《农业农村部办公厅国家发展改革委办公厅财政部办公厅自然资源部办公厅关于加快划定粮食生产功能区和重要农产品保护区的通知》、《农业农村部、财政部关于做好2018年耕地轮作休耕制度试点工作的通知》、《中共中央办公厅国务院办公厅印发农村人居环境整治三年行动方案》等诸多文件中，都明确提出利用卫星遥感技术建立农业要素监测体系，支撑全球农业数据调查分析，确保国家粮食安全和农产品质量安全。

其次是推动落实农业供给侧结构性改革对掌握农业农村资源“家底”提出迫切需求。转变农业生产方式，实现从注重数量为主向数量质量效益并重的发展模式转变，其中结构性的矛盾尤为突出，农业管理部门亟需树立大农业的思路，主动了解和掌握国内耕地（农业生产用地）、渔业水资源、农作物种植数量、空间分布和权属，以及阶段性变化的特点和趋势，确保宏观调控和政策引导有的放矢、精准到位，进一步推动种植业、养殖业的转型升级和融合发展。

第三是在复杂多变的全球农产品贸易格局中掌控主动权，对开展国内外农作物监测提出迫切需求。美国、欧盟等发达国家和地区借助自有卫星资源的优势，率先利用遥感等空间信息技术对本国和全球主要农业国大宗农产品生产开展定期监测，监测和预测目标国家农作物种植面积、长势、墒情、产量和灾害信息，分析评估某一周期内全球主要农作物的贸易格局，在全球农产品贸易中掌握了充分的主动权，从中获取经济利益。充分发挥遥感技术的“天眼”功能，实现全球农业数据调查分析系统的监测功能，在全球农产品贸易中占领先机十分必要。

2 农业行业遥感技术应用水平分析

以遥感(RS)技术为主，包括地理信息系统(GIS)技术、全球定位(GPS)技术的农业遥感技术，具有快速高效的数据获取能力、强大的空间数据处理分析能力和直观生动的地图数据表达显示能力[35]，在作物面积识别、作物估产、作物长势监测、干旱、洪涝和病虫害等灾害的监测与预报、土壤墒情监测、水肥管理等领域应用广泛。能有效节约人力、物力、财力，提高效率，提高产量，获得巨大的经济效益和社会效益，具体技术水平分析如下。

2.1 遥感(RS)技术水平分析

按照遥感技术农业应用的过程，农业遥感技术可以从数据预处理技术、识别与监测技术、效果评价技术3个方面分析，技术水平则可以通过国内外对比进行分析。

在数据预处理技术方面，瓶颈是TB级遥感观测原始数据向可定量应用预处理产品，即几何校正、大气校正、云检测产品转换间的技术。与国际先进水平相比仍有差距。以类似级别的国产高分六号卫星、Sentinel系列可见光-短波谱段卫星数据为例，国产高分卫星数据提供给用户的主要是粗定位的几何校正产品，用户需要进行几何精校正、大气校正才能使用该数据，这样的处理过程实际上成为该数据应用的最大限制瓶颈；相对于Sentinel卫星数据，以向用户提供处理程序的方式来解决该问题，虽然也存在处理时间的问题，但关键的技术问题已经不需要用户单独解决，这也是该数据目前应用较为广泛的主要原因之一。

在农作物类型遥感识别，以及农作物长势、产量、墒情、灾害等内容的遥感监测方面，是由低空间分辨率数据向中高空间分辨率数据应用转化的技术瓶颈。虽然大尺度应用能力方面与国外相比具有一定优势，但存在识别、监测费效比过高，原创性的关键技术少等不足。以农作物面积遥感监测业务为例，中国和美国是世界上为数不多的，采用中高空间分辨率数据，实现国内大宗农作物面积近全覆盖遥感监测的国家；中国是以目视判读的技术辅助进行的，精度相对较高，但效率较低；美国则是采用自动化识别的技术开展的，精度相对较低，但效率较高，有值得借鉴之处。

与国家绿色发展理念相统一，对农业工程、政策实施的环境、生态效果进行评价，是中国农业遥感技术应用的特色，也应该是中国对全球农业生产环境开展评估的主要贡献。不考虑以往全球变化的研究水平，对农业生态环境变化遥感评价的研究，国内外无明显的技术水平差异。目前，这一领域仍在多元农业资源状态要素监测获取基础上，采用因子权重打分获取综合指标进行评价的技术；而将遥感观测数据直接作为一个综合性指标，在综合性指标代表性分析基础上，农业资源、生态、环境等工程、政策效率的评价相对较少；显然遥感技术在这一领域的应用具有较大的潜力。

2.2 地理信息系统技术(GIS)水平分析

地理信息系统技术(GIS)在农业行业应用可以从空间数据管理以及空间数据分析2个方面评价，技术水平可以通过国内外现状、现状与需求之间的差异来评价。

在农业资源、环境、生态空间数据管理技术方面，GIS技术本身相对较为成熟，主要的问题在于以往仅具有统计属性的数据如何有效地关联到空间位置，以及多元、多维的农业资源、环境、生态等数据的有效归类、管理的瓶颈，可以看作是标准化管理的问题。国内外技术水平对比方面，大致可以归纳为2类。第一类是欧盟的比利时等国家，已经建立了地块管理数据库（土地银行），实现了基于地块单元的农作物种植管理；第二类是中国、美国等国家，表格化的统计数据相对较为完善，但是空间位置属性相关的管理系统相对较为缺乏，以地块为单元的管理系统尚处于建设之中。与各自国家需求相比，中国的需求是以地块、农户为单元的统计数据自下而上的整体一致性，当前也在逐步完善中。

