遙感技術(shù)為農(nóng)情監(jiān)測裝上“天”眼。 中國農(nóng)科院供圖
7月26日,長江2020年第3號洪水形成。今年汛期以來,我國洪澇災(zāi)害較往年更加嚴重,全國數(shù)百條河流發(fā)生了超警戒線洪水,南方多省份受災(zāi)嚴重。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣象條件影響很大,農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測技術(shù)因其宏觀性、經(jīng)濟性、動態(tài)性、時效性等特征,正逐漸成為我國農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測的重要手段。通過這一有力工具及時、準確、客觀獲取的農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)展動態(tài)信息,成為決策部門制定防災(zāi)減災(zāi)方案的重要依據(jù)。
遙感技術(shù)應(yīng)用猶如為農(nóng)業(yè)災(zāi)情監(jiān)控裝上了“天”眼,不過還有待繼續(xù)修煉,方能成就辨“妖”識“魔”的“火眼金睛”。
監(jiān)測災(zāi)情開“天”眼
嚴重的農(nóng)業(yè)災(zāi)害會造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn),給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟運行帶來較大壓力。近年來,遙感技術(shù)高空間、高時間、高光譜分辨能力的提升,為科學(xué)家利用其獲取農(nóng)情信息、農(nóng)業(yè)災(zāi)害信息,加快發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供了機遇。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所(以下簡稱資劃所)研究員王利民長期從事農(nóng)情遙感研究。他告訴《中國科學(xué)報》,遙感技術(shù)的特點在于能夠獲取精細化的格網(wǎng)數(shù)據(jù),即能夠以空間上連續(xù)的方法監(jiān)測單位面積內(nèi)農(nóng)作物的種類、面積、長勢、單產(chǎn)狀況,并估算耕地土壤墑情、病蟲害等作物生長狀態(tài)和生長環(huán)境信息,滿足指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及時性的需求。
農(nóng)業(yè)旱災(zāi)實為我國最常見、影響最大的氣候災(zāi)害,粗略估計,因干旱造成糧食減產(chǎn)和經(jīng)濟損失約占氣象災(zāi)害造成經(jīng)濟總損失的一半以上?!昂禐?zāi)最主要的體現(xiàn),就是農(nóng)作物長勢差了。”王利民表示,通過與歷史生長數(shù)據(jù)比對,就可以判斷出旱情的總體趨勢。
在各類農(nóng)業(yè)災(zāi)害中,洪澇災(zāi)害突發(fā)性強、危害性大、時空分布廣。王利民介紹,洪災(zāi)的遙感監(jiān)測主要通過淹沒面積、淹沒時間來評估受災(zāi)程度。
病蟲害也是影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,病蟲害的發(fā)生會導(dǎo)致特定波段反射率明顯升高。這是遙感技術(shù)能夠快速、準確、盡早地對病蟲害的發(fā)生范圍和程度進行監(jiān)測的基礎(chǔ)。
王利民介紹,衛(wèi)星空間分辨率可以分為高、中、低空間分辨率,目前使用較多的是10~30米之間的中分辨率可見光數(shù)據(jù)。
“隨著高分專項的發(fā)展,我國農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率可以達到米級,中國區(qū)域農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的回訪周期達到5天左右。這個時空分辨率水平基本滿足了大范圍農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測估算的需求,并且也兼顧了一定的經(jīng)濟成本?!?a target="_blank">資劃所研究員吳文斌告訴《中國科學(xué)報》。
高品質(zhì)衛(wèi)星平臺的重要作用
目前,遙感技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)情遙感監(jiān)測中的應(yīng)用廣泛且深入,在我國東北地區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)等典型規(guī)模化種植區(qū)域的應(yīng)用上更具優(yōu)勢。
近日,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授劉煥軍談到黑龍江在農(nóng)業(yè)遙感中的優(yōu)勢。他認為,一方面是黑龍江可耕地田塊大,相對規(guī)整,種植情況相對簡單;另一方面是當?shù)卦旗F少,可獲取的衛(wèi)星影像就會相對較多。
但在我國系列遙感衛(wèi)星,尤其是高分系列衛(wèi)星升空之前,農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)主要依靠國外數(shù)據(jù)源。不同單位的科研人員合買國外衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù),是農(nóng)業(yè)科研圈每年要經(jīng)歷的一件大事。
“隨著搭載農(nóng)業(yè)需求的高分系列衛(wèi)星發(fā)射成功,國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的售價大幅度降低,幾種常用的遙感數(shù)據(jù)目前都直接免費開放了?!蓖趵癖硎?。
高品質(zhì)衛(wèi)星平臺的研制對我國農(nóng)業(yè)遙感乃至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究水平提升,發(fā)揮著重要作用。
