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                遙感技術在“精準農業”應用的前世今生
                發布者:首欣集團辦公室 發布時間:2017-07-30信息來源:首欣科技

                什么是遙感技術?

                定義:遙感是指在遠距離收集關于物體的信息而不觸及物體本身的過程。對于大多數人來說,最常見的遙感方法是用相機拍攝的物體的攝影圖像。后來遙感已經演變成不僅僅是用眼睛看著物體。它現在包括使用儀器,測量人眼無法看到或感覺到的物體的屬性。

                歷史:在1858年,法國攝影師Gaspaed Felix Tournachon率先從拴系的氣球拍攝航空照片。幾年后的1861年,航空照片成為內戰期間軍事情報的工具。航空照片也是從安裝在風箏(1858)和載體鴿(1903)的攝像機上拍攝的。1909年,威爾伯?賴特(Wilbur Wright)從他飛過的第一架飛機,在飛行中拍攝第一張照片。1913年在國際攝影測量學會會議上,Tardivo上尉在一份文件中介紹了在創建地圖過程中使用的第一張航空照片。

                軍事航空照片在第一次世界大戰中被大規模使用。軍方訓練了數百人處理和解讀空中偵察照片。法國航空部門在1918年的穆斯 - 阿貢進攻期間四天內處理了56,000張照片(Colwell,1997年)。第一次世界大戰和二十世紀三十年代以后,商業航空調查公司雇用了許多前軍事人員來處理航空照片,以制作地形圖,森林管理圖和土地圖。

                第二次世界大戰在1942年為美軍發明了的彩色紅外線膠片,這些圖像用于偵測被偽裝的敵方力量和設備。在這次世界大戰中,盟軍的情報收集是通過航拍直接獲得的。

                美國軍方和其他政府機構,如國家航空航天局(NASA)在冷戰時期繼續發展遙感的應用。20世紀60年代,也通過遙感從太空上看到了地球擴張和發展。第一顆軍用太空照片偵察衛星科羅納于1960年發射??屏_納拍攝了蘇聯及其盟國的攝影影片。然后將暴露的膠片轉移到太空中的無人駕駛的回收車輛中。之后,回收車輛通過攜帶該膠片的降落傘離軌并返回地球,然后在實驗室中進行處理和分析。被稱為電視紅外觀測衛星(TIROS)的第一系列天氣衛星于1960年發射。NASA 繼續從外太空通過阿波羅和雙子座航天器收集地球觀測調查圖像。

                他們通過從高空U-2和低空RF101飛機拍攝的航空照片,發現古巴的導彈裝置。

                這些圖像在1962年的古巴導彈危機期間被電視播放給世界。1964年,美國空軍開始飛行SR-71黑鳥偵察機。SR-71的飛行速度超過馬赫數3或2000英里每小時,高度大于85,000英尺。美國大量的氣象和地球觀測衛星在七十年代開始啟用。包括諸如Skylab空間站的載人航天器從外層空間收集地球的圖像也是在20世紀七十年代啟用。1972年,第一顆衛星Landsat-1剛原始的解析度只有80米,是發射進入非軍事地球資源觀察空間的第一顆衛星。Landsat擁有能夠拍攝多光譜數字圖像的傳感器。


                Landsat包含能夠拍攝多光譜數字圖像的傳感器

                美國軍方的攝像衛星一直非常隱秘,并不公開給大眾使用。從1976年開始,美軍開始部署更復雜的高分辨率衛星,能夠將數字圖像中繼到地球。1976年至1988年期間發射了8顆鑰匙孔11顆衛星。1992年至1996年期間,發射了三顆改進的Keyhole-11B衛星。他們能夠產生近十厘米(4英寸)的估計分辨率的圖像(Vick等,1997)。

                非軍事衛星圖像已被用于監測環境的惡化和污染。這些圖像也可用于評估洪水和自然災害的損害,有助于預測天氣,定位礦物和石油儲備,定位魚類種群,監測海洋潮流,協助土地利用的繪圖和規劃,制作地質圖和監測農、林業資源。

                基本屬性和概念:

                電磁頻譜:包括植物和土壤在內的所有物體都會以電磁輻射的形式發射(并)或反射能量。電磁輻射傳播通過類似于下圖所示的空間傳播。波的三個重要組成部分即:頻率、振幅和波長。頻率是在給定時間段內通過點的循環波峰數,每秒一個循環即為一赫茲。振幅是每個波峰的高度,用以衡量能量的級別。波長是指從上一個波峰到下一個波峰之間的距離。

