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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

时间:2019-12-03 11:45:18 人气:925

新京报(记者周怀宗)10月5日2: 51,中国在太原卫星发射中心成功发射了高芬10号卫星。

据报道,卫星地面像素分辨率可达到最高亚米级(空间分辨率小于1米),将广泛应用于国土资源调查、土地权属确定、城市规划、路网设计、作物产量估算、防灾减灾等领域。

早在20世纪80年代,中国就开始在农业和农村地区应用卫星遥感数据。经过近40年的发展,监测领域已经扩大到包括作物产量估计、农业灾害、重点农业项目、农业种植结构调整、渔业状况和汛期以及农村经济发展。卫星遥感技术已经成为农业和农村地区的重要信息来源。

10月9日,为了了解卫星遥感技术在农业领域应用的具体细节,北京新闻记者来到中国农业科学院农业资源与农业区划研究所采访研究员刘佳。她向记者介绍了卫星数据在中国农业和农村地区的应用概况。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员刘佳。由《新京报》记者王赢拍摄

综合监测、天地一体化数据收集

刘佳说,“从目前的数据来源来看,遥感监测系统大致可以分为五层。最高层是一颗36000公里长的地球同步卫星,主要进行大规模高频定点观测。第二层是一系列离地面500到1500公里的极地轨道卫星。它也是目前最重要的遥感数据源,主要采集中高分辨率遥感图像。第三层是离地面500至2000米的载人飞机,主要收集非常高分辨率的遥感图像。第四层是无人机,离地面50-500米,用于高分辨率遥感图像采集。第五层是地面监测平台,包括实际采集的地面样本和地下样本点。”

“上个世纪,农业遥感应用主要利用国外数据源,应用于作物产量估算领域,主要包括作物面积、生长、土壤含水量、产量等内容。这也是卫星数据应用于农业的基础工程。这项工作是一项持续的监测工作”。

“20世纪以来,随着中国航天事业的快速发展,中国在轨卫星数量已达数百颗。除了载人飞机、无人飞行器、地面监控站等。在农业应用方面,中国初步形成了基于国内卫星数据的天地一体化遥感监测系统。”

“特别是,中国高分辨率专项计划的实施打破了多年来农业遥感业务系统依赖外国卫星获取高分辨率遥感数据的局面。目前,在轨高分辨率卫星数据已经成为农业遥感的主要数据源之一。它广泛应用于作物产量估算、农业资源调查、农业工程规划和项目管理、农业灾害监测和损失评估等领域。它为稳定粮食生产、流行病防治、发展农村工业和改善农村人居环境提供信息支持。特别是在全国对冬小麦和北方水稻等作物种植面积的监测、对北方设施农业分布的调查以及全国对水产养殖面积的监测中,高分卫星数据已经完全取代了国外的类似数据,”刘佳说。

内蒙古玉米大豆面积监测。由《新京报》记者王赢拍摄

作物监测,包括生长、环境变化等。

不同级别的遥感设备承担不同的任务。刘佳说,“例如,无人机(UAV)和载人飞机收集高分辨率遥感图像,但两者之间存在差异。有人驾驶飞机的影响更大,工作范围更广,无人机的工作范围更小,但可以更全面地在小范围内收集信息。地面监测设备更加注重土壤温度、湿度、酸碱度等信息的采集

除了光学监测和采集,雷达也是一个重要的信息源。“雷达是全天候的,如昼夜多云。普通的光学监控将会受到很大的影响,但是雷达将会受到较小的影响,并且仍然可以工作。此外,还有人工监控,即人们带着设备在野外收集信息,这也是对信息源的补充。”

与传统的人工观测和采集相比,天地一体化监测更加全面和细致。刘佳说,“首先,监控范围更广。大面积同步观测可以通过卫星实现。如果使用人力,只能观察同样的作物。收集国家数据需要大量的人力和物力。第二是快速更新。卫星会定期在天空拍照和收集数据。拍照的最快时间是每十秒钟一次。然而,并不是所有的数据收集都需要如此密集的更新,根据具体情况,通常每10到40天进行一次更新。第三是更丰富的信息。作物的生长和生长环境的变化都在观察范围之内。”

