陳仲新 郝鵬宇 劉佳 安萌 韓波

摘? ?要：中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施需要大量及時有效的農(nóng)業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)條件、狀態(tài)及過程信息?；谵r(nóng)業(yè)內(nèi)在的特點，衛(wèi)星遙感是農(nóng)業(yè)信息快速準確獲取的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。發(fā)達國家可用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的遙感衛(wèi)星已經(jīng)形成星座或體系進行聯(lián)合觀測，具有較高的觀測時間分辨率，衛(wèi)星遙感器載荷設(shè)計較為充分地考慮了農(nóng)業(yè)應(yīng)用的需求，觀測手段不斷創(chuàng)新、觀測性能不斷提高。目前，我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用還存在很多問題，例如傳感器多光譜遙感為主、觀測

要素缺乏，受遙感傳感器性能和遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)能力不足制約，缺少光學與微波等多手段同時相協(xié)同觀測能力、遙感數(shù)據(jù)保障率和質(zhì)量有待提高等，遙感監(jiān)測手段與國外先進水平存在一定差距。從國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測、國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測、重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測和繪制重要農(nóng)業(yè)資源圖四個方面全面分析了中國當前遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求，并考慮未來發(fā)展深入分析了農(nóng)業(yè)對遙感衛(wèi)星應(yīng)用裝備的需求。建議構(gòu)建編隊順序飛行的，具備多光譜、高光譜、紅外以及微波等多種手段的農(nóng)業(yè)衛(wèi)星星座系統(tǒng)，有效提高多源數(shù)據(jù)融合精度，綜合提供不同波段、不同極化、主動被動、光學微波相互融合的多尺度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及產(chǎn)品，促進農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，推動“天空地”數(shù)字農(nóng)業(yè)的一體化發(fā)展。最后，提出了立足于用戶需求，建立中國民用遙感領(lǐng)域農(nóng)業(yè)綜合觀測衛(wèi)星系統(tǒng)采用“分步走”戰(zhàn)略建議。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);衛(wèi)星;遙感;智慧農(nóng)業(yè);需求

中圖分類號：TP7? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：201901-SA003

陳仲新， 郝鵬宇， 劉? ?佳， 安? ?萌， 韓? ?波. 農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及我國監(jiān)測需求分析[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（1）： 32-42.

Chen Z， Hao P， Liu J， An M， Han B. Technical demands of agricultural remote sensing satellites in China[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 32-42. （in Chinese with English abstract）

1? 引言

我國農(nóng)業(yè)正處在重大轉(zhuǎn)型期[1]，未來10～20年是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵發(fā)展期，而農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感技術(shù)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要技術(shù)支撐。農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感是指利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對農(nóng)業(yè)多系統(tǒng)（種植業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工與流通等）、全過程（產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后）、多要素（生產(chǎn)、環(huán)境、生態(tài)、資源、災害等）開展多層次信息監(jiān)測的技術(shù)。最早應(yīng)用于農(nóng)作物的遙感，包括作物面積與空間分布、生長情況、病蟲害、產(chǎn)量預報預測等，是當前遙感最廣泛應(yīng)用之一。

國外農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展較早，美國曾率先利用陸地衛(wèi)星（Landsat）和氣象衛(wèi)星（meteorological satellite）數(shù)據(jù)預測全世界小麥產(chǎn)量，準確度大于90%，為該國在國際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易中占得先機[2];歐盟也利用遙感技術(shù)進行農(nóng)業(yè)補貼核查，服務(wù)了共同農(nóng)業(yè)政策（The Common Agricultural Policy， CAP）的執(zhí)行，提高了歐盟農(nóng)產(chǎn)品的國際競爭力[3，4]。目前，美國、歐盟等正在利用多源多層次遙感大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，全面改造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理服務(wù)體系，打造新一代的全球現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)體系，建立核心競爭力和形成技術(shù)壟斷[5]，對我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)“走出去”國家戰(zhàn)略實施、國家糧食安全乃至國家安全構(gòu)成巨大潛在威脅。