                我們最熟悉、最常見的電磁輻射源是太陽。太陽照射覆蓋了整個電磁頻譜的能量,如下圖所示。遠程傳感器類似于人眼,它們對反射光的圖像和圖案敏感。人眼和遠程傳感器之間的主要區別在于它們各自對于敏感的電磁頻譜的頻率范圍。

                電磁光譜范圍從稱為伽馬射線的不到10兆億分之一的非常短的波長到數百米長波長的無線電波變化。電磁頻譜可以被分割成稱為波段的波長范圍的離散段,有時也被稱為信道。

                太陽經常向被陽光照射的物體提供能量,太陽的輻射能量撞擊地面上的一個物體,然后一些不分散或不被吸收的能量被反射回到遠程傳感器。另一部分被地球表面上的物體吸收,然后作為熱能排放回大氣。

                可見區域

                電磁光譜的可見光部分的范圍為0.4微米(“μm”)(較短波長,較高頻率)至0.7μm(較長波長,較低頻率)。這是人眼敏感的光的頻率范圍。每個物體反射,吸收和傳播電磁光譜的可見部分中的電磁能量以及其他不可見部分。我將完全通過物體的電磁能量稱為透射率。我們的眼睛接收到從物體反射回來的可見光。

                從物體反射回來的三種顏色紅光、藍光、綠光是主要的三種基色?;遣荒芡ㄟ^其它顏色混合出來的。當基色從物體上反射回來混合在一起形成了中間色。洋紅色是反射的紅色和藍色的組合,青色是反射的藍色和綠色的組合,以及反射的紅色和綠色的組成了黃色。

                彩色膠片通過使用過濾掉各種顏色的染料層產生顏色。吸收基色的三種顏色,稱為減色基色,是品紅色,青色和黃色。洋紅色吸收綠色,并反射紅色和藍色,青色吸收紅色,反射藍色和綠色,黃色吸收藍色,并反射紅色和綠色。所有顏色的吸收會產生黑色,如果沒有顏色被吸收,則膠片會產生白色。


                紅外區域

                不可見的紅外光譜區域位于可見光和電磁光譜的微波部分之間。紅外區域覆蓋從0.7μm到14μm的波長范圍。這種寬范圍的紅外波長進一步細分為兩個較小的紅外區域,在兩個區域,它們表現出非常不同的特征。最接近可見光的紅外區域包含兩個標記為近紅外線和短波紅外線的較小波段,波長范圍分別為0.7μm至1.1μm,1.1μm至3.0μm。這些紅外區域表現出許多與可見光相同的光學特性。太陽是物體上反射紅外輻射的主要來源。用于在可見光譜中捕獲圖像的相機可以通過使用特殊的紅外膠片捕獲近紅外區域的圖像。

                具有3.0μm至14.0μm范圍的較長波長的另一個紅外區域分別由兩個較小的帶標記為中波紅外和長波紅外,其波長分別為3.0μm至5.0μm和5.0μm至14.0μm。物體產生和發射熱紅外輻射,因此這些物體可以在夜間被檢測到,因為它們不依賴于來自太陽的反射紅外輻射。遠程傳感器通過該波段來測量物體的溫度。

                植物與電磁輻射的相互作用

                葉結構

                葉片的結構如下圖所示。角質層是覆蓋葉子表面的表皮細胞的薄蠟層。微小的細胞表皮細胞被稱為氣孔。氣孔被細胞包圍保護起來,以控制氣孔打開或關閉。保衛細胞調節葉片的水分蒸發,并控制葉片和大氣之間的氣體交換。

                葉的內層由葉肉組織的兩個區域組成。這是大多數光合作用發生的地方。柵欄葉肉位于上表皮下方。這些細胞是細長的,排列成行并含有大部分葉的葉綠體。大多數植物的葉綠體含有顏料和兩種不同的葉綠素。葉綠素a最豐富,呈藍綠色。葉綠素b呈黃綠色,吸收光,然后轉移到葉綠素a。葉綠體內的顏料分子也吸收光能并將能量轉移到葉綠素上。海綿葉肉是由松散排列和不規則形狀的細胞組成的葉下部內部。這些細胞含有葉綠體并被空氣空間包圍。

