利用卫星遥感技术在农业环境的监测
全广宇 李启龙 赵鑫
摘要：遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。本文从遥感技术原理出发，介绍了几种重要的植被指数，然后以水稻遥感监测为例进行分析，最后阐述如何提高农业环境遥感监测水平。
关键词：卫星遥感；农业环境；监测；水稻
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0232-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.143
Monitoring of agricultural environment using satellite remote sensing technology-Taking rice as an example
Quan Guangyu， Li Qilong， Zhao Xin
（Jiamusi Meteorological Satellite Ground Station， Jiamusi Heilongjiang 154004， China）
Abstract： Remote sensing technology is a comprehensive detection technology that detects the electromagnetic wave radiation and reflection characteristics of ground targets by using various non-contact active and passive detection devices to detect the electromagnetic wave radiation and reflection characteristics of ground objects. It has the advantages of wide coverage area， high spatial resolution， large information acquisition， short revisit period， etc. It is suitable for agricultural research and agricultural disaster research and other agricultural-related fields. It guides agricultural production and the significance of decision-making management of relevant departments. major. Based on the principle of remote sensing technology， this paper introduces several important vegetation indices， and then takes rice remote sensing monitoring as an example to analyze how to improve the remote sensing monitoring level of agricultural environment.
Key words：Satellite remote sensing；Agricultural environment； Monitoring； Rice
农业生产具有农作物种类分布的分散性与地域复杂性特点，受环境因素影响大，从农耕文明的出现至今，农业靠天吃饭的局面没有得到根本性的改变，频繁的自然灾害给我国的农村经济发展造成了极大的困难。遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。20世纪70年代开始，欧美等发达国家最先应用卫星遥感技术对农作物进行面积监测与估產，之后遥感技术在农业各领域的应用得到不断拓展，我国从 20世纪80年代开始将遥感技术应用于农业领域，至今我国遥感技术应用的内容已涉及农业资源调查、农作物估产、灾害预警及精准农业等众多方面，为我国农业发展保驾护航。本文主要以遥感技术在水稻作物监测为例进行分析，并对遥感数据在农业环境发展趋势进行展望。
1 农业环境遥感监测的基本原理
遥感这种技术需要远离地物，在空间上和地物形成高度差，之后凭借传感器获得监测地物的光谱信息，进一步对此信息进行分析后，从而对地物属性进行基础的判断。每一个物体不仅能吸收、反射电磁波，而且不同波长的电磁波吸收与反射的特征互不相同，这种特点被称为物体的基本特性。植被指数是用多光谱遥感数据，经分析运算产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义的数值。农业生态环境监测有哪些植被指数，如何利用植被指数对农业生态环境进行监测，这些问题的解决能够使遥感在环境监测中发挥更大的作用。