為打造我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“操作系統(tǒng)”，從基礎(chǔ)上支持現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)主管部門也已經(jīng)針對農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，規(guī)劃國家“天空地”數(shù)字農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。作為國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施重要補充[6]的國家農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星工程是國家“天空地”數(shù)字農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的重要組成部分。該工程的建設(shè)將填補我國農(nóng)業(yè)遙感觀測領(lǐng)域欠缺，加速提升農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提高農(nóng)業(yè)供給體系質(zhì)量和效率，提高糧食生產(chǎn)能力，提高農(nóng)業(yè)綜合效益與競爭力。

通過國家農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星工程建設(shè)，可大幅度提高我國自主農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)信息獲取能力，掌握農(nóng)業(yè)信息資源自主權(quán)，促進我國農(nóng)業(yè)“走出去”和“一帶一路”倡議的實施，及時把握全國乃至全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境信息，充分利用國內(nèi)和國外兩種資源、兩個市場。

國家農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星工程是建設(shè)創(chuàng)新型國家、建設(shè)美麗中國等不可或缺的關(guān)鍵設(shè)施，對帶動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級換代、促生農(nóng)業(yè)新興產(chǎn)業(yè)集群、促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新及增強綜合國力具有重大戰(zhàn)略意義。為支撐國家農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星工程規(guī)劃實施，本研究分析了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星監(jiān)測的技術(shù)需求。

2? 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1? 國外農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及特點

目前，美國、歐洲和日本等國家和地區(qū)已有多顆應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感的衛(wèi)星和星座在軌組網(wǎng)應(yīng)用或計劃發(fā)射。由于農(nóng)業(yè)遙感觀測參數(shù)繁多、復雜性高，加之農(nóng)作物生長變化較快，因此對遙感衛(wèi)星觀測的時效性以及多載荷數(shù)據(jù)融合、聯(lián)合反演要求較高。歐美等國多采用搭載不同載荷的多星組網(wǎng)的方式，滿足農(nóng)業(yè)對于時間、空間和精度的高要求。其中比較典型的衛(wèi)星系列有Sentinel-1/2號衛(wèi)星、TerraSAR-X/TanDEM-X衛(wèi)星、Rapideye衛(wèi)星星座、Woldview-2/3號衛(wèi)星和Planet衛(wèi)星星座等[7-11]。而日本則采用光學和微波載荷綜合搭載的方式保證觀測任務(wù)完成，如ALOS-1衛(wèi)星。在該星退役后，日本也在規(guī)劃并發(fā)射搭載單一類型載荷的多星組網(wǎng)，以滿足農(nóng)業(yè)觀測需求，如ALOS-2衛(wèi)星和ALOS-3衛(wèi)星（研制中）[12]。加拿大Urthecast公司計劃組建世界上首個集成光學和雷達成像衛(wèi)星星座OptiSAR[13]。

上述衛(wèi)星中，Sentinel-1、TerraSAR-X/TanDEM-X衛(wèi)星采用合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar ，SAR）載荷，具備全能提供高分辨率和中分辨率地表植被和土壤的微波散射成像數(shù)據(jù)，提供并更新農(nóng)田土壤含水量等參數(shù)變化檢測和數(shù)據(jù)。Sentinel-2衛(wèi)星、Woldview-2/3衛(wèi)星以及Rapideye衛(wèi)星則采用高分辨率多光譜相機載荷，光譜譜段選擇適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測的實際應(yīng)用，可用于包括農(nóng)作物分類、作物長勢以及作物生物理化參數(shù)反演[14，15]。ALOS系列衛(wèi)星綜合搭載了光學和微波載荷，以保證全天時完成農(nóng)業(yè)資源的監(jiān)測和環(huán)境觀測等任務(wù)[12]。OptiSAR星座由多顆成對運行的多光譜和雙波段雷達衛(wèi)星構(gòu)成，能提供分辨率0.5m的光學成像、分辨率1m的X波段雷達成像以及分辨率5m的L波段雷達成像。OptiSAR星座能在極短的時間間隔內(nèi)獲得光學與微波遙感數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的一致性。它可以從光學數(shù)據(jù)中獲取豐富的譜段信息，并且使用光學數(shù)據(jù)對圖像數(shù)據(jù)處理器進行“訓練”，輔助SAR圖像的解譯，提高植被、土壤含水量的反演精度，并利用具有高相關(guān)性的光學、微波數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用，發(fā)揮各自優(yōu)勢，提高全天時全天候的地理空間分析能力[15]。

