“北斗+遥感”助力数字乡村发展

文｜张民

中国科学院合肥智能所

一、前言

农业农村现代化进程直接关系到社会主义现代化目标的进度和质量成色，利用现代信息技术提高农业农村现代化、智能化发展水平，既是乡村振兴的战略方向，也是建设数字中国的重要内容。大力发展农村现代化基础设施建设，充分利用我国北斗卫星导航系统、高分系列遥感卫星和无人机平台的多源观测数据，推广其在农业农村环境、作物和宅基地管理中的应用，建设自然资源遥感监测一张图和综合监管平台，对数字乡村建设和农业生产应用具有重要意义。

二、北斗+遥感技术在农业领域应用

北斗三号全球卫星导航系统是我国自主建设的卫星导航系统，可以实现全球范围的高精度导航、定位和授时功能，已在精准农业的农机导航与自动驾驶、农田信息测绘、无人机植保和农村三维模型构建中得到广泛应用。但北斗定位技术无法对农业农村要素的变化特征进行动态监测、分析；而卫星遥感技术则可以获取地物的分布状况和植被覆盖情况，已广泛应用于作物长势、农业保险和生态环保等领域。采用较高时间分辨率的遥感数据可进行农作物长势监测，但由于卫星的重访周期较长，不利于作物的连续监测。利用轻小型无人机遥感具有操作简便、可动态连续监测等独特优势，可用于农作物识别提取和精细分类、农作物估产及长势监测分析、农作物病虫害监测等方面。利用高分卫星数据，结合作物生长发育期数据，通过图像预处理、图像配准、植被归一化指数分析等方法，有效地提取了农田受灾程度，可作为气象农业保险定损的有效参考；进一步利用遥感技术进行大规模灾损分析，最大程度上减少损失，可指导农民进行灾后恢复生产和灾区重建。此外，利用多源遥感信息技术可高效、准确、大面积和实时获取专题数据的优势，开展生态环境监测以指导环保部门分类分区开展生态环境整治工作，可为生态环境治理的科学决策提供依据。

目前，我国农业农村发展面临农业相关人才少、经济效益差和科技含量低等问题，导致农村对年轻人的吸引力不足，限制了农业生产水平的提高。如何利用卫星遥感技术，提高农业的生产效率、生产规模和生产效益，促进农业精细化、高效化和绿色化发展，是我国现代农业面临的重要问题。

三、北斗+遥感技术对现代农村建设的推动作用

我国现代农业发展及乡村振兴战略的实施需要大量、精确的农业农村数据，且观测要素复杂多样，具有典型的时空变化特性。因此，如何充分利用北斗卫星导航定位技术和多光谱卫星遥感数据，实现不同时空尺度下的数据获取，满足农业应用需求，是推动我国农业现代化建设的重要途径。

1.利用北斗获取高精度农村、农业要素分布

随着我国北斗三号全球卫星导航系统的建成投用和国产芯片的技术突破，利用北斗高精度定位技术推动精准农业发展具有广泛的应用前景。地基增强系统(CORS系统)是北斗高精度定位前提，当前我国已建立了国家级和省级CORS为主，千寻位置、中国移动等商业CORS为辅的北斗地基服务体系。基于CORS系统提供的高精度改正信息，可以实现分米级至厘米级的高精度位置信息获取。基于手持GIS数据采集软硬件终端，可以实现农业地块等要素信息的数据采编、数据管理和查询功能。此外，随着低成本、小型化无人机技术的发展，搭载高精度定位定姿模块的无人机可以实现免相控的三维倾斜摄影测量，构建农业农村三维模型；基于高精度地块信息确定农田边界，利用植保无人机可实现自动规划航线、全自动化农药、化肥等作业。此外，利用搭配RTK技术的自动驾驶农机，可以实现精准播种和收割，提高农业自动化程度。