1.1 农业生态环境监测植被指数RVI
它基本上不受土壤含水量的影响，能增强植被与土壤背景之间的辐射差异，并提供植被反射的重要信息，可用来估算和监测植被覆盖，是植被长势、丰度的度量方法之一；该指数对大气影响敏感，最好运用经大气纠正的数据，或将两波段的灰度值转换成反射率，消除大气对两波段不同非线性衰减速的影响后再进行指数的计算，而且当植被覆盖不够浓密时（小于50%），其分辨能力也很弱；在植物生长的整个阶段，能较好地反映植被的覆盖度和生长状况的差异，特别适合于植被生长高度旺盛并具有高覆盖度时的植被监测。
1.2 农业生态环境监测植被指数NDVI
它对绿色植被表现敏感，可以对农作物和半干旱地区降水量进行预测，常被用来进行区域和全球的植被状态研究。但NDVI对土壤背景的变化较为敏感，在农作物生长的初始季节，将过高估计植被覆盖的百分比；在农作物生长的结束季节，将产生估计低值，在植物生长还不旺盛而覆盖度处于中-低等程度时，随覆盖度增加而迅速增大，覆盖度增大到一定程度时就增加很缓慢。该指数适合于植被 早-中期生长阶段的监测 。
1.3 农业生态环境监测植被指数PVI
能较好地滤除了土壤背景的影响，且对大气效应的敏感程度也小于其他植被指数。正因为它减弱和消除了大气和土壤的干扰，所以被广泛应用于作物估产。
2 对水稻作物遥感监测的应用
2.1 水稻的遥感干旱监测
遥感干旱监测的一般方法是利用遥感可反演参数之间的关系建立干旱指标体系，将复杂的干旱现象概括到比较简单的数学或物理模型之中，进而通过这些参数与模型监测旱情。水稻干旱的直接诱因是水分亏缺，并且在干旱发展到一定程度时，水稻会表现出冠层温度升高、植被指数下降等特点。基于上述原理，水稻的遥感干旱监测一般考虑从土壤水分、冠层和地表温度、植被指数等要素的时空变化特点出发提取干旱信息。
2.2 水稻的长势监测
对水稻的长势进行监测，主要是利用遥感器收集水稻各个时段的苗情及周边环境动态变化的数据实现的。从而让人们对水稻的相关信息更加了解，如水稻具体分布、生长情况、虫害、草害等，为准时、精确地对水稻实施各种管理措施提供真实的数据。水稻生产管理者或该区域水稻发展管理决策者，就能依靠这一更灵敏的数据平台实时掌握更精准的数据，为水稻更好的长势保驾护航。所以，采用遥感技术对水稻的长势实时监测，不但有利于农业生产的客观管理，更为日后水稻产量的预估准备了更详细、准确的数据。
2.3 水稻的土壤水分监测
土壤水分是水稻吸收水分的主要来源，主要来自大气降水与灌溉水。一旦土壤水分含量的变化与水稻需水量出现不平衡，就会发生旱涝灾害，对我国农业生产构成威胁。因此土壤水分监测对农业生产、灾情监测、农业水资源管理及农田水分管理等方面意义重大。遥感技术能够实现大范围土壤水分数据的收集，通过各种遥感仪器测算土壤表明反射或发射的电磁能量，最终通过不同监测方法得到土壤水分含量。
3 提高农业环境遥感监测的途径
3.1 提高卫星遥感监测方法研究和技术装备
对卫星遥感监测质量产生影响的因素很多，总体表现在两个方面，即大气状况与数据自身的整体质量。首先，可利用相关技术处理或校正遥感图像中的大气误差。其次，提高遥感平台质量和加大遥感技术的研究力度，让传感器的性能快速提升，从而提高数据的整体质量。当然，除此之外还应该多想技术更先进的国家学习，适当加大国外优质设备的引进力度，为技术提升奠定物质参照基础。
3.2 完善遥感监测服务体系
要建立健全的农业环境遥感服务体系，只有农户的主动参与远远不够，还需政府、科学研究院及高等院校的大力支持与配合。首先，农户的科学知识水平有限，对掌握遥感卫星监测技术有难度。但农户对田间农情非常了解，可以发挥其优势与遥感卫星形成互补。其次，政府要加大資金、技术、人才等方面的支持力度，努力为遥感服务体系的建设不断提供保障，让遥感技术在农业中的应用和发展无后顾之忧。最后，科学研究院及高等院校不仅可以提供技术和研发力量，而且还可以大量培养这方面所需的人才，让更多的技术人才和更好的技术为水稻等农作物的生长提供有效保障。
参考文献
[1]方红亮.两种水稻种植面积遥感提取方案的分析[J].地理学报，1998，53（1）：58-65.
[2]李卫国，李秉柏，王志明等.作物长势遥感监测应用研究现状和展望[J].江苏农业科学，2006（3）：12-15.
[3]吉书琴，陈鹏狮，张玉书.水稻遥感估产的一种方法[J].应用气象学报，1997， 8（4）：519-512.
[4]李卫国，李花.利用HJ-1A卫星遥感影像进行水稻产量分级监测预报研究[J].中国水稻科学，2010，24（4）：385-390.