國外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域遙感衛(wèi)星發(fā)展主要有以下特點：

（1）形成了星座或體系進行聯(lián)合觀測。觀測要素多，為了保證關(guān)聯(lián)性，均形成星座進行組網(wǎng)運行，強調(diào)同時相觀測，星座中各衛(wèi)星降交點地方時相差不大。

（2）具有較高的觀測時間分辨率。單星具有較大的觀測幅寬，如Landsat、哨兵2等衛(wèi)星的觀測幅寬均在100km以上，保證快速重復覆蓋觀測。此外，像Rapideye、Urthecast衛(wèi)星進行多星組網(wǎng)，進一步提升了觀測時間分辨率。

（3）衛(wèi)星傳感器設(shè)計比較充分考慮農(nóng)業(yè)要求，手段逐漸豐富，增加了熒光、高光譜、超光譜等監(jiān)測新手段，譜段均包含紅邊或短波紅外譜段，適合農(nóng)業(yè)目標監(jiān)測與遙感參數(shù)反演。

2.2? 我國農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感應(yīng)用現(xiàn)狀及不足

我國目前還沒有真正意義上的農(nóng)業(yè)專用遙感衛(wèi)星。目前，我國的陸地資源衛(wèi)星系列、測繪衛(wèi)星系統(tǒng)、高分衛(wèi)星系列以及環(huán)境減災小衛(wèi)星星座部分兼顧了農(nóng)業(yè)遙感觀測業(yè)務(wù)，初步滿足農(nóng)情監(jiān)測、農(nóng)作物分類、估產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)災害監(jiān)測等方面的部分應(yīng)用需求[16-19]。在有效載荷以及高品質(zhì)衛(wèi)星平臺研制方面，我國已經(jīng)開展了大量技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)具備較強的研制基礎(chǔ)。在光學相機方面，已經(jīng)實現(xiàn)了長線陣大規(guī)模探測器研制，突破了大視場光學系統(tǒng)和干涉成像光譜分光技術(shù)等多項關(guān)鍵基礎(chǔ)。在SAR載荷研制方面，已經(jīng)實現(xiàn)了大型相控陣天線等關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)載荷已經(jīng)實現(xiàn)了在軌穩(wěn)定運行[20]。這些前期的技術(shù)攻關(guān)和積累已為我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星研制打下了良好基礎(chǔ)。

我國陸地資源衛(wèi)星系統(tǒng)是我國最早探索遙感觀測技術(shù)并形成規(guī)模化應(yīng)用的衛(wèi)星系統(tǒng)。從1999年我國發(fā)射第一顆陸地資源衛(wèi)星-中巴資源01（CBERS-1）星以來，我國已成功發(fā)射了四顆資源一號衛(wèi)星[21]。在農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用領(lǐng)域，我國農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遙感應(yīng)用中心）于2001年構(gòu)建了基于CBERS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的新疆棉花遙感監(jiān)測技術(shù)體系，首次將國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)納入到農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“國家農(nóng)情遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)”中，并逐漸應(yīng)用在全國冬小麥、玉米和水稻等大宗糧食作物種植面積監(jiān)測業(yè)務(wù)中[22]。2011年，我國資源一號02C衛(wèi)星的成功發(fā)射與應(yīng)用，為國土資源業(yè)務(wù)衛(wèi)星體系建設(shè)創(chuàng)造了條件。在譜段選擇和載荷配置方面，該星主要滿足國土資源監(jiān)測的需求，配置1臺5m/10m分辨率的全色/多光譜相機和2臺2.36m高分辨率的HR相機[23]。目前，相關(guān)影像產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于開展耕地、農(nóng)田細小地物（道路、農(nóng)業(yè)附屬用地、林帶）等的監(jiān)測，并利用其多光譜數(shù)據(jù)定量提取地表植被反射率、植被指數(shù)、葉面指數(shù)等農(nóng)情信息。我國環(huán)境減災系列衛(wèi)星包括HJ-1衛(wèi)星，“2+1”星座的2顆光學衛(wèi)星和1顆雷達衛(wèi)星。光學星裝載了寬覆蓋多光譜相機、超光譜成像儀和紅外相機。雷達星裝載了S波段合成孔徑雷達。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遙感應(yīng)用中心從2009年開始采用多時相環(huán)境減災衛(wèi)星CCD相機數(shù)據(jù)，與國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)相結(jié)合，監(jiān)測全國冬小麥、玉米、水稻、大豆、棉花、油菜和甘蔗等作物種植面積變化率。

