遥感数据处理应用科普系列(1):植被覆盖指数之精准农业

发布日期:2018-7-23    作者:南南

  今天的现代农业和现代林业有越来越多的手段监测、了解和分析。其中遥感数据可以帮助农业和林业部门进行资源调查,土地利用现状分析,农作物估产等行业应用,还可以帮助了解农林作物生长情况、预报预测农林作物病虫害。
  那么遥感图像是如何实现这些功能的呢?本文将逐一回答一下几个方面的问题,详细解读遥感图像是如何服务现代农业林部门的。

什么是遥感?
  遥感是卫星,飞机或其他飞行器对感兴趣的物理目标进行非接触的数据测量行为。辐射剂量仪可以远程感知物体发射或反射的辐射,星载辐射剂量仪就可以感知地球表面物体发射太阳辐照来测量地球表面特性。并且遥感所测量的太阳反射辐照谱很宽,包括可见光、红外和紫外。

如何探测植被?
  地球表面不同的物体材质对不同波长的电磁波有不同的反射特性。植被所特有的叶绿素会吸收蓝色和红色的电磁波,反射绿色的电磁波。植被的叶绿素同时也会反射近红外的电磁波。结合两个波段的光谱可以准确的确定地表植被的范围,从而区分裸露的土壤、隔壁和沙漠。

如何区分植被的健康状况?
  健康的植被和枯萎的植被对红光和近红外电磁波的反射是不一致的。

  NDVI指数值范围从-0.2到1,其中较高值(0.3到1)表示绿色植被覆盖的区域,较低值(0到0.3)表示植被很少或没有植被的区域。(-0.2到0)表示非植被区域。

如何实现精准农业?
  在北美:农田信息采集和服务方面充分应用了卫星遥感系统。在农业资源清查、核算、评估与监测方面。遥感系统强大的图形分析与制作功能,可编绘出土地利用现状图、植被分布图、地形地貌图、水系图、气候图、交通规划图等一系列社会经济指标统计图,也可进行多种专题图的重叠而获得综合信息。实现对具有时空变化特点的农业资源存量和价值量的测算以及资源现状、潜力和质量的客观评估,从而真实反映农业资源状况,为科学利用和管理农业资源提供强有力的决策依据。
  在德国:农业机械化程度很高,遥感技术和机器耕作的结合大大提高了农业生产效率、降低了成本。在大型农机上安装接收机,接收卫星信号,经电脑处理、分析和综合,根据土地和作物情况确定播种、施肥和用药量,可节省10%的肥料和23%的农药。遥感技术在病虫害检测和预报方面也得到了广泛应用,人们根据遥感卫星提供的数据建立预报模型,尽可能准确地作短期预报。
  在我国,很多科研院所也开始了精准农业相关方面的研究,在黑龙江农垦和新疆生产建设兵团也开始应用,但在精准农业的理论与实践研究上还处于刚刚起步阶段。
  我国农业资源约束日益突出,农业生态环境退化加剧,化肥占农业生产成本25%以上,但利用率仅为30%~35%,远低于发达国家的50%~60%,不仅造成了经济上的巨大损失,更带来了严重的地下水污染和生态环境破坏。国内外研究表明,精准变量施肥可使多种作物平均增产8.2%~19.8%,降低总成本约15%,化肥施用量减少约20%~40%,土壤理化性质得到改善。因此,解决上述问题的最佳途径是大范围地推广应用按需变量施肥的精准农业和测土配方施肥技术。

  遥感图像产品可以在以下几个方面使用对农业生产提供帮助:
土地预处理:
  传统农业土壤预处理和底肥处理时存在问题,土壤氮磷钾含量测量采用化学方法,测量时间周期较长,不适合大范围快速测量。这样导致底肥处理不能针对不同特质的土壤。
  通过高光谱遥感图像建立土壤全氮和全磷的高光谱预测模型,反演出土壤中氮和磷的含量,如下图所示。可以迅速的根据不同土壤进行底肥处理。达到节省20%~40%肥料的经济效益。


农作物病虫害控制:
  农民为了提高产量,大面积的使用农药,不但给土地带来了极大的污染和伤害,所生产的农产品在安全性和口感上都大打折扣。农田病虫害的分布是不均匀的,会有一个容易引发病虫害的区域,只要防治好这块田地,其他田地可以少打甚至不打药。通过遥感技术去做植被的病虫害情况观测和评估,这样就可以节约50%左右的农药使用量。


农业灌溉:
  通过多光谱卫星遥感图像数据对土壤含水量进行反演并进行差值计算,得到该地区实际含水量分布图。可以较低成本支撑实际灌溉面积监测信息的获取,弥补灌溉管理中的不足,提高灌区管理水平及用水效率。


产量预测:
  通过历年数据,根据遥感数据反演的长势情况,对农田分片进行产量预测。



如何搭建遥感应用精准农业服务平台?
  针对农业领域提出了创新性的精准农业实施方案,以求有利于提升精细化、信息化管理水平,实现农业生产的规模化,生产过程的自动化、精确化,生产管理的科学化、现代化,推动农业信息化建设。天地一体化信息服务平台采用遥感技术、数字地球、云计算技术、物联网技术等多种技术,创建了符合国内遥感应用发展模式及农业产业链的精准农业服务模式。基本构架如下图所示:


  通过此平台我们可以查看关心区域的农作物和林地的生长状况,土壤、水源、病虫害状况合理知道农林工作者开展农林生产。还可以查看某些区域的植被覆盖情况,如下图所示为新疆和田防护林成功防沙固沙改善生态的情况:

  总之,在精准农业的框架下,通过现代遥感应用技术,可以根据地块土壤、水肥、作物病虫害、杂草及产量等在时间与空间上的差异,来进行相适宜地耕种、施肥、灌溉、用药及收获,其目的是以合理的投入来获得最好的经济效益,并保护环境,以确保农业、林业的可持续发展。

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