收稿日期：2018-04-17
作者简介：全广宇（1990-），男，助理工程师，本科，研究方向为卫星数据接收及设备维护。
摘要：遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。本文从遥感技术原理出发，介绍了几种重要的植被指数，然后以水稻遥感监测为例进行分析，最后阐述如何提高农业环境遥感监测水平。
关键词：卫星遥感；农业环境；监测；水稻
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0232-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.143
Monitoring of agricultural environment using satellite remote sensing technology-Taking rice as an example
Quan Guangyu， Li Qilong， Zhao Xin
（Jiamusi Meteorological Satellite Ground Station， Jiamusi Heilongjiang 154004， China）
Abstract： Remote sensing technology is a comprehensive detection technology that detects the electromagnetic wave radiation and reflection characteristics of ground targets by using various non-contact active and passive detection devices to detect the electromagnetic wave radiation and reflection characteristics of ground objects. It has the advantages of wide coverage area， high spatial resolution， large information acquisition， short revisit period， etc. It is suitable for agricultural research and agricultural disaster research and other agricultural-related fields. It guides agricultural production and the significance of decision-making management of relevant departments. major. Based on the principle of remote sensing technology， this paper introduces several important vegetation indices， and then takes rice remote sensing monitoring as an example to analyze how to improve the remote sensing monitoring level of agricultural environment.
Key words：Satellite remote sensing；Agricultural environment； Monitoring； Rice
农业生产具有农作物种类分布的分散性与地域复杂性特点，受环境因素影响大，从农耕文明的出现至今，农业靠天吃饭的局面没有得到根本性的改变，频繁的自然灾害给我国的农村经济发展造成了极大的困难。遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。20世纪70年代开始，欧美等发达国家最先应用卫星遥感技术对农作物进行面积监测与估產，之后遥感技术在农业各领域的应用得到不断拓展，我国从 20世纪80年代开始将遥感技术应用于农业领域，至今我国遥感技术应用的内容已涉及农业资源调查、农作物估产、灾害预警及精准农业等众多方面，为我国农业发展保驾护航。本文主要以遥感技术在水稻作物监测为例进行分析，并对遥感数据在农业环境发展趋势进行展望。
1 农业环境遥感监测的基本原理
遥感这种技术需要远离地物，在空间上和地物形成高度差，之后凭借传感器获得监测地物的光谱信息，进一步对此信息进行分析后，从而对地物属性进行基础的判断。每一个物体不仅能吸收、反射电磁波，而且不同波长的电磁波吸收与反射的特征互不相同，这种特点被称为物体的基本特性。植被指数是用多光谱遥感数据，经分析运算产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义的数值。农业生态环境监测有哪些植被指数，如何利用植被指数对农业生态环境进行监测，这些问题的解决能够使遥感在环境监测中发挥更大的作用。