隨著我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項的實施，在我國現(xiàn)有高分數(shù)據(jù)政策的引導下，國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比重逐漸提高，在替代國外數(shù)據(jù)的同時，也逐漸提高了農(nóng)業(yè)遙感的監(jiān)測精度，拓展了遙感在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。但是我國農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感應(yīng)用還存在很多問題和不足，主要表現(xiàn)在：

（1）缺乏觀測要素

觀測要素指表明農(nóng)業(yè)目標物地表狀態(tài)的各種要素，如葉面積指數(shù)、生物量、冠層含水量、土壤含水量等參數(shù)。農(nóng)業(yè)遙感需要多手段探測，在波段配置方面需要可見光、短波紅外、紅邊、熒光、熱紅外和微波等多種觀測手段綜合使用。我國現(xiàn)有遙感衛(wèi)星在波段設(shè)置方面大多只包括可見光和近紅外譜段，其中光學遙感衛(wèi)星缺少紅邊、短波紅外等信息、熱紅外波段及葉綠素熒光信息，限制了植被冠層水分含量、健康狀態(tài)等信息的獲取能力，無法指導作物的精準管理。此外，我國還缺乏光學和微波綜合觀測衛(wèi)星。多光譜/高光譜和微波數(shù)據(jù)結(jié)合可獲取更豐富的農(nóng)作物和環(huán)境信息，從而建立多極化SAR數(shù)據(jù)和農(nóng)作物參數(shù)之間的關(guān)系，可有效提升農(nóng)作物后期變化預測的精度[24]。通過對微波和熱紅外數(shù)據(jù)進行主被動聯(lián)合反演，可以同時獲取地表冠層和土壤溫濕度信息，有利于農(nóng)田蒸散的估算、精準灌溉和農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測與預警。

（2）定量化監(jiān)測手段仍需提高

受遙感傳感器性能、遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)能力不足等條件限制，我國定量化遙感監(jiān)測手段與技術(shù)發(fā)展還不充分。美國和歐盟農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用技術(shù)先進，衛(wèi)星參數(shù)指標設(shè)計充分考慮了農(nóng)業(yè)需求，應(yīng)用系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)銜接、整合度高，軟硬件設(shè)施設(shè)備條件好，實現(xiàn)了遙感影像分析處理和信息提取的快速化、規(guī)范化和自動化。我國農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域的地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)不充分，與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面接受處理系統(tǒng)銜接還不夠，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要進一步加強。

