南疆地区农业遥感应用现状及展望

孙亚荣，李 旭，郭英涛

（塔里木大学信息工程学院，新疆阿拉尔 843300）

新疆因其独特的地理条件和气候条件，成为一些优质农产品的重要生产基地。南疆地区夏季光照强烈、热量充足，有利于花和果进行着色，是新疆红色系列优质农产品（各种枣类、枸杞、红富士、石榴等）的主要产地。南疆地区昼夜温差大，有利于瓜果及糖料作物糖分的积累和沉淀，有着全国最甜的瓜果。南疆地区夏季干燥的气候和稳定的灌溉水源，使新疆成为我国优质棉花（长绒棉）的重要生产基地。而南疆地区地广人稀，加之农作物都是大面积种植，故在南疆地区的农业生产活动中，应用遥感技术，并对于农业生产活动过程中的各个环节进行监测研究具有极其重要的意义。

目前，航空航天遥感正向高空间分辨率、高时间分辨率、多极化、多角度的方向快速发展。遥感技术已经发展到利用来自不同的传感器和平台对地球进行观测。遥感传感器主要用于成像和非成像宽带多光谱或窄带高光谱数据采集。地球上的物体不断地传输、反射和吸收电磁波。原则上，遥感技术通过透射、反射和吸收的差异电磁波确定和区分对象。遥感通常在可见光（0.4～0.7 μm）、红外（0.7～15 μm）波段上和微波（0.75～100 μm）电磁光谱上有效。它因具有地理空间分布的所有因素和数据采集频率而导致遥感大数据体积大、复杂度高。典型的农业遥感传感器包括NIR（近红外）（0.4～1.5 μm）传感器、SWIR（短波长红外）（1.5～3 μm）传感器、TI（热红外）（3～15 μm）传感器、微波传感器等。其中：NIR（近红外）（0.4～1.5 μm）传感器广泛用于植物植被的研究，SWIR（短波长红外）（1.5～3 μm）传感器用于植物湿度研究，TI（热红外）（3～15 μm）传感器用于农田表面或农作物冠层温度研究，微波传感器用于土壤水分研究。

1 遥感技术的概念

遥感技术是一种从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、红外线等获取地物几何和物理性质的技术。早期在进行遥感图像解译的时候，通常是依靠目视判读的方法，随着计算机和通信技术的飞速发展，解译方法得到了迅速的发展。一种使用计算机对原始卫星遥感影像进行辐射校正、几何校正、图像增强、图像变化等一系列的预处理，然后通过相应的遥感处理软件对结果进行进一步处理，最终通过专业技术人员的经验进行解译，直接对解译结果进行处理，生成具有处理特征的遥感影像[1]。

从广义上说，遥感技术泛指一切从远距离进行探测的技术，包括对电磁场、机械波（声波、地震波）等的探测技术。从狭义上说，遥感技术是指从远处探测感知物体的物理属性，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收来自目标地物的电磁波信息，经过对信息的处理，判别出目标地物的物理属性。

