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航天宏图“气象+遥感”——助力精准农业信息服务

(2016-11-10 15:50:34)
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航天宏图

遥感

遥感软件

分类: 行业应用

“民以食为天”,我国是农业大国,农业问题始终是关系国计民生的大事。随着社会的发展与进步,我国农业已发生了较大的变化。但人多地少、资源短缺、环境恶化、农业生产资料浪费现象严重、人增地减仍是普遍存在的现实。另外靠天吃饭,是我国几千年来传统农业不可跨越的屏障,各种自然灾害严重制约着农业经济的发展。因此发展和应用以“用天”吃饭为主的精准农业,是实现我国现代化农业的重要内容。


图 1 农业自然灾害

    精准农业(Precision Agriculture)由美国学者于20世纪90年代提出,是一个综合应用现代高科技,以获得农田高产、优质、高效的现代化农业生产模式和技术体系。具体讲就是利用遥感技术(RS)、全球卫星定位技术(GPS)和地理信息技术(GIS)等3S技术实时获取农田每一操作单元(每一平米或几平米为一个小区)的作物生产环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息,及时准确地调整土壤和作物的各项管理措施,并对作物苗情、病虫害、墒情的发生趋势进行分析、模拟,为有效利用提供必要的空间信息。在获取上述信息的基础上,利用智能化专家系统和决策支持系统按每一操作单元的具体情况做出决策,准确地进行灌溉、施肥、喷洒农药等,从而最大程度地优化农业投入,在获得最佳经济效益和产量的同时,保护土地资源和生态环境。从上述中不难发现,精准农业要求实际生产中务必做到以下三个精确:
[1]定时的精确,精确地确定施肥、播种、灌溉、农药喷洒、除草、收获等的时间;
[2]定位的精确,精确地确定灌溉、施肥、病害等的地点;
[3]定量的精确,精确地确定种子、水、肥、农药等的使用量。

    针对精准农业实施过程中的要求,航天宏图利用自身气象和遥感技术,可为精准农业提供相应的信息服务。

    现有的气象预报服务存在范围广、变量单一、精度差,指导性不强等特点,难以服务于现有的精准农业。与之相对,航天宏图的精细化气象服务平台具备针对性、多样化、易用性的农业气象及农作物生长条件预报能力、全面的气象信息采集手段、全流程精细化农业气象保障服务等诸多优势。在农作物生长季,可以提供计划播种时间内十天的具体地块降水、温度、墒情等信息,以此避开不利气象条件来确定最佳播种期。同时可以提供相应操作单元内的逐小时降水、风等精细化预报信息,从而能够科学选择施肥、喷药、农作物收获等时间。

    农业气象服务伴随着农业的发展不断与时俱进,精准农业的实施同时应深入开展气象变化对应的农业防灾减灾及农田实时情况精确监测的技术研究,研究主要农业气象灾害对农业生产造成的风险性,为合理安排农业生产和布局提供相应的科学依据。利用立体、多源遥感信息加强农田的监测工作是精准农业研究的重点。遥感监测是以固定或者移动的地面监测数据为基础,结合空中无人机航拍数据,配合天上不同分辨率的卫星数据,开展以“土壤-作物-大气”多层次立体监测、多学科融合的农业监测体系。


图 2 立体多源遥感农业监测体系

    卫星遥感技术在农业中已经应用了数十年,但依然不成熟。卫星重复周期长、空间分辨低、图像采集费用高和软件工具不易操作等特点均妨碍了遥感技术在精准农业中的应用。但是随着低成本、易操作的无人驾驶飞机的出现,无人机遥感技术迎来了精确农业革命新的阶段。

    无人机技术在农业中主要的优点是能够轻松快速地获取农田高质量的图像,在短短几个小时内即可得到作物生长状况的图像。这些图像上传到“云端”,通过航天宏图PIE云服务平台进行计算,能够快速获得作物种类、作物长势、作物水肥胁迫、作物病害胁迫、作物受灾情况和地块位置及面积大小等非常有价值的信息,可为农业工作者、相关部门提供辅助决策,更进一步的能够为农业保险、农产品期货等业务提供数据支撑。

    使用无人机对农田基本情况进行监测是对农田监测手段的重大改进。传统上的农田精准管理,生产者往往是通过在农田中布设仪器检查作物生长状况,工作费时费力,且是以点带面。现在利用无人机技术进行农田作物监测,足不出户即可对需要评估的农田区域中作物情况快速查看,帮助种植者最大限度地提高产量和节省成本。

    航天宏图利用无人机航拍数据在监测作物的长势、干旱程度、病害发生情况和识别地块位置及大小等方面均有一定的技术积累。

长势监测

    作物长势是指作物生长发育过程中的形态相,强弱一般通过观测植株的叶面积、叶色、叶倾角、株高等形态特征进行衡量。无人机遥感主要监测作物的生长状况及其变化情况,从而根据作物不同的生长状况进行合理施肥。


图 3 施肥指导

干旱监测

    农作物干旱指地表土壤供水与作物需水收支不平衡的现象,主要由土壤水分与作物自身生理功能决定,可分为传统干旱监测和遥感干旱监测。无人机遥感干旱监测可以利用其携带的多光谱探测仪或热红外传感器,通过分析作物需水指标(作物生理和形态指标)以及综合干旱指标来自动监测干旱地区及作物的干旱程度,到达科学灌溉的目的。


图 4 灌溉指导

病害监测

    农作物不同病害的发生先期很大程度上受到气象条件的影响。通过对农田气象状况进行精细化的预报,可以进行疑似病害发生区域的预测。当病害发生时,遥感图像上的农作物会在不同波段上表现出不同程度的吸收和反射特性的改变,即病害光谱响应,通过形式化表达成为光谱特征后作为农作物病害无人机遥感监测及农药喷洒的基本依据。


图 5 农药喷洒指导

地块位置和大小识别

    综合利用无人机可见光数据的光谱信息、纹理信息等,基于分割技术提取出初始田埂;然后利用路径形态学算法实现后处理,去除不必要的噪声;最后对田埂提取结果求反得到农田地块,以此来指导农业生产。


图 6 地块位置和大小识别

    在我国农业由传统农业向现代农业转变的过程中,粗放的农业生产方式依然存在,相比西方农业发达国家,我国的农业生产技术水平还有很大差距。因此,研究和实施推广精准农业,是我国实现农业现代化的必经之路。未来随着无人机续航能力、载重能力的提升,以及通过在植保无人机上部署多类型的气象因子采集传感器和遥感传感器,航天宏图能够极大增强广大农村地区网格化气象预报和农田监测能力,进一步助力于国家精准农业战略的实施。

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