（3）缺少多手段同時相觀測能力

光學、微波遙感衛(wèi)星在同一個觀測系統(tǒng)下進行協(xié)同設(shè)計和統(tǒng)一調(diào)度運行，通過高度相關(guān)的光學和微波數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，提高對農(nóng)業(yè)參數(shù)的反演精度，對作物生長環(huán)境全方位監(jiān)測，是未來農(nóng)業(yè)遙感觀測系統(tǒng)發(fā)展的方向。作物快速生長季節(jié)比較集中，作物生長狀態(tài)變化迅速，因而農(nóng)業(yè)應(yīng)用往往需要較高時間分辨率的遙感觀測數(shù)據(jù)。光學載荷波段需要在晴朗無云的天氣條件下獲得觀測數(shù)據(jù)，所以單一的光學觀測受天氣影響較大。但是，我國受季風氣候的影響，雨熱同季，作物關(guān)鍵生長期云雨天氣發(fā)生概率高，所以在一些常年有云的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，單一光學遙感衛(wèi)星系統(tǒng)難以提供高頻率的無云遙感數(shù)據(jù)。微波載荷可以較好的彌補光學載荷的缺陷，可穿透云層和霧霾。但是通過不同的光學、微波遙感衛(wèi)星系統(tǒng)分別進行觀測無法做到任務(wù)規(guī)劃的統(tǒng)一和技術(shù)指標的統(tǒng)一，獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)性和時效性都較差，影響觀測要素的定量化反演水平。

3? 我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星業(yè)務(wù)需求

《國家天空地數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃綱要（2018-2025年）》提出了要形成“天空地”全要素數(shù)字化、農(nóng)業(yè)資源權(quán)屬數(shù)字化管理能力，提升“天空地”農(nóng)業(yè)管理數(shù)字化水平，圍繞大田種植、漁業(yè)、草地畜牧業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、農(nóng)村生態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，實現(xiàn)全要素、全生產(chǎn)流程的數(shù)字化、智能化動態(tài)監(jiān)測。發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，建立“天空地”一體化數(shù)字農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，需要循序推進農(nóng)業(yè)要素數(shù)字化、資源權(quán)屬數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化，建設(shè)現(xiàn)代化的數(shù)字農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系。

我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星行業(yè)的主體業(yè)務(wù)包括國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測、國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測、重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測和繪制重要農(nóng)業(yè)資源圖4大類，覆蓋種植業(yè)、草地畜牧業(yè)和漁業(yè)等業(yè)務(wù)內(nèi)容15項，涉及觀測要素60余項。

3.1? 國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測

國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測包括種植、漁業(yè)、畜牧業(yè)及熱帶作物的面積、產(chǎn)量、質(zhì)量、類型、農(nóng)業(yè)災害、養(yǎng)殖環(huán)境、設(shè)施、涉漁工程等要素。需要對全國或主要糧食產(chǎn)區(qū)、漁場完成快速覆蓋，客觀、準確、及時獲取作物、畜牧業(yè)、漁業(yè)生態(tài)環(huán)境和生長信息，滿足農(nóng)業(yè)部門日常觀測需求。

3.1.1? ?種植業(yè)監(jiān)測需求

種植業(yè)業(yè)務(wù)需求主要包括國內(nèi)外農(nóng)作物種植面積和類型監(jiān)測、農(nóng)作物長勢監(jiān)測（包括熱帶作物監(jiān)測）、土壤墑情和土壤質(zhì)量監(jiān)測、作物病蟲害監(jiān)測等，監(jiān)測結(jié)果可支撐繪制我國種植業(yè)資源圖，包括耕地基本地塊單元空間分布圖、農(nóng)作物空間分布圖、農(nóng)村承包地權(quán)屬空間分布圖等，服務(wù)于我國重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測，如農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)高標準農(nóng)田監(jiān)測、“兩區(qū)”劃定及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況監(jiān)測等。

（1）農(nóng)作物種植面積及類型監(jiān)測

農(nóng)作物種植面積及類型監(jiān)測主要通過研究農(nóng)作物的空間分布，監(jiān)測農(nóng)作物的種植信息，是進行耕地資源合理管理的基礎(chǔ)，是農(nóng)作物長勢監(jiān)測、產(chǎn)量估算的前提，也是制定農(nóng)業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟發(fā)展策略的重要依據(jù)。不同的農(nóng)作物在遙感影像上呈現(xiàn)不同的特征信息，農(nóng)作物種植面積及類型遙感監(jiān)測是根據(jù)不同農(nóng)作物光譜特征的差異，通過利用多傳感器、多時間分辨率和多空間分辨率的遙感影像記錄的地表信息，識別不同的農(nóng)作物類型，統(tǒng)計農(nóng)作物種植面積。需要對境外作物進行常規(guī)監(jiān)測，保障國家糧食安全，滿足農(nóng)業(yè)對于全球糧食監(jiān)測的要求。需要繪制農(nóng)作物和耕地空間分布圖，從空間角度掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源利用狀況，作為農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要依據(jù)。