2 遥感在农业中的应用分类及特点

在当前农业生产环境及科学技术飞速发展的形势下，遥感在农业生产活动中的应用主要分为3 类：卫星遥感、无人机遥感、高光谱遥感。

2.1 卫星遥感在农业中的应用

卫星遥感具有观测范围大、效率高、获取方式简便等优势，逐渐成为了农业生产活动中进行远程监测的主要方式[12]。遥感数据通常用于通过提供有关光合作用、物候、干扰、恢复和人为干预的真实信息来检索植被状态的变化。这些信息对于确定作物生长状况和产量至关重要，是农业规划和管理的重要措施。卫星遥感在农业生产活动中的应用集中在农田空间信息提取、农情监测、农作物分类、农作物估产及农业灾害监测等方面。卫星遥感通常使用卫星所自带的传感器波段来计算出一些植被指数，从而进行作物监测及产量估算和预测，这对于那些负责监测农业生产活动的组织来说是至关重要的。卫星遥感在1960年代随着Explorer、TIROS(电视红外观测卫星)系列、Corona 及后来的Landsat任务等成为航空遥感的继任者[13]。遥感工作过程是由来自太阳（被动遥感）或卫星本身（主动遥感）的电磁辐射启动。入射辐射在与地球表面相互作用时被反射、吸收和传输，然后卫星传感器测量这些反射辐射，其中包含卫星在经过某个位置期间地面上的物体所包含的信息。获取到的地面数据包括水文循环的组成部分、植被生长过程、与水体的相互作用、地貌和地形等数据，获取到的每个地面数据可能仅包含卫星传感器对特定波长/频率的测量敏感度，因此，在使用卫星遥感对农业生产过程进行监测时必须确定适合该状态下的的卫星传感器。此外，使用卫星测量还受到与传感器配置相关的空间、时间、光谱和辐射分辨率的影响。

2.2 无人机遥感在农业中的应用

无人机遥感具有质量轻、体积小、成本低、操作简便等一系列优势，而且受天气、云层覆盖限制小，飞行高度及飞行时间可人为控制，故操作比较灵活，能获取中小尺度范围内的高时空分辨率的影像数据，有效地弥补了卫星遥感和地面遥感中存在的一些缺陷，能满足精准农业管理的需求[14]。基于以上优势，无人机遥感近年来在农业领域得到了广泛应用，成为了精准农业发展的必然趋势，无人机遥感为作物管理和数据采集提供了一种快速灵活的方式。国际上基于微型无人机的遥感信息获取关键技术包括无人机遥感平台的开发、信息采集技术、图像处理、分析应用等。在遥感信息获取系统中，由于微型无人机的承载能力有限，数码相机和轻型多光谱相机是微型无人机进行遥感信息获取的2 个主要仪器。如何快速准确调整机载遥感传感器高度，使探测目标始终处于监控视野中心；如何实现远程控制、图像和信息采集、无线传输等是目前无人机遥感技术的一些重点。目前，无人机遥感在农业领域的应用研究集中在精准农业生产、作物表型辅助育种、农业资源调查和灾害监测评估等4个方面。

2.3 高光谱遥感在农业中的应用

由于高光谱遥感不会对农作物造成损害，因而被广泛用于监测农作物的叶片面积。同时，高光谱遥感弥补了传统遥感技术获取农作物叶面积指数时间过长的缺点，从而获得最准确、损害最小的遥感监测数据。高光谱传感器是在数百个光谱带上获取图像的设备，能够提取观察到物体或材料的光谱特征。

通过高光谱的观测和分析，可以得到更为精确的农作物叶面积指数，形成不同的遥感反演模型。在农业生产方面，高光谱图像处理用于植物病虫害和入侵植物物种的监测、作物产量估算、作物分布的精细分类。高光谱遥感技术可对农作物生长过程进行监测、农业生产及决策提供重要技术支持，其主要应用方向有农田面积、作物长势监测、品种识别与监测、产量估计[15]。

3 遥感在南疆地区农业中的应用现状

农业遥感是随着遥感技术的发展而产生的。从目前所获取到的资料信息来看，当前南疆地区农业遥感的应用研究重点在农业遥感技术的创新和应用上。例如在节水灌溉方面，王志东等[2]基于P-M 方法和GF-1卫星数据对南疆地区的作物种植结构进行了分析并根据分析结果对灌溉需水量空间格局进行了研究。在土地利用分类方面，石俊[3]基于Landsat8 遥感影像对第一师阿拉尔市的土地利用情况进行了分类研究。在农作物种植面积监测方面，费浩[4]等利用遥感卫星图像对阿拉尔市的棉花种植面积进行了研究。阿迪力·克热木[5]基于LANDSAT8 卫星遥感对阿拉尔市棉花种植面积进行了研究分析。檀博轩[6]基于遥感影像对阿克苏地区林果种植面积进行了分类、测算，以及基于基于Landsat＿8 卫星影像数据对新疆阿拉尔地区的红枣种植面积进行了估算[7]。

