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人造卫星能为农业做什么?从调节“蒜你狠”到全球估产

http://www.aweb.com.cn 2019年10月12日 10:57 农博网

  经过近40年的发展,监测领域已经拓展到农作物估产、农业灾害、农业重点工程、农业种植结构调整、渔情渔汛、农村经济发展等领域

  新京报讯(记者 周怀宗)10月5日2时51分,我国在太原卫星发射中心成功发射了高分十号卫星。

  据介绍,该卫星的地面像元分辨率最高可达亚米级(空间分辨率小于1米),将在国土资源调查、土地确权、城市规划、路网设计,以及农作物估产和防灾减灾等领域得到广泛应用。

  早在上世纪80年代,我国就开始了农业农村领域的卫星遥感数据应用,经过近40年的发展,监测领域已经拓展到农作物估产、农业灾害、农业重点工程、农业种植结构调整、渔情渔汛、农村经济发展等领域,卫星遥感技术已经成为农业农村领域重要的信息来源。

  10月9日,为了解卫星遥感技术在农业领域应用的具体细节,新京报记者来到中国农科院农业资源与农业区划研究所,采访了刘佳研究员,她向记者介绍了卫星数据在我国农业农村领域的应用概况。

  全面监测,天空地一体的数据采集

  刘佳介绍说,“从目前的数据源来看,遥感监测体系大致可以分为五层,最高一层是离地36000千米的地球同步卫星,主要进行大范围、高频次的定点观测。第二层是离地500到1500千米的极轨卫星系列,也是当前最为主要遥感数据源,主要进行中高分辨率的遥感影像采集。第三层是离地500到2000米的有人机,主要进行甚高分辨率遥感影像采集。第四层是离地50到500米的无人机,进行高分辨率遥感影像采集。第五层是地面监测平台,包括地面样方、地下样点的实际采集。”

  “上个世纪,农业遥感应用主要采用国外数据源,在农作物估产领域开展应用,主要包括农作物面积、长势、墒情、产量等内容,这也是卫星数据在农业行业应用的基础项目,这个工作是持续性的监测工作”。

  “进入20世纪以来,伴随着我国航天事业的快速发展,我国在轨运行的各类卫星数量已达数百颗,再加上有人机、无人机、地面监测站等,针对农业行业应用,我国已经初步形成了以国产卫星数据为主的天空地一体化遥感监测系统”。

  “特别是我国高分专项的实施,打破了多年来农业遥感业务运行系统中高分辨率遥感数据依赖外国卫星的局面。目前,在轨高分卫星数据已成为农业遥感的主要数据源之一,广泛应用于农作物估产、农业资源调查、农业工程规划与项目管理、农业灾害监测与损失评估等领域中,为稳定粮食生产、疫情灾害防控、发展乡村产业、改善农村人居环境提供信息支持。特别是在全国冬小麦和北方水稻等作物种植面积监测、北方设施农业分布调查、全国水产养殖区域监测等业务工作中,高分卫星数据已全部取代国外同类数据”,刘佳说。

  农作物监测,包括生长情况环境变化等

  不同层次的遥感设备承担着不同的任务,刘佳说,“比如无人机和有人机,都是采集高分辨率遥感影像的,但两者也有区别,有人机影响更丰富,工作范围也更大,无人机工作范围较小,但能够较全面地采集一个小区域内的信息。地面监测设备,则更注重于土壤温度、湿度、酸碱度等方面的信息采集”。

  除了光学监测和采集之外,雷达也是重要的信息来源,“雷达是全天候的,比如阴天、夜间等,普通的光学监测会受到较大的影响,但雷达受到的影响就比较小,仍可以工作。此外,还有人工监测,就是人拿着设备到地头采集信息,这也是一种信息源的补充”。

  相对于传统的人力观测和采集,天空地一体化的监测更加全面和详实,刘佳说,“首先是监测范围更广,通过卫星可以实现大面积同步观测,如果用人力的话,仅仅是观测同一种作物,要收集全国的数据,需要耗费大量的人力物力。第二是更新快,卫星在天上会定期拍照、采集数据,最快可以达到每十几秒拍一张照片。但并不是所有的数据采集都需要这么密集的更新,根据情况不同,一般10到40天更新一次 。第三是信息更丰富,农作物的生长情况、生长环境的变化等,都在观测范围内”。