2.遥感监测农作物长势

农作物长势是指导农业生产管理，评估产量最为重要的农情要素之一。作物在不同的生长发育阶段，其内部结构和外部形态都会存在一系列周期性变化，进而使得农作物及其背景地物反射或发射的电磁波辐射特性产生差异，通过遥感影像捕获对应的变化信息，经过适当的分析和处理，可以构造出与农作物生长情况密切相关的指标，以反映作物的生长发育状况。在农作物收获前对其生长过程中出现的问题进行提前诊断，可为精准农业中的作物管理和田间作业提供重要依据，及时准确地调整施肥、田间管理措施，从而保证作物的正常生长，获得更好的经济效益。利用遥感技术连续对地面进行长期观测，在时间尺度上与多年历史数据对比, 可以反映实时的作物生长差异, 可以对差异值进行分级, 进而通过分等定级,根据气候条件等影响因素，得出影响作物生长的关键因素，进而改进种植计划。图1为利用多光谱遥感影像数据进行作物长势监测，图2为基于作物长势和气候条件进行作物产量预估。通过对区域或全国同类作物的生长状况进行统计和分析，构成时间和空间的一体化多维信息集合，实现大面积、实时准确的多维时空信息大数据，对指导农业生产、预测作物单产和总产提供重要的依据和参考。

图1 基于遥感技术进行水稻长势监测（2017年7月26日普济圩农场）

图2 基于遥感技术进行水稻产量预测（普济圩农场）

3.遥感在现代农业保险中的应用

我国作为传统的农业大国，要发展现代农业，就必须分散农业生产经营风险,减少由于自然灾害和市场价格波动等原因导致的农业生产损失，发展农业保险能够有效地将保险分散风险的功能引入农业经营中，增加农户经营农业活动的抗风险能力，对推进现代农业发展和乡村产业振兴具有重要作用。但对于保险公司而言，由于农业经营的分散性及农业保险技术的局限性，保险公司核赔的难度远大于一般商业保险，使得骗保现象较为普遍。造成这种因素的主要原因包括：①投保环节依靠人工进行统计获取农业清单数据，未能建立起村、农户、地块、种植物之间唯一性联系；②核保环节缺乏验核手段。一方面受灾信息不明，导致查验困难，进而引发虚假投保和重复投保等问题，人力核保成本较高；③理赔环节，理赔流程较长且无法大规模低成本统计受灾情况。利用遥感与北斗定位相结合，通过遥感分析进行作物识别，与边界权属信息进行融合比对，从而预估受灾情况，并与承保信息匹配，可以提高农业保险效率。图3给出了采用遥感影像进行旱情和洪涝受灾分析的情况，可以定量获取农户受灾情况，为保险核保提供重要支撑。

图3 基于遥感技术进行洪涝灾害受灾情况普查（普济圩农场）

4.遥感在生态环保中的应用

随着高时空分辨率卫星遥感技术的发展，构建天空地一体的立体监测体系，实现从点上监测向面上监测、从静态监测向动态监测、从定时监测向连续监测、从局地监测向全球监测快速发展，是促进遥感技术发展的重要途径。遥感应用于空间环境监测主要包括大气污染状况监测、水环境变化监测和环境灾害应急遥感监测等。图4给出了生态环境遥感监测的典型应用，基于多期卫星遥感数据影像分析，对长江流域一千米范围内企业进行监测和历史对比，并监测附近的一千米范围内所有沿江（包括支流）企业位置分布情况，另包含水域、湿地、林地、农田、分布情况及结构变化，进行动态的地理信息监测管理，实现市县区乡镇多级监管。严密监测长江流域一千米范围内企业经过整治后的搬迁、拆迁情况，在地图上就能看到是否达到整治目的，着力构建水清岸绿产业可持续发展的长江经济带。

图4 基于遥感技术进行生态环保监测

四、结束语

我国目前处于现代农业发展的起步阶段，北斗卫星导航和卫星遥感技术在农业特定场景的应用已经显示出其重要推动作用。如何进一步推进我国农业技术的发展，需要依靠政府的政策支持、推进相关技术标准建设；充分利用国产北斗和遥感卫星数据促进农业数据共享，研究人工智能技术和农业自动化机器人在农业生产、生态环境保护和修复中的应用，促进农业软硬件装备国产自主化，是我国农业现代化发展的重要途径。