2019年,我國首顆實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準觀測的高分六號遙感衛(wèi)星正式投入使用。它首次增加了能有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段,能夠?qū)崿F(xiàn)對玉米、大豆、棉花等同期生長的大宗作物,以及其他大面積種植的經(jīng)濟作物的有效識別。
在國家相關(guān)課題的資助下,針對高分六號衛(wèi)星農(nóng)業(yè)應(yīng)用,農(nóng)業(yè)科研與業(yè)務(wù)部門開展了系統(tǒng)全面的研究,取得了一些進展。
“雖然我們現(xiàn)在依然需要依靠國外數(shù)據(jù),但以國產(chǎn)衛(wèi)星為主體的數(shù)據(jù)體系逐步形成,保障能力得到顯著改善?!眳俏谋笳f。
尚存差距,繼續(xù)“修煉”
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間多樣性、季節(jié)多變性和種植復(fù)雜性,對遙感衛(wèi)星的空間分辨率、時效性、譜段載荷等都提出了很高的要求。受訪者向《中國科學(xué)報》強調(diào),高分六號衛(wèi)星與高分一號衛(wèi)星組網(wǎng)運行,以此大幅提高對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草原等資源的監(jiān)測能力,并非農(nóng)業(yè)專用衛(wèi)星。
相較之下,歐美日等國家和地區(qū),已有多顆/組農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星和星座相繼發(fā)射、在軌組網(wǎng)應(yīng)用。
王利民說,與國家農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的需求相比,當前用于農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測的衛(wèi)星資源仍然不足。積極尋找農(nóng)作物敏感波段,有針對性地開展農(nóng)業(yè)資源衛(wèi)星建設(shè),無論是多行業(yè)共用衛(wèi)星,還是農(nóng)業(yè)專屬衛(wèi)星,都是我國航天強國建設(shè)的組成部分。
從空間分辨率的滿足程度看,高分六號衛(wèi)星16米空間分辨率的載荷,對于大范圍、大宗農(nóng)作物趨勢性的監(jiān)測是適用的也是高效的。但隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,更高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)才能滿足不斷提升的精準農(nóng)業(yè)需求,以及耕地地塊較為破碎區(qū)域的監(jiān)測需求。
除衛(wèi)星技術(shù)本身外,吳文斌認為,衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展仍不足,致使遙感數(shù)據(jù)未能走進千家萬戶和田間地頭,這是我國農(nóng)業(yè)遙感產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)科技發(fā)達國家的另一差距。
“美國、歐盟等發(fā)達國家在衛(wèi)星應(yīng)用核心技術(shù)研發(fā)上起步早,在對地觀測數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)診斷與挖掘、數(shù)據(jù)共享與決策支撐系統(tǒng)研發(fā)等方面處于領(lǐng)先地位,衛(wèi)星觀測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于本國或全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測。我國衛(wèi)星應(yīng)用用戶多為政府,以服務(wù)政策決策管理為主,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍不足,衛(wèi)星應(yīng)用在很多地方仍是‘盆景’?!眳俏谋笳f。
他認為,問題的核心在于:第一,我國農(nóng)業(yè)總體上處于小農(nóng)種植模式,農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營不足,經(jīng)營主體對遙感應(yīng)用的需求動力不足;第二,衛(wèi)星應(yīng)用具有技術(shù)密集型和資金密集型特點,衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取、處理與分析等門檻比較高,面向應(yīng)用的核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)不足,科技供給落后于產(chǎn)業(yè)需求,使得遙感應(yīng)用還沒有大眾化。
目前也有農(nóng)業(yè)保險公司將遙感數(shù)據(jù)納入理賠依據(jù),以提高農(nóng)業(yè)承保和理賠精度與效率,也為農(nóng)民盡快獲得保險定損賠償提供幫助。
不過,吳文斌指出,農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)處理的專業(yè)性強,要與農(nóng)學(xué)知識模型深度融合,與計算機視覺、深度學(xué)習等人工智能方法集成,構(gòu)建動植物生產(chǎn)監(jiān)測、識別、診斷、模擬與調(diào)控的專有模型和算法進行分析,一般的商業(yè)公司并不具備這些能力。
“能做出科學(xué)診斷才能體現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的價值?!币虼?,吳文斌認為,如何調(diào)動多方主體積極性是迫切需要解決的關(guān)鍵問題。
目前,政產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展模式、創(chuàng)新鏈和創(chuàng)業(yè)鏈雙向融合模式尚未有效建立,支撐衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“技術(shù)+商業(yè)模式+金融服務(wù)”的數(shù)字化生態(tài)尚未形成。這使得衛(wèi)星應(yīng)用集成化不夠、經(jīng)濟效益不高,阻礙了衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)的更新迭代和良性發(fā)展。