在進行農(nóng)作物種植面積制圖時，對遙感數(shù)據(jù)的需求因研究區(qū)農(nóng)田地塊狀況而存在差異。對于連片平原地區(qū)的農(nóng)作物種植面積提取及種類監(jiān)測、農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃等需要優(yōu)于十米量級的對地觀測數(shù)據(jù)，對于南方山區(qū)小塊農(nóng)作物種植面積提取及種類監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)等需要米級乃至亞米量級的對地觀測數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性強，為了保障糧食安全，需要對全國范圍內(nèi)劃定的基本農(nóng)田每月評估1次。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域差異大，種植結(jié)構(gòu)和制度復雜，農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測需要高光譜分辨率的數(shù)據(jù)來支持農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測，如農(nóng)業(yè)生態(tài)參數(shù)的定量反演、作物及雜草種類的識別需要光譜分辨率優(yōu)于10～30nm。另外，為了克服天氣因素，保證時間分辨率，對于我國部分多云、多雨區(qū)農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測，需要采用微波對地觀測技術(shù)實現(xiàn)全天候遙感信息的獲取[25]。

（2）農(nóng)作物長勢與病蟲害監(jiān)測

農(nóng)作物病蟲害是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，病蟲害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要障礙，是限制作物產(chǎn)量的主要因素。據(jù)統(tǒng)計，因病蟲危害每年世界農(nóng)業(yè)減產(chǎn)約1/3，我國農(nóng)業(yè)減產(chǎn)約10%～15%，且有日益加重的趨勢[26]。因此，盡早發(fā)現(xiàn)病蟲害，及時進行科學防治，是提高作物產(chǎn)量，減少其經(jīng)濟損失的關(guān)鍵，而對病蟲害的實時監(jiān)測是對其進行綜合防治的有效保障。

植物受到各種生物或非生物脅迫后，植株的葉片顏色、物理結(jié)構(gòu)、葉綠素含量、光合能力、生理特性等都會發(fā)生改變，這些改變都能影響作物對光能的吸收，導致植物光譜曲線也隨之改變。因此，通過對作物葉片或冠層進行光譜測定，能夠?qū)υ缙诓∠x危害進行相應(yīng)探測，并定量分析危害實際程度。其中，植物發(fā)射的熒光信號與植被光合作用狀態(tài)直接相連，尤其是植物受到逆境脅迫時，熒光發(fā)射強度會隨著葉綠素分子的效能改變而改變，因此，葉綠素熒光被認為是探測植被光合作用受植被生理狀態(tài)及環(huán)境條件影響的敏感“探針”[27-30]。對于農(nóng)作物病蟲害的監(jiān)測需要較高的光譜分辨率，一般在1～10nm，并且對于農(nóng)作物長勢、農(nóng)作物病蟲害等時效性要求較高的農(nóng)情監(jiān)測，要求具備較高的時間分辨率和較短重訪周期，如每周一次。

（3）農(nóng)業(yè)土壤墑情與狀況監(jiān)測

準確地監(jiān)測土壤水分狀況、作物與土壤的蒸散發(fā)和水資源狀況是實施科學灌溉和提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率的起點，是實現(xiàn)作物生產(chǎn)過程中科學調(diào)控投入和制定用水管理措施的基礎(chǔ)。通過土壤水分探測，能夠獲得合理及時的土壤墑情信息，對提高灌溉的準確性和有效性十分重要;將區(qū)域土壤水分的監(jiān)測與預報有機結(jié)合起來，是進行適時適量灌水的基礎(chǔ)。另一方面，土壤含水量狀況是當?shù)馗珊禒顩r的一個重要指示。水對作物生長的影響巨大，在水缺乏和干旱的時間段，土壤濕度強烈影響著植物的生長以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率[31-33]。