内蒙古东四盟春玉米籽粒蛋白质含量的分布。受访者提供了照片。

作物产量估计,收获越近,越准确。

作物产量估计是卫星数据最基本的应用。作物产量估计主要基于三个方面的数据:作物种植面积、单位产量和生长量。

通过卫星,可以观测到全国单一作物的实际种植面积,并根据每一品种的单位产量计算出近似产量。同时,卫星还将长期观察作物生长,并根据生长情况不断调整估计数据。刘佳说:“作物越成熟,变化就越小,估计的数据就越接近实际产量。”。

生长监测可以为作物管理提供基础。

作物产量估计通常始于生长中后期,如小麦,始于拔节期之后。但在此之前,增长监控已经开始。

生长监测可以监测作物叶面积指数、叶绿素含量、氮含量、氮积累等。通过这些参数,生长评价可以帮助监测者计算施肥量以及何时适合施肥和浇水等。此外,生长监测数据也可以用作预测作物质量的基础。

农田轮作可以精确到农民的每一块土地。

耕地轮换是保护耕地的重要手段之一。通过卫星遥感观测与农村承包土地权属登记数据相结合,对比两年的卫星图像,可以得到实际的休耕面积。通过对比分析地方政府上报的数据,可以获得更准确的休闲数据,为农地流转休闲补贴的分配提供客观的数据保障。也就是说,通过卫星观测,我们可以看到去年和今年某个地区的种植情况。如果它是去年种的,但不是今年种的,我们可以确认它确实是休耕的。

“耕地轮换监测将于2015年开始,并将于2017年在全国推广。这种监测对每一个家庭和每一块土地都是准确的。在试点期间,一个农民报告了他自己农田的错误位置。他报告的位置在卫星上。在一条河里,我们联系了当地农业部门,工作人员当场收集了数据。第二次报道的位置与卫星数据一致,”刘佳说。

卫星遥感发现农田报告信息有误。受访者提供了照片。

调整作物布局优化农业生产。

通过对土壤、气候、水文等信息的观察和分析,可以调整或增减当地作物的种植结构,从而保护种植环境,获得最佳种植效益。

“通过遥感数据,结合水资源和其他限制因素,我们可以知道在哪里减少,在哪里增加,在哪里改变到不同类型的种植,等等。尤其是在资源严重受限的地区。例如,我们已经调整了西部某个地方的水稻种植,我们的结论是,水稻种植面积应该根据该地区的水资源总量适当减少。

灾害监测,评估农业损失

2018年,早霜影响了苹果和花椒等许多作物的产量,导致苹果的市场价格在2019年上半年飙升。那么,霜冻造成了多大的损害?它可以通过卫星遥感进行监测和估计。刘佳说:“我们可以利用各种卫星数据获得受灾作物的空间分布、低温冷害的发生范围以及灾后作物的生长状况,从而评估灾情,预测产量损失。”

除了低温冷害、干旱、洪水、病虫害等。,还可以监控和评估损失。刘佳说,“通过光学监测,我们可以识别不同波段的变化,获得各种数据。例如,洪水灾害中的淹没面积和持续时间,以及淹没后作物的变化,无论它们是生病还是死亡,都可以通过这些数据进行计算,为农业保险的补偿和恢复生产的投入提供依据。”

2018年4月河南省小麦条锈病监测。受访者提供了照片。

全球产量估算为进口提供了依据。

卫星遥感不仅可以估计国内作物的产量,还可以观察和估计国内各种作物的产量。刘佳说,“通过卫星,我们可以观察到世界上各种大作物的种植面积和单位产量,从而获得各种作物的产量。这可以为我们进口农产品提供数据支持。”

设施农业,主要作物监测

除了监测大型作物的生产,卫星遥感还可以监测设施农业、水产养殖和其他行业的生产。

例如,在水产养殖和大规模设施农业中,可以通过用人眼观察和分析高分辨率卫星图像来精确地获得设施农业的分布和面积。“在监测长度超过100米的设施农业中,符合度可达90%以上。也就是说,对于一个农场来说,我们可以清楚地看到它占据了多少土地,分成了多少块,动物是否在移动,”刘佳说。“例如,为了监控某一地区的果园,对于平原地区的果园,我们可以直接使用高分辨率六卫星宽宽相机的图像。对于其他面积小或地形复杂的地区,我们需要结合使用高分辨率相机和宽幅相机的图像,与实际种植面积的符合度可以达到80%-90%。”