  作物估产,越接近收获越准确

  作物估产是卫星数据最基础的应用,作物估产主要根据三方面的数据,作物种植面积、单产、生长情况。

  通过卫星,可以观测到单一作物在全国的实际种植面积,结合各个品种的单产,就能算出大概的产量,同时,卫星还会长期观测作物长势,根据生长情况,不断调整估算数据,“越接近作物成熟的时间,变化就越少,估算的数据也就越接近实际产量”,刘佳说。

  长势监测,可提供作物管理依据

  作物估产一般从生长的中后期开始,比如小麦,在拔节以后就开始估算产量。但在此之前,长势监测早已开始。

  长势监测可以监测作物叶面积指数、叶绿素含量、氮含量、氮累积量等,通过这些参数,进行长势评价,可以帮助监测者计算施肥量,以及何时适合施肥、浇水等。此外,长势监测数据还可以作为预测作物品质的依据。

  耕地轮作,可以精确到农户的每块地

  耕地轮作是保护耕地的重要方法之一。以卫星遥感观测结合农村承包地确权登记数据,采用两年卫星影像对比,就可以获得实际休耕的面积。再和地方上报的数据进行比较分析,就可以得到更加准确的休耕数据,这可以为耕地轮作休耕补贴的发放,提供客观的数据保障。也就是说,通过卫星观测,可以看出某一块地去年和今年种植情况,如果去年种了,今年没种,则可认定确实是休耕。

  “对耕地轮作的监测,2015年开始试点,2017年在全国推广。这种监测可以精确到每一户每一块地。在试点时,就有一位农民将自家的耕地位置报错了,他上报的位置,在卫星上看,在一条河里,我们就联系当地农业部门,工作人员实地采集数据,第二次上报的位置就和卫星数据吻合了”,刘佳说。

  调整作物布局,优化农业生产

  通过对各地土壤、气候、水文等信息的观测和分析,可以调整当地农作物的种植结构,或增多、或减少,以此保护种植环境,并获得最好的种植效益。

  “通过遥感数据,结合水资源等限制因素,我们可以知道哪儿适合减少、哪儿适合增多,哪儿适合换一个种类种植等,特别是在资源限制因素突出的地区更是如此。比如我们曾经调整西部某地水稻种植,就是以该地水资源总量为约束条件,做出了水稻种植面积适当减少的结论”,刘佳说。

  灾害监测,估算农业损失

  2018年,早到的霜冻期,大面积影响了苹果、花椒等多种作物的产量,导致2019年上半年苹果的市场价猛涨。那么,霜冻灾害到底造成了多少损失?可以通过卫星遥感来监测和估算。刘佳介绍,“我们可以采用各类卫星数据,获得受灾作物的空间分布、低温冷害发生的范围,灾后作物的生长状况等数据,以此来评估受灾等级,预计产量损失。”

  除了低温冷害,还有干旱、洪涝灾害、病虫害等,同样可以监测和评估损失,刘佳说,“通过光学监测,识别不同的波段变化,可以得到多方面的数据。比如洪涝灾害中淹没的面积、时长,淹没之后农作物的变化,是病了还是死了,通过这些数据,可以计算出损失情况,为农业保险的赔偿、恢复生产的投入等提供依据。”

  全球估产,为进口提供依据

  卫星遥感不仅可以为国内作物估产,还能观测和估算全国各个作物的生产情况。刘佳介绍说,“通过卫星,我们可以观测到全球各个大宗农作物的种植面积、单产情况等,由此得到各种作物的产量。这可以为我们在进口农产品时提供数据支撑。”

  设施农业,监测大宗农作物

  除了监测大宗农作物的生产情况,卫星遥感还可以监测设施农业、养殖业等各个产业的生产状况。

  比如养殖业、规模化的设施农业,通过人眼观察和分析高分辨率的卫星影像,就可以准确地获得设施农业的分布、面积等情况,“在大于100米长度的设施农业监测中,吻合度可以达到90%以上。也就是说,一个养殖场,我们可以清楚地看到它占地多大,内部分成多少,有没有动物在活动等”,刘佳说,“比如要监测某个区域内的果园,对平原区的果园,可以直接采用高分六卫星宽幅相机的影像,其他面积较小或地形复杂的区域,则需要综合使用高分相机和宽幅相机的影像,和实际种植面积的吻合度可以达到80%到90%。”

