高光谱遥感技术在农业上的应用

1、高光谱遥感技术在农业上的应用河南城建学院测绘一班第九组小组成员（张龙丰、杨晶晶、姜海龙、赵亮、刘通）高光谱遥感技术在农业上的应用摘 要 : 介绍了高光谱遥感在作物长势监测、以及农作 物估产等农业领域上的应用。关键词:高光谱;遥感技术;农业;应用遥感是 20 世纪 60 年代发展起来的对地观测综合性技术,是指应用探测仪器 , 不与探测目标相接触, 从远处把目标的电磁波特性记录下来,通过分析,揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。经过几十年的发展,无论在遥感平台、遥感传感器、还是遥感信息处理、遥感应用等方面,都获得了飞速的发展 ,目前遥感正进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主的时代.

2、从地面遥感传感器到测视雷达,从田间养分速测仪到星载的成像光谱仪,遥感技术在农业领域的应用已有了很大进展,同时取得了巨大的经济效益和社会效益。1. 高光谱遥感技术的产生高光谱遥感即高光谱分辨率遥感(Hyperspectral Remote Sensing) ,是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据,它的基础是测谱学(Spectroscopy)。 高光谱遥感技术主要特点是波段多、光谱分辨率高、空间分辨率较高、 邻波段的相关性高,数据冗余大。经国际遥感界的共识,光谱分辨率在10-2人的遥感信息称之为高光谱遥感。高光谱遥感与常规遥感数据的主要区别在于它能获取观测各种地物的连续光谱信息,

3、并借此定义特殊的光谱特征,并且有些在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。高光谱遥感技术是连接遥感数据处理、地面测量、光谱模型和应用的强有力工具,其显著特点是在特定光谱区域以高光谱分辨率同时获取连续的地物光谱图像,其超多波段信息使得根据混合光谱模型进行混合象元分解获取“子象元 ”或“最终光谱单元 ”信息的能力得到提高,从而使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开,定量分析地球表层生物物理化学过程和参数。2 高光谱遥感在农业上的应用高光谱遥感在农业中的应用,主要表现在快速、精确地进行作物生长信息的提取、作物长势监测、估算植被(作物)初级生产力与生物量、估算光能利用率和蒸散量以及

4、作物品质遥感监测预报。从而相应调整投入物资的投入量,达到减少浪费,增加产量,改善品质,保护农业资源和环境质量的目的。高光谱遥感凭借其极高的光谱分辨率为精细农业的发展提供了技术保障和数据来源。2. 1 作物生长信息的提取作物生产中准确、迅速、经济地判断作物氮营养状况,进而确定氮肥需要量,对提高作物的实时精确施肥具有重要意义。近年来,随着相关领域科技水平的不断提高,氮素营养诊断的测试技术正由传统的实验室常规测试向田间直接无损测试方向发展; 同时测试水平正由定性或半定量的手工测试向精确定量的智能化方向发展。目前针对作物氮素诊断的智能化无损测试技术已成为国内外研究的热点,其中较成熟的技术方法主要有便携

5、式叶绿素仪法和遥感系统中应用的高分辨率多光谱近地测量技术。这两项技术都是基于当作物氮素发生变化时,其光谱反射特性发生改变的基础上,但在具体的应用中两者又有所不同。相对于传统的低光谱分辨率遥感（通常指光谱分辨率在0. 1m以上）而言，高光谱分辨率遥感（光谱分辨率在0. 1仙m以下）数据最主要的特点就是成像通道数量的增加和成像波段的变窄。从而使植被遥感的监测目标发生了很大的变化 ,获取子像元（最终光谱单元信息）的能力得到提高,使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开,定量分析地球表层生物物理化学过程。通过高光谱遥感植被指数技术可以提取植被冠层结构定量信息。2. 2 作物长势监测作物的反射光谱特