                光譜響應

                葉綠素主要吸收紫色光,分解出來主要是藍色和紅色波長。綠光不容易被吸收并被反射,從而賦予葉子綠色的外觀。葉肉的內部細胞壁結構引起近紅外輻射的高反射率。葉綠素對近紅外輻射是透明的。被稱為紅色邊緣的反射能量剛好超過可見光的紅色區域進入近紅外區域的急劇增加。下圖顯示了位于0.7μm波長附近的這種尖銳的反射增加。紅色邊緣的位置在葉子的整個生命周期中不是靜止的。當葉片成熟時,葉綠素將在可見紅色區域吸收略長的波長。這種變化將下圖所示的紅色邊緣向右移動,稱為紅移(Campbell,1996)。

                環境壓力因素如干旱,疾病,雜草脅迫,昆蟲損傷等對植物造成脅迫或傷害。這種脅迫會引起植物的生理變化。受脅迫植物的光譜反射率在同一生長階段將與正常植物不同。生理變化的一個例子是由于褪綠引起的植物葉子顏色的變化。褪綠的黃色是由葉綠素的破壞引起的。反射的綠色會減少,反射的紅色會增加。遙感設備觀測到的不同光譜響應與植物實際情況的相關性對于準確地解釋和鑒定作物損傷和脅迫至關重要。

                傳感器類型

                大多數遠程傳感器被用來測量和記錄來自物體的反射輻射的幅度和頻率。然后對來自測量對象的記錄的頻譜數據進行比較,再與已知對象的頻譜位置進行匹配,從而實現對地面上的物體進行識別和分類。飛機和衛星的遙感使用成像傳感器,用以測量被監視物體的反射能量,這些成像傳感器分為主動傳感器和無源傳感器兩大類。被動傳感器只監測自然的太陽光反射光或物體的電磁能,無源傳感器是當前主流的傳感器。主動圖像傳感器提供自己的光或電磁能量,它們被傳輸到物體上,然后再反射回傳感器,最常見的主動傳感器就是雷達。天空中的云層通常會阻擋被動傳感器從地面接收反射能量,但雷達系統可以穿透云層。

                早期的遙感歷史記錄由照相機拍攝的出來的膠片攝影圖像組成。由相機接收的反射光通過與膠片上的化學乳劑反應來曝光膠片以產生模擬圖像。所產生的圖像是固定的,除非被轉換為電子數字格式,否則不會受到過多的操縱(即現在的PS)。數字圖像就不一樣了,它優于模擬膠片圖像,因為計算機可以在計算機屏幕上存儲,處理,增強,分析和渲染圖像。

                數據字圖像是把圖像壓縮成數字進行表達的圖像,圖像由數字組成,它可以表示圖像中的圖像屬性,例如亮度,顏色或輻射能量頻率波長,以及圖像中的每個點或圖像元素的位置。我們把計算機屏幕上能表達的最小尺寸的圖片元素稱為像素。數字圖像由下圖所示的行和列排列的像素組成。

                解析度(分辯率)

                遠程傳感器測量物體的差異和變化,有四個主要分辨率,影響遠程傳感器的準確性和實用性。

                空間分辨率描述了傳感器識別圖像上圖案的最小尺寸細節的能力。它表示可以從圖像中分辨出圖案或者物體之間的距離,它的單位通常是米。

                光譜分辨率是傳感器響應特定頻率范圍的靈敏度。覆蓋的頻率范圍通常不僅包括可見光,還包括不可見光和電磁輻射。傳感器能夠檢測和測量的離散頻率范圍稱為頻帶(波段)。地面上的特征如水和植被可以通過反射的不同波長進行識別。所使用的傳感器必須能夠檢測這些波長,以便看到這些以及其他特征。

                輻射分辨率通常稱為對比度。它描述了傳感器測量物體的信號強度或亮度的能力。傳感器對于與其周圍環境相比較亮度越敏感,可以檢測和識別的物體越小。

                時間分辨率是在相同位置拍攝相同對象的圖像之間經過的時間。傳感器能夠更高頻次地返回到確切的具體位置,時間分辨率越大。隨著時間的推移,幾個觀察結果揭示了觀察對象的變化和變化。對于衛星系統,時間分辨率被描述為重訪周期,它指的是衛星在后續軌道上返回相同區域所花費的時間。

                圖像處理

                一旦獲得了原始的遙感數字數據,則將其處理成可用的信息。模擬膠片在暗室中化學處理,而數字圖像則是通過計算機處理完成。處理的數字數據涉及更改數據以糾正某些類型的失真。每當數據糾正了某一種情況的失真,則可能導致其它方面的產生失真。對遙感數據的變化涉及兩個主要操作:預處理和后處理。

                預處理:

                遙感圖像的預處理步驟通常在后處理增強以及從圖像提取和分析信息之前執行。通常,數據提供者將在將數據交付給客戶或用戶之前對圖像數據進行預處理。圖像數據的預處理通常包括輻射校正和幾何校正。

                輻射校正是指對原始圖像數據進行由于傳感器校準或傳感器故障問題而導致失真的地面物體的亮度值進行校正。圖像的失真是由于不斷變化的大氣層引起的反射電磁光能散射引起的。這是傳感器校準誤差的一個來源。

                幾何校正是指對校正圖像數據中的圖像元素的位置坐標與地面上的實際位置坐標之間的不準確度。幾何校正包括了幾種類型:系統,精度和地形校正。

                系統校正使用諸如由全球定位系統提供的像素元件的地理參考點,其校正精度通常取決于全球定位系統給出的位置精度。

                飛機平臺系統不穩定性如下圖所示:

                預處理校正可消除運動失真,如下圖所示:

                精度校正采用地面控制點的方式,具有精確的預定經度和緯度地理位置的地面控制點通常用于測量圖像元素的位置誤差??梢酝ㄟ^幾種數學模型來估算地面控制點與每個像素的實際位置的距離。

                地形校正類似于精度校正,除了經度和緯度之外,還引入第三維高度參考地面控制點以校正地形引起的失真。這個過程也被稱為正校正或矯正。例如,下圖中高層建筑似乎偏離中心點,而相機鏡頭正下方的建筑物,只有屋頂才是可見的。

                后處理:

                數字圖像后處理程序包括圖像增強,圖像分類和變化檢測,這些計算機化的處理方法有利于提高圖像場景質量,并有助于數據解釋。

                圖像增強技術包括對比度拉伸,空間濾波和比值。

                對比度拉伸改變分配給圖像中每個像素的數字編號的分布和范圍。它通常是為了強調圖像中人眼難以單獨完成觀察的細節。

                空間濾波涉及使用稱為濾波器的算法來強調或者使用圖像上的某個特定的數字范圍來強調亮度。高通濾波用于改善圖像邊緣細節,低通濾波用于平滑圖像并降低圖像噪聲。

                比值是通過計算一個波段的數字數值除以另一個波段的數字數值獲得(最常見的如我們的NDVI),可以重新調整比值范圍以突出顯示某些圖像特征。

                圖像分類將像素分成類或目錄。圖像分類過程可以分成監督類和非監督類。

                非監督圖像分類是基于計算機的系統,它把來自若干光譜帶的像素數字數值的像素分配給可統計可分離的集。

                所得到的結果圖案集可以分配不同的顏色或符號進行查看以產生新的圖案集地圖。但所得到的地圖可能不一定對應于用戶感興趣的地面特征。

                監督分類是一個更全面的程序,它使用經驗豐富的人物圖像分析人員識別和將像素分組給用戶感興趣的類和目錄。分析人員在稱為培訓地點的圖像上挑選了幾個同質像素圖案樣本,分析人員通過實際訪問地面位置和進行現場觀察(地面實況)或使用過去的經驗和技能來識別這些場所,然后使用統計處理技術將訓練場外的剩余像素與培訓場地相匹配。

                變化檢測是將在不同日期拍攝的相同位置上的兩個圖像彼此進行比較以測量物理形狀,位置或光譜性質的任何變化的過程。然后產生僅顯示第一和第二圖像之間的變化的第三圖像。變更檢測適用于計算機自動化分析,像素數字數值在每個頻帶內被逐個像素比較。結合人力分析師的經驗和知識來解釋圖像變化,計算機分析是最有用的。

                成本效益分析

                精準耕作

                遙感只是被稱為精密農業的更大型綜合技術的一個組成部分,精準農業仍然是一種非常有限的經濟成功的新興技術。在農業綜合利用和遙感應用廣泛應用之前,精準農業將首先要成為經濟管理體系。新農業技術的早期采用者,將在精準農業獲得最多的切實利益(Cochrane,1979)。

                收益

                精準農業凈利潤的增長來自收益增長,如相同的投入有更多的產出或者是能減少投入以保證有同樣較好的產出。

                Lowenberg-DeBoar和Swinton(1997)查閱了17篇發表的精準農業經濟研究,以試圖回答精準農業是否比全田農業更有利可圖的問題。他們發現,其中五項研究表明精準農業是不具盈利能力,有六項研究表明是有利可圖,還有六項研究報告表明其盈利能力是混合或不確定的。在這些研究中存在幾個問題。由于各種不同的假設和成本核算方法,這些研究并不十分具有可比性。其中十二項研究使用實際作物產量,而其余五項研究則使用模擬產量??紤]真實成本,假設氮反應和高產品價值是Lowenberg-DeBoar在收益研究組中引用的三個重要因素。