為準確高效地監(jiān)測土壤墑情及地表蒸散發(fā)等狀態(tài)，需要具有一定穿透能力的微波數(shù)據(jù)，穿透地表植被和土壤表層以獲取輻射亮溫和后向散射系數(shù)，然后通過一定的算法和模型反演含水量信息，因此微波波段應(yīng)首選穿透能力較強的L波段，也可將C波段作為備份波段在RFI干擾嚴重時進行觀測[34-35]。為了排除地表植被對土壤濕度反演的精度，還需要利用熱紅外數(shù)據(jù)獲取植被亮溫，從而反演植被含水量。此外，對于地表土壤濕度觀測來說，其參數(shù)變化較快，要進行濕度變化的監(jiān)測，就需要快速重訪，需要載荷具有大幅寬。由于L波段可穿透5cm左右的土壤，要獲取深層次的土壤墑情信息，需利用地面?zhèn)鞲衅鞯男畔⑦M行聯(lián)合反演。另外可增加P波段SAR觀測手段，進一步提升對于農(nóng)作物和土壤的穿透能力，直接獲取土壤墑情和土壤性狀、結(jié)構(gòu)等信息。

3.1.2? 草地畜牧業(yè)生產(chǎn)與資源監(jiān)測需求

草地畜牧業(yè)生產(chǎn)與資源監(jiān)測，主要業(yè)務(wù)需求包括草原植被監(jiān)測、草原保護和重大工程效益監(jiān)測、草原生產(chǎn)力和利用狀況監(jiān)測、草原災害監(jiān)測預警以及繪制草原空間分布圖等，為我國現(xiàn)代草地畜牧業(yè)發(fā)展和建設(shè)提供重要的支撐手段。

草場退化是一個世界性問題，由于不合理的放牧、割草、無計劃的濫墾以及采取不正確的經(jīng)營和管理措施往往會導致草場出現(xiàn)不同程度的退化。草地生物量客觀地反映了草地固碳能力和草地載畜量大小。精確地評價草地生物量及其變化規(guī)律有助于合理地利用草地資源，客觀地分析草地生態(tài)系統(tǒng)，并有效地預防草地退化的發(fā)生。利用遙感手段監(jiān)測草場面積、產(chǎn)量的動態(tài)變化以及草場火情等草原災害信息，對防止草場退化，維護我國畜牧業(yè)穩(wěn)定具有重要的意義。

利用植被指數(shù)可以有效估算草原生物量并對草原植被的分類及長勢進行精確監(jiān)測;而草原物種變化等草原生態(tài)結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測則主要依賴具有高光譜分辨率的高光譜數(shù)據(jù)。在火災、凍害等草原災害監(jiān)測方面，需要充分利用微波遙感的穿透能力和多極化觀測手段，結(jié)合紅外、高光譜等光學手段，提高定量化監(jiān)測精度。在空間分辨率方面，要滿足對各類觀測要素的高精度判讀與反演，衛(wèi)星遙感載荷的空間分辨率應(yīng)在1～100m之間;在時間分辨率方面，由于我國草場面積廣闊，故需要大幅寬對地觀測數(shù)據(jù)，并發(fā)展星座組網(wǎng)運行，以實現(xiàn)全國草場重訪的時效性。

3.1.3? ?漁業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)需求

漁業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)需求主要包括我國國內(nèi)及近海養(yǎng)殖漁業(yè)監(jiān)測、境外漁業(yè)監(jiān)測、漁業(yè)水體水質(zhì)監(jiān)測，以及漁業(yè)水體資源“一張圖”繪制工作等。在海水養(yǎng)殖和捕撈方面，可利用遙感技術(shù)監(jiān)測海洋溫度場分布、洋流、葉綠素分布狀況、沿岸居民點分布可能帶來的污染、可能形成的赤潮區(qū)域等。同時，遙感信息可提供潮間帶寬度、潮間帶的底質(zhì)類型、環(huán)境交通狀況、鄰近海域污染情況等信息。依據(jù)這些信息與灘涂水產(chǎn)養(yǎng)殖有關(guān)的參數(shù)可更好的對灘涂養(yǎng)殖的選址、養(yǎng)殖品種、勞動力成本等進行評估。在內(nèi)陸水體養(yǎng)殖方面，可利用遙感技術(shù)測定水域形態(tài)、水體面積、水生植物分布及數(shù)量、富營養(yǎng)化及污染情況、已有網(wǎng)箱養(yǎng)殖位置及分布、葉綠素總量及初級生產(chǎn)力評估。同時，遙感技術(shù)可以方便地監(jiān)測破壞漁業(yè)生產(chǎn)的污染源等等。