  特色产业,调节“蒜你狠”

  水产养殖、果园分布、特色作物种植面积等等地方政府关心的数据,都可以通过卫星遥感获得数据,刘佳说,“通过水产养殖的面积、品种、生长情况等数据,可以获得当年的水产品产量等情况,准确度还是比较高的,卫星图片甚至可以看到养殖区有多少打氧泵”。

  卫星遥感还可以监测特定农作物的生产情况,“比如大蒜,我们可以观测到某个大蒜产地当年具体的种植面积还可以观测到当地建设的冷库面积,算出这些冷库最多能储存多少大蒜,在出现‘蒜你狠’这样的情况时,可以提供一定的数据支持。当然,想要监测到实际储存量,目前还有困难,冷库里没有摄像头,想要获得真实的数据,可能要通过人工采集等其他的方式。”

  山东金乡县大蒜种植分布图。红色为冷库,通过卫星遥感,可以计算出冷库的设计储存量。受访者供图

  智慧农业,未来可能一键种地

  无人机监控、撒药、智能水肥供给、自动化耕作机械等技术综合应用,智慧农业是农业发展的大趋势之一。近年来,智慧农业发展迅速,大量高科技企业进入智慧农业领域,刘佳说,“目前来说,虽然还做不到‘一键耕种’,但大量高科技产品正在快速出现,尤其在规模化种植的区域”。

  基于天空地一体信息采集和处理的基础,智慧农业在种植之前就已经开始发挥作用,刘佳说,“首先,对农田地块的位置、形态、环境、甚至农户情况等多维信息进行分析,可以为农户提供决策的依据。其次,在具体层面,也能做到很多以前做不到的事情,比如通过无人机,可以监测一片苹果园中结果的数量,以此来估算产量。还可以通过智能化的水肥一体化系统,自动控制水肥的供给。第三,通过自动驾驶技术,大型的机械可以实现无人作业。比如说无人收割机,通过控制平台发送播种轨迹等数据,它就可以自动对行、自动调头,实现全自动的收割。也就是说,只要给它发送特定数据,不用遥控,它自己就会找到播种的行间,车轮不会压坏作物,还会自己调头。”

  “当前,这些技术和产品,大多还是试行的阶段,没有大规模普及,使用者也多是种植大户、种植企业等。但可以想象,在不远的将来,它们肯定会通过社会化服务等多种渠道,进入千家万户,改变千百年来的农业生产方式。甚至人不用下地,在家里一键种地,也不是没有可能的”。

  智慧农业中的苹果数量检测及估产。受访者供图

  全程追踪,销售放心产品

  农产品的全程追踪也是智慧农业的重要表现之一。刘佳介绍说,“比如某个苹果,它的品种、产地,果园的环境、生长过程中的施肥情况、病虫害情况、种植它的主人的情况,采摘、包装、运输的过程,完全可以实现全程追踪,消费者一键就能了解这个苹果的一生。在未来的食品消费升级中,这可能会是非常普通的场景”。

  困难,遥感技术仍有瓶颈

  卫星遥感技术、天空地一体的监测系统,在农业农村的发展中,所发挥的作用,远比人们想象的更多,但即便如此,卫星遥感技术在农业中的应用,仍有瓶颈亟待破解。

  “大体来说,有三方面的困难。第一,数据仍旧不足,农作物和农业环境变化快,结构复杂,对数据的时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率要求高,目前在轨卫星数据还难以完全满足市场化应用的需求。第二,各地区农业生产特征不同,需要参数、模型等也不同,这限制了遥感产品的应用,需要更先进的方法获取参数,更多适应不同区域的模型去计算。第三,缺少高精度的农业空间基础设施。例如,大范围高精度地块数据、地面真实性检验同步观测网等。当前,国家已经开始重视这块的投入,像农村集体所有制土地确权数据库建设等,在未来,这些基础设施完善之后,遥感技术的应用,智慧农业的发展会变得更繁荣”。

  新京报记者 周怀宗

    (文章来源:新京报 )


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