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【卫星应用】中国遥感卫星在农业领域的应用现状与未来发展

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蓝巨星 发表于 7 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
  目前,中国已发展多个系列遥感卫星,但还没有真正意义上的农业专用遥感卫星。在有效载荷以及高品质卫星平台研制等方面,中国在“十二五”期间开展了大量的技术攻关,已经具备较强的研制基础。这些前期的技术攻关和积累为中国未来农业遥感卫星的研制打下了良好的基础。
  一、中国农业领域遥感卫星
  技术特点和发展现状
  由于农作物生长变化较快,农业遥感观测参数繁多、复杂性高,因此对遥感卫星观测的时效性以及多载荷数据融合、联合反演提出了较高的要求。目前,美国、欧洲和日本等国家和地区已有多颗应用于农业领域的遥感卫星和星座相继发射与在轨组网应用。欧美等国多采用搭载不同载荷的多星组网方式,满足农业对于时间、空间和精度的高要求。
  目前,中国的陆地资源卫星系列、高分卫星系列以及环境监测减灾小卫星星座的观测能力部分兼顾了农业遥感观测业务,能够初步满足农情监测、农作物分类估产以及农业灾害预警等方面的应用需求。
  1、陆地资源卫星系列
  中国陆地资源卫星系统是中国最早探索遥感观测技术,并形成规模化应用的卫星系统,从1999年中国发射第一颗陆地资源卫星——中巴地球资源卫星-01(CBERS-1)星以来,中国已成功发射了4颗资源一号卫星。在农业遥感应用领域,中国农业部遥感应用中心于2001年构建了基于CBERS-1卫星数据的新疆棉花遥感监测技术体系,逐渐应用在全国冬小麦、玉米和水稻等大宗粮食作物种植面积监测业务中。
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  2、测绘卫星系列
  在中国测绘卫星系统中,2012年1月研制发射的资源三号(ZY-3)-01星是中国首颗高精度传输型光学立体测绘卫星,覆盖宽度60km,用于1:50000比例尺地图测绘,卫星可提供2.1m全色/5.8m多光谱分辨率平面影像,数据融合后可满足农业遥感大尺度定性观测的要求。2016年5月30日研制发射的ZY-3-02星在ZY-3-01星的基础之上进行优化,搭载3台三线阵测绘相机、1台多光谱相机和1台激光测距仪等有效载荷,前后视相机分辨率由3.5m提高到优于2.7m,并拥有更优异影像融合能力、更高图像高程测量精度。
  3、环境卫星系列
  中国农业部遥感应用部门从2009年开始采用多时相环境减灾卫星电荷耦荷(CCD)影像数据,与国外卫星数据相结合,监测全国冬小麦、玉米、水稻、大豆、棉花、油菜和甘蔗等作物种植主产省的年际面积变化率。与上述业务监测运行的同时,一些学者也积极开展了基于HJ-1C雷达卫星的土壤水分遥感监测、作物长势监测,以及作物产量监测研究,取得了一定的研究进展。
  4、高分卫星系列
  随着中国高分辨率对地观测系统重大专项的实施,在中国现有高分数据政策的引导下,国产高分卫星数据在农业中的应用比重逐渐提高,在替代国外数据的同时,也逐渐提高了农业遥感的监测精度,拓展了卫星遥感技术在农业中的应用领域。其中,高分一号、二号卫星成功发射后,国产中高分辨率卫星数据迎来了黄金期,给农业遥感监测业务运行体系带来了巨大改善。
  二、中国农业领域遥感卫星发展
  面临的问题
  1、农业领域遥感卫星发展趋势
  1)农业遥感观测参数繁多、复杂性高,故为了保证数据关联性和时效性。
  2)典型遥感卫星保持系列化发展态势,长期连续运行。
  3)农业观测要素如地表作物类型、长势、土壤墒情、病虫害等的变化特征不仅随季节而显著改变,也随着短时间内的水、光、热、土壤条件以及人类活动等外界条件的变化而变化。
  2、中国农业遥感卫星面临的挑战
  相比美国、欧洲等传统遥感强国,中国农业遥感卫星系统起步晚、技术底子薄,虽然通过近些年的发展取得了长足的进步,但仍与世界先进水平有着较大的差距。
  现阶段,美国农业部中高分辨率遥感卫星数据可实现每年覆盖美国本土多次,而中国针对农业需求定制的专业卫星仍处于空白状态,目前还没有满足直接开展农作物生物参数监测、农业资源调查所需的高光谱卫星和SAR卫星等。中高分辨率农业遥感数据主要依赖高分专项卫星数据,然而由于卫星数量限制,卫星数据国土覆盖每年不足一次,一般只能覆盖农业主产区,而且缺乏能够区分农作物类型的波段。在遥感数据质量方面,仅能获取经过初级处理的二级遥感数据,因此在多源数据融合与联合反演、遥感数据深层次挖掘以及遥感增值服务方面的发展水平与国外相比仍存在较大的差距。
  三、发展中国天地一体化
  农情监测技术
  近年来,中国农业遥感技术的发展取得了长足的进步,农业遥感应用技术理论发展也紧跟国际最先进水平;然而相比于国外农业遥感监测系统技术的发展,由于中国相关领域研究起步较晚,基础相对薄弱,政府投入有限,以及应用研究和成果转化之间的脱节现象严重等客观原因,导致现在还没有建成一套完备的天地一体化农情监测体系。
  天地一体化农情监测系统作为一种高度定制化、体系化、实用化协调运行的对地观测体系,需要在探测体制、载荷配置、数据反演及应用等方面开展系统深入的研究工作。
  1、深化需求论证,完善发展规划
  卫星的论证和设计工作与用户需求直接相关,因此应首先与各用户单位展开深入交流,进一步明确各类用户对于其关心的探测要素的测量需求和精度要求,确保满足用户需求。
  同时,还应充分调研分析国内外在天基农业遥感卫星方面所开展的科学应用研究和工程技术实现的情况,仔细剖析其发展路径过程,认真梳理国内相关技术的基础与发展计划,在适当考虑未来的卫星平台技术发展基础上,规划出未来10~15年卫星的技术发展路线图。
  2、深入研究高精度遥感数据应用技术
  过去的20年,中国农业遥感技术研究和应用从深度和广度上都得到长足发展,取得了显著的成果。然而,与国际前沿研究相比,在以下这些方面还需要开展进一步的深入研究工作:
  1)目前农业遥感定量反演研究集中在经验统计方法的应用和改进上,而在经验统计方法本身的创新上还有待进一步加强;
  2)定量反演过程缺乏物理模型方法的研究,如作物LAI的辐射传输模型和适用于田间尺度的土壤水分反演模型等仍需要加强创新性探索和开发工作;
  3)农作物遥感分类特征变量选择的理论研究不足,需进一步挖掘农作物遥感分类新特征变量;
  4)农作物遥感分类特征变量的综合应用存在缺陷,未来农作物遥感分类特征变量选择应该更多地从理论研究与特征变量的综合应用方面进行挖掘与创新,使其更好地服务于农业遥感应用需求;
  5)现阶段,农业遥感应用存在研究与成果转化脱节的现象,需要进一步补充和完善农业光谱数据库,并与GIS、GPS技术集成,更好地为精准农业、数字农业服务。
  全文见《卫星应用》201803期

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