特殊行业,调整“大蒜你狠”

有关水产养殖、果园分布、特色作物种植面积和其他地方政府的数据可以通过卫星遥感获得。刘佳说,“通过水产养殖面积、品种、生长等情况的数据,可以获得当年的水产品产量等情况。精确度仍然相对较高。卫星图像甚至可以看到水产养殖区有多少氧气泵”。

卫星遥感还可以监测特定作物的产量,“例如大蒜,我们可以观察当年某个大蒜产区的特定种植面积和当地建造的冷库面积,计算出这些冷库中可以储存的大蒜的最大数量,并在‘大蒜难吃’的情况下提供一定的数据支持。当然,仍然很难监控实际存储容量。冷库里没有照相机。要获得真实数据,可能需要手动收集和其他方法。”

山东省金乡县大蒜种植分布。红色是冷库,冷库的设计库容可以通过卫星遥感来计算。受访者提供了照片。

智能农业可能是未来农业的关键

智能农业是农业发展的主要趋势之一,它综合应用了无人机监控、药物配送、智能水肥供应和自动农业机械等技术。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,虽然还没有一键农业,但大量高科技产品正在迅速涌现,特别是在大面积种植区”。

在收集和处理天地一体化信息的基础上,智能农业开始在种植前发挥作用。刘佳说,“首先,对农田地块的位置、形状、环境甚至农民状况等多维信息的分析可以为农民决策提供依据。其次,在特定的层面上,它还可以做许多以前做不到的事情。例如,无人驾驶飞行器可以监控苹果园的结果数量来估计产量。水肥供应也可以通过智能水肥一体化系统自动控制。第三,通过自动驾驶技术,大型机械可以实现无人操作。例如,无人收割机可以通过控制平台发送播种轨迹等数据自动掉头,从而实现全自动收割。换句话说,只要特定的数据在没有遥控的情况下发送给它,它就会自己找到播种线,轮子不会压碎庄稼,它会自己转动。"

“目前,这些技术和产品大部分仍处于试验阶段,尚未大规模推广。用户也是大种植者和种植者。但是,可以想象,在不久的将来,他们肯定会通过社会服务等各种渠道进入成千上万个家庭,改变几千年来的农业生产模式。即使一个人不必去田里,在家里也不是不可能。”

智能农业中苹果数量检测与产量估算。受访者提供了照片。

跟踪整个过程,轻松销售产品。

农产品跟踪也是智能农业的重要表现之一。刘佳说,“例如,一个苹果,它的品种、产地、果园环境、生长过程中的施肥、病虫害、植物的主人,以及采摘、包装和运输的过程都可以完全跟踪。消费者只需点击一下鼠标就能了解苹果的整个生命。这可能是未来食品消费升级中非常常见的情况。”

困难重重,遥感技术仍然存在瓶颈

卫星遥感技术和天地一体化监测系统在农业和农村发展中发挥的作用远远超出人们的想象,但尽管如此,卫星遥感技术在农业中的应用仍存在亟待解决的瓶颈。

“一般来说,有三个困难。首先,数据仍然不足,作物和农业环境变化迅速,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较高。目前,在轨卫星数据仍然难以完全满足市场应用的需求。第二,不同地区的农业生产具有不同的特点,需要不同的参数和模型,这限制了遥感产品的应用,需要更先进的方法来获取适合不同地区计算的参数和模型。第三,缺乏高精度的农业空间基础设施。如大规模高精度地块数据、地面真实性检查同步观测网络等。目前,国家已经开始重视这一投资,例如建立一个数据库,用于确定农村地区集体所有土地的所有权。未来,随着这些基础设施的改善,遥感技术的应用和智能农业的发展将更加繁荣”。

新京报记者周怀宗

编辑张舒静校对王新

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