1.1 农业生态环境监测植被指数RVI
它基本上不受土壤含水量的影响，能增强植被与土壤背景之间的辐射差异，并提供植被反射的重要信息，可用来估算和监测植被覆盖，是植被长势、丰度的度量方法之一；该指数对大气影响敏感，最好运用经大气纠正的数据，或将两波段的灰度值转换成反射率，消除大气对两波段不同非线性衰减速的影响后再进行指数的计算，而且当植被覆盖不够浓密时（小于50%），其分辨能力也很弱；在植物生长的整个阶段，能较好地反映植被的覆盖度和生长状况的差异，特别适合于植被生长高度旺盛并具有高覆盖度时的植被监测。
1.2 农业生态环境监测植被指数NDVI
它对绿色植被表现敏感，可以对农作物和半干旱地区降水量进行预测，常被用来进行区域和全球的植被状态研究。但NDVI对土壤背景的变化较为敏感，在农作物生长的初始季节，将过高估计植被覆盖的百分比；在农作物生长的结束季节，将产生估计低值，在植物生长还不旺盛而覆盖度处于中-低等程度时，随覆盖度增加而迅速增大，覆盖度增大到一定程度时就增加很缓慢。该指数适合于植被 早-中期生长阶段的监测 。
1.3 农业生态环境监测植被指数PVI
能较好地滤除了土壤背景的影响，且对大气效应的敏感程度也小于其他植被指数。正因为它减弱和消除了大气和土壤的干扰，所以被广泛应用于作物估产。
2 对水稻作物遥感监测的应用
2.1 水稻的遥感干旱监测
遥感干旱监测的一般方法是利用遥感可反演参数之间的关系建立干旱指标体系，将复杂的干旱现象概括到比较简单的数学或物理模型之中，进而通过这些参数与模型监测旱情。水稻干旱的直接诱因是水分亏缺，并且在干旱发展到一定程度时，水稻会表现出冠层温度升高、植被指数下降等特点。基于上述原理，水稻的遥感干旱监测一般考虑从土壤水分、冠层和地表温度、植被指数等要素的时空变化特点出发提取干旱信息。
2.2 水稻的长势监测
对水稻的长势进行监测，主要是利用遥感器收集水稻各个时段的苗情及周边环境动态变化的数据实现的。从而让人们对水稻的相关信息更加了解，如水稻具体分布、生长情况、虫害、草害等，为准时、精确地对水稻实施各种管理措施提供真实的数据。水稻生产管理者或该区域水稻发展管理决策者，就能依靠这一更灵敏的数据平台实时掌握更精准的数据，为水稻更好的长势保驾护航。所以，采用遥感技术对水稻的长势实时监测，不但有利于农业生产的客观管理，更为日后水稻产量的预估准备了更详细、准确的数据。
2.3 水稻的土壤水分监测
土壤水分是水稻吸收水分的主要来源，主要来自大气降水与灌溉水。一旦土壤水分含量的变化与水稻需水量出现不平衡，就会发生旱涝灾害，对我国农业生产构成威胁。因此土壤水分监测对农业生产、灾情监测、农业水资源管理及农田水分管理等方面意义重大。遥感技术能够实现大范围土壤水分数据的收集，通过各种遥感仪器测算土壤表明反射或发射的电磁能量，最终通过不同监测方法得到土壤水分含量。
3 提高农业环境遥感监测的途径
3.1 提高卫星遥感监测方法研究和技术装备
对卫星遥感监测质量产生影响的因素很多，总体表现在两个方面，即大气状况与数据自身的整体质量。首先，可利用相关技术处理或校正遥感图像中的大气误差。其次，提高遥感平台质量和加大遥感技术的研究力度，让传感器的性能快速提升，从而提高数据的整体质量。当然，除此之外还应该多想技术更先进的国家学习，适当加大国外优质设备的引进力度，为技术提升奠定物质参照基础。
3.2 完善遥感监测服务体系
要建立健全的农业环境遥感服务体系，只有农户的主动参与远远不够，还需政府、科学研究院及高等院校的大力支持与配合。首先，农户的科学知识水平有限，对掌握遥感卫星监测技术有难度。但农户对田间农情非常了解，可以发挥其优势与遥感卫星形成互补。其次，政府要加大資金、技术、人才等方面的支持力度，努力为遥感服务体系的建设不断提供保障，让遥感技术在农业中的应用和发展无后顾之忧。最后，科学研究院及高等院校不仅可以提供技术和研发力量，而且还可以大量培养这方面所需的人才，让更多的技术人才和更好的技术为水稻等农作物的生长提供有效保障。
参考文献
[1]方红亮.两种水稻种植面积遥感提取方案的分析[J].地理学报，1998，53（1）：58-65.
[2]李卫国，李秉柏，王志明等.作物长势遥感监测应用研究现状和展望[J].江苏农业科学，2006（3）：12-15.
[3]吉书琴，陈鹏狮，张玉书.水稻遥感估产的一种方法[J].应用气象学报，1997， 8（4）：519-512.
[4]李卫国，李花.利用HJ-1A卫星遥感影像进行水稻产量分级监测预报研究[J].中国水稻科学，2010，24（4）：385-390.
收稿日期：2018-04-17
作者简介：全广宇（1990-），男，助理工程师，本科，研究方向为卫星数据接收及设备维护。