6、征主要由叶片中的叶肉细胞、叶绿素、 水分含量和其他生物化学组分对光线的吸收和反射形成的,受叶色、叶片结构及水分状况、 叶片的生理生化性质、植株形态及长势长相等因素的影响。可见光波段反射率主要受叶绿素等各种色素的影响,近红外波段反射率则由叶片水分状况起决定作用,不同的植物、同一作物的不同生育时期,以及同一作物的不同健康状况,其光谱反射特性均不一样。高光谱遥感以其超多波段、光谱分辨率高等特点被用来反演叶子各组分含量,监测作物的生长状况。为了探索植物叶片氮素遥感诊断的可能性, 20世纪 70年代以来有关科学家就进行了大量的基础研究,寻找氮素的敏感波段及其反射率在不同氮素水平下的表现。研究发现许多植物

7、在缺氮时无论是叶片还是植物冠层水平的可见光波段反射率都有增加,对氮含量变化最敏感的波段在530560 nm区域。冯伟通过分析小麦叶片糖氮比与冠层高光谱参数的定量关系,确立小麦叶片糖氮比的定量监测模型,与传统的破坏性取样及实验室化学分析方法相比,该研究为小麦叶片糖氮比的定量分析提供了一种无损、快速的技术途径,同时也拓展了作物生理参数遥感监测的研究领域。研究结果对于小麦植株生长特征及碳氮代谢参数的实时监测和精确诊断具有重要意义,为遥感技术在精准农业中的可能应用奠定了技术基础。2. 3 作物胁迫监测李德成等模拟酸雨对水稻叶片反射光谱特性的影响,结果表明 :酸雨会引起水稻叶片反射光谱可见光区和中红外区

8、的反射率升高,近红外区的反射率降低,相应的反射率比值也随之变化,一阶和二阶导数光谱蓝移,且上述变化的程度与酸雨的酸度、水稻的品种和生育期有关。水稻受重金属铬和铜污染伤害后,无论在生理上还是在反射光谱方面变化都比较显著,特别是铬和铜拌土生长的水稻在分蘖期受到的影响最明显。植物光谱的导数实质上反映了植物内部物质（叶绿素及其它生物化学成分）的吸收波形变化。可以通过植物的光谱特性监测植物（作物）的各种缺素症和病虫害。2. 4 作物品质遥感监测预报中国对优质农作物有巨大需求,部分优质农作物产品供不应求或依赖进口。通过监测作物生长过程而进行调优栽培,优化作物分类收获、分级收购加工体制,提高作物品质监控水平

9、是保证作物品质的重要组成部分。遥感技术的发展为作物品质信息的监测和预报提供了快捷、低廉、 无损检测的手段。近期研究重点是区域性的遥感模型与农学模型链接,农作物品质遥感-农学监测复合模型研制。综合考虑土壤因子、气象因子等,通过监测作物干旱、过量施氮、病虫害、倒伏等作物品质的限制性因子,监测作物的生长和营养状况,链接遥感数据和作物模型,有望建成实用化和商业化的作物品质监测预报系统,以指导作物分类收获,分级收购、 加工或贮藏;对农作物产品实现优质优价,为粮食期货和参与国际粮食贸易提供决策信息,大大缩短粮食加工企业的检测化验时间并降低成本。3总结：作为对地观测高新技术发展起来的高光谱遥感，已经成为3s

10、技术的重要组成部分,可以应用于土地资源调查、农作物生长监测、土壤等环境条件对农作物生长影响的监控、病虫害测与评估、估产等许多方面。但对高光谱遥感数据的分析方法限制了其在某些方面的应用,所以高光谱遥感信息的提取及解译还需要进一步提高,为应用领域的扩展提供理论基础。目前,在农业方面地面遥感已经取得了比较全面的进展,但由地面光谱向高空的反演仍处于探索阶段。高光谱遥感技术的发展为多平台遥感相结合的实现提供可能,随着星-机-地一体化技术的发展,可以通过卫星遥感数据更为准确地获取田间作物高光谱信息,结合GPS、GIS等信息技术指导农业生产实践。高光谱遥感在农业上的应用是遥感技术在农业上研究发展进程的重要段,我国应该加快研究步伐,从而缩短与世界先进国家的差距,利用新的科学技术尤其是高光谱遥感这类技术更好的发展我国农业。参考文献:1 闫庆祥,叶剑秋李开绵,等 . 9 个木薯新品种(系)引种试种适