在农业资源、环境、生态空间数据分析技术方面，主要问题在于智能化分析技术的匮乏，特别是综合农业、农村、经济、政策等社会属性的空间综合分析技术匮乏，已经成为限制农业、农村发展评价的主要瓶颈。由于国内、国际关注重点不同，国内外相比没有明显的技术优劣区分，特别是在国家、洲际、全球评价方面研究相对较少，更没有明显的技术优势。中国需要国家、全球尺度融合农业自然、农村经济、社会发展等数据综合的空间分析技术，保证绿色发展政策的落实，但这方面的技术尚未得到广泛重视。

2.3 全球定位技术(GPS)水平分析

GPS技术贯穿于农业资源、环境、生态监测与评价应用的各个方面，但总体上存在整体性、系统性相对薄弱的问题。以国内各地农业资源调查中广泛使用的GPS定位设备为例，使用的设备包括各种类型的差分GPS、手持GPS甚至手机定位的方式，这些设备没有统一的基准定位体系，导致数据集成使用时定位精度差异较大，甚至不能使用；需要从国家层面建立适合农业农村行业应用的技术体系、基础参考系统，对使用GPS定位的设备进行统一规范，保证农业行业对GPS使用的广泛性。国际上，农业行业对GPS的使用尚没有特别明确的技术体系，多数是依靠各国基础地理信息体系建立的技术体系，与中国的情况类似。因此，在保密原则指导下，建立国内独立农业应用GPS体系，将推进农业农村遥感技术应用水平提高。

3 农业遥感技术发展趋势分析

全球农业遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)技术发展趋势，在基础性、整体性、系统性3个方面表现出明显的特点。本着补齐短板、提高站位的指导原则，这些发展趋势也是农业遥感领域未来的发展方向，是农业遥感技术研究与应用的努力方向。

3.1 基础性趋势

农业遥感技术表现出基础理论研究、基础性研究工作并重的趋势。以农作物类型遥感识别为例，大宗农作物地理空间分布规律，以及光谱特征时空分异规律等的研究属于基础理论研究；不同光谱特征组合、地物景观破碎度、影像时间分辨率对农作物类型识别能力与精度影响的研究，则属于基础性的研究工作。两者的差别主要在于，基础理论研究是发现内在规律，基础性研究工作则是说明规律性的具体事例。再以农业资源空间数据管理与分析为例，基于空间数据支持的资源分布与环境要素、社会属性间地理规律的研究属于基础理论研究，但是空间资源数据库的高效构建技术则属于基础性研究工作。无论是RS还是GIS技术，尽管目前大部分工作是属于基础性研究，但随着具体事例的积累，基础理论方面研究将日益受到重视。

3.2 整体性趋势

农业遥感技术的整体性趋势表现在遥感数据的全覆盖性以及应用技术的整体适用性，未来遥感技术宏观性的特点将得到进一步加强。以农作物面积遥感提取技术为例，局部的研究将会被国家、洲际、全球尺度的应用所替代；在数据层面，将要求不同来源的遥感数据源具有同质性，以便后续应用的开展；在技术层面，以往对局部区域特别有效的提取技术，将会被要求在国家、洲际、全球尺度开展应用，样本的设置、方法的普适性都会更加注重整体性。以农业资源空间数据管理与分析为例，以往的面向局部区域的管理系统将会被更大尺度上的空间管理与分析系统取代，以往仅能应用于局部区域的管理与分析技术，将随着数据量的增大、拓扑与关联关系的复杂化而被淘汰、改造、升级或者更新。

3.3 系统性趋势

农业遥感技术的系统性趋势表现在全链条技术、全口径作物、全生产过程监测的系统性方面，这些方面都将得到深入的研究与全面的应用。全链条技术是指，从GPS定位技术，到遥感数据预处理技术，再到农作物面积、长势、产量、灾害等内容的遥感识别与监测技术，以及与作物生长密切相关的农业环境要素、农业生态管理评价以及农村问题的监测等内容，保证农业生产管理信息的全面性与可靠性。全口径作物所指作物对象不仅包括大宗农作物类型，还包括重要经济作物、特色农作物等，以保证不同农业生产区域农作物类型的系统性。全生产过程监测是指，从农作物备耕开始，到种植、生长，再到收获全过程的农作物生长、耕地土壤肥力、农产品质量的监测技术与评价应用，以保证农产品生产的各个环节上稳定的信息获取。

4 农业遥感技术的应用前景

农业遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)技术、全球定位(GPS)技术在农业领域的应用前景，预计将推动中国农业遥感研究全面地发展，并促进农业遥感监测应用平台的形成。

4.1 推动中国农业遥感研究全面、高效的发展

通过农业遥感研究国家需求、研究现状，以及对比国际上现有水平，明确国内农业遥感研究的定位，有利于明确各农业遥感研究机构的努力方向，消解不同研究机构之间的项目竞争；全局性农业遥感研究的梳理，既有利于根据国家当前需求确定短期研究重点，也能够避免中长期目标的忽略，形成全面发展方向上的薄弱点。

4.2 促进国家、省级、县级三级尺度单元农业遥感监测应用平台的形成、发展与互通

国内当前已经存在诸多的农情遥感监测研究平台，或者业务系统，但由于全链条监测技术的匮乏，各平台数据运行效率参差不齐、监测结果可比性差，形成了事实上的资源浪费。通过农业遥感技术全面发展，不仅能够盘活这些系统资源，减少资源浪费，更能够从全国不同尺度上形成农业监测信息的互补，既提高了运行效率，也将提升监测结果的准确性与可靠性。