在农作物产量估算方面，陈仁谷[8]利用遥感同化技术对新疆阿拉尔市枣园中骏枣的产量进行了精确估算。吴家林[9]将遥感技术与近地传感技术相结合以新疆南部阿拉尔垦区为研究区，综合评估了阿拉尔市盐渍化土壤对当地主要经济作物棉花产量的影响。

在农作物种植结构方面，信会男等[10]利用遥感影像对阿克苏地区主要农作物的种植结构进行了分类研究。

在耕地面积变化监测方面，吴楠[11]以新疆阿克苏地区2000—2016 年的遥感影像作为耕地数量的数据源，对阿克苏地区的耕地利用状况进行了分析和探讨。

由此可见，遥感这种监测方式在南疆地区农业生产活动中应用越来越频繁。南疆地区农业生产活动因其地广人稀的特点而常常受到限制，如今随着农业信息化和农业机械化的发展，南疆地区农业生产活动将会大幅度地减低生产难度。遥感作为农业信息化过程中极其重要的一个监测与分析手段，将为南疆地区农业的发展作出贡献，在一定程度上降低生产成本、节约劳动力，进一步促进南疆地区农业的发展。

4 遥感在南疆地区农业应用中存在的问题

当前，南疆地区虽然已经有了很多遥感监测平台，但是全链条监测技术仍存在诸多缺点。南疆地区各遥感监测平台数据运行效率良莠不齐、监测结果可比性差、相关研究人才匮乏、基础设施薄弱，存在资源浪费现象。

4.1 卫星遥感应用中存在的问题

1）遥感影像是二维的，会带来几何信息损失、像点偏移等。2）影像是瞬时的，不连续的。3）存在混合像元问题，给地面验证带来一定困扰。

4.2 无人机遥感应用中存在的问题

1）体积小，易受风影响，电池寿命短。2）导航系统和平衡控制系统精度差。3）航向重叠不精确、航路弯曲且无规律，导致抓拍图像模糊不清或重复。4）图像校正困难。由于无人机抓拍的图像重复、模糊不清或有断点，故对影像进行匹配、拼接、融合、分析造成了一定的困难。5）无人机装备和使用误差难以控制。

4.3 高光谱遥感应用中存在的问题

1）高光谱仪器的使用方式会导致空间分辨率的相对降低。2）多光谱波段会导致数据冗余，需要进行大量的降维和去噪处理，从而增加了数据处理的工作量。

农业遥感的快速全面发展，不仅能够减少基础设施资源的浪费，而且能从全疆乃至全国层面形成不同尺度和方面互补的农情监测信息，从而能提高这些遥感监测平台的运行效率、提升农业遥感监测结果的精准性与可靠性。

5 遥感在南疆农业中的应用前景

国家科技部将“GIS、GPS 和RS 综合应用研究”列为国家科技攻关重点项目。截至目前，遥感信息技术已连续在7个“五年规划”中被列为国家重点项目，这就体现了国家对遥感技术的重视。由此可见，农业遥感将有效地应用于农业生产活动的各个环节中，使我国农业走上智能化、信息化、产业化的快速发展道路。长期以来，人们一直想使用遥感这种方法作为估算研究区域范围内作物产量的工具。但是，使用遥感信息直接估计作物产量存在问题（主要是由于遥感数据和作物的生长状态之间是间接关系），所以一直未能实现这个目标。近年来，人们发现利用农业遥感可以融合统计的、确定的、半经验的各种类型的作物模型，进而描述研究农作物生长过程中的状况。随着农业物联网、农业大数据分析、农业人工智能及机器视觉等高新技术的不断发展，遥感技术将与之进行融合发展。结合农学的相关知识，遥感在农业生产活动中的应用范围将不断扩展。