                在真實成本下,省略了收集和分析土壤樣品,地圖制作和輸入應用成本等成本。如果氮不是限制因素,假定作物產量將按假設的氮反應達到目標產量。四個收益性研究并沒有產生任何數據來證明這一假設。

                六項收益性研究中其中兩項,高產品價值是一個因素。所有沒有結果和沒有收益的研究都是低價值的糧食作物。

                這些研究都沒有嘗試或考慮到精確放置和減少使用農藥的環境成本和收益。

                有人認為增加技術會自動增加污染。然而污染不是技術和投入的高水平的結果,而是這些效率低下的結果。這些投入產生了在生產過程中產生的副產物和廢料(Khanna等,1996)。

                農藥對環境的污染還沒有直接由農民承擔。農村和城市的所有納稅人仍然在消除公共用水中農藥化學品造成的成本流失。

                風險和不確定性

                Lowenberg-DeBoar和Aghib(1997)確定,使用網格或土壤類型管理的磷(“P”)和鉀(“K”)的精確應用與整個農地管理相比并沒有顯著增加凈利潤。數據來自位于印第安納州東北部,俄亥俄西北部和南密歇根州的六個農場。平均每英畝凈回報為146.93美元,整體管理費用為136.99美元,網格土壤抽樣管理為136.99美元,土地類型管理區域為1477.80美元。

                該研究還發現,雖然P和K的精確應用并沒有顯著增加凈利潤,但通過減少每種作物管理的凈利潤變動,確實降低了利潤效益差的風險。

                三種管理類型的每英畝凈利潤的變化是顯著的。例如:

                全農地管理的利潤差距為276.93美元,從最低限度為35.15美元到最高為312.08美元。

                網格化管理的利潤差距為209.80美元,從最低限額為65.14美元,最高為274.94美元。

                利用土地類型管理的利潤差距為180.48美元,從最低限額為57.23美元上漲至最高237.71美元。

                使用土壤類型管理的精準農業在全田或格柵類型管理方面只顯示出非常輕微的利潤增長。這項研究表明,農民使用精準農業的最大收益將是降低利潤的風險,以保證其收益的平均和穩定性。

                遙感經濟學

                遙感不會是精準農業收益性的常用技術。如果農民不會為其作物種植業務增加價值,農民就不愿意支付遙感影像。遙感可以是精確耕作的一個非常昂貴的組成部分。遙感圖像的成本很少,除非它成為精確農業決策支持系統的一部分。以下是來自專門從事農業圖像和決策系統的數據提供者的遙感影像成本的一些例子。

                衛星圖像成本

                許多衛星公司通常不會直接向零售客戶傳送遙感影像。圖像通過授權零售商銷售,這些零售商將拍攝衛星圖像并執行后處理步驟,使分類圖像對客戶更有用。例如,加拿大的Prairie Geomatics公司將創建印度IRS-1D,法國SPOT或美國Landsat衛星照片的NDVI植被圖,每英畝約47澳分。

                空中圖像成本

                商業航空圖像的成本往往比衛星圖像更高。分辨率為2米的多光譜分類圖像可從內布拉斯加州的一家公司DTN獲得,每英畝約75澳分。DTN宣傳從圖像采集到客戶交付只需48小時的周期。

                農民們正在尋找廉價的方法來利用飛機平臺,如下圖所示的動力降落傘來獲取航空圖像。

                以下兩個圖片則是從可用的紅色和近紅外波段的手持式相機拍攝的動力降落傘。


                結論

                遙感具有悠久的歷史,是軍事應用的有用工具。冷戰的結束使得國防承包商尋求和促進民用遙感技術。農業被視為遙感數據提供者的另一個市場。

                遙感傳感器收集從植物和土壤表面反射的能量的數據。遙感技術中使用的物理學非常復雜。農場經營者將依靠專業工程師和精密農業顧問,將原始圖像數據處理為可用信息,從而進行管理決策。有豐富的遙感技術可用于測量植物和土壤的變化。此外,缺乏關于植物狀況變化原因的信息,管理解決方案需要管理變化以改善作物生產。缺乏解決這些變化的問題所需的知識,限制了精準農業管理決策支持系統的發展。遙感只是稱為精密農業的新興技術的一個組成部分。精準農業還沒有發展成為農業的實用和高收益的管理手段。


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