漁業(yè)生產(chǎn)過程遙感觀測要素包括養(yǎng)殖水體面積、溫度、水位、風場、水色、水質(zhì)和葉綠素濃度以及養(yǎng)殖設(shè)施、人工魚礁、海洋氣象、海冰分布等多類型水體環(huán)境的物理、生化特征等。

3.2? 對國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測

國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測主要指對全球主要種植區(qū)、漁場進行常規(guī)監(jiān)測，需要利用衛(wèi)星遙感重點監(jiān)測面積、長勢、產(chǎn)量、環(huán)境等要素，開展風險預警、災害評估等要素。需要觀測譜段范圍覆蓋可見光、紅外及微波波段，觀測范圍覆蓋世界主要糧食產(chǎn)區(qū)以及主要漁場。開展全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測、致力服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策管理，掌控國際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的主動權(quán)和話語權(quán)，服務(wù)我國農(nóng)業(yè)“走出去”國家重大戰(zhàn)略。

3.3? 重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測

重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測包括對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進展監(jiān)測、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)高標準農(nóng)田監(jiān)測進展監(jiān)測、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)高標準農(nóng)田監(jiān)測進展監(jiān)測、“兩區(qū)”劃定及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況監(jiān)測、重大工程效益監(jiān)測等重點工程和區(qū)域進行境常規(guī)和應(yīng)急監(jiān)測。需要觀測要素包括農(nóng)作物類型、空間分布、生長狀態(tài)、生長環(huán)境等。觀測譜段覆蓋可見光、紅外及微波波段。觀測范圍覆蓋全國。根據(jù)具體需求，3～20天完成覆蓋。重點關(guān)注現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、“兩區(qū)監(jiān)測”等重大工程，形成完善的、穩(wěn)定運行的重大政策執(zhí)行情況監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)支撐體系。

3.4? 繪制重要農(nóng)業(yè)資源圖

圍繞農(nóng)業(yè)“一張圖”工程，利用高精度衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)，開展耕地、農(nóng)作物、畜牧草地、漁業(yè)水域和農(nóng)村承包地權(quán)屬空間分布的遙感制圖工作，實現(xiàn)以圖管農(nóng)，以圖管糧，最終實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)高精度數(shù)字化管理。需要觀測譜段范圍覆蓋可見光、紅外及微波波段，覆蓋范圍為全國地區(qū)，可每年更新不同比例尺的農(nóng)業(yè)資源圖，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)頂層規(guī)劃、土地確權(quán)及拓展應(yīng)用、農(nóng)業(yè)農(nóng)村科學管理等。

4? 我國農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用的裝備需求

農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星獲取的農(nóng)業(yè)信息主要是植被、土壤等多種要素連續(xù)綜合體的綜合，不同觀測手段對于獲取地物信息有著不同的作用，因此農(nóng)業(yè)觀測業(yè)務(wù)對多手段、多載荷、多要素聯(lián)合觀測提出了更高的要求，形成對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全流程、全天候的綜合觀測能力。

4.1? 監(jiān)測目的及方式分析

（1）種植業(yè)

種植業(yè)業(yè)務(wù)需要實現(xiàn)對我國及國際主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)內(nèi)農(nóng)作物種植面積、長勢、墑情、產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)病蟲害等監(jiān)測的常年業(yè)務(wù)化運行。在光學遙感手段中，作物分類、作物長勢參數(shù)監(jiān)測需要多光譜波段載荷和基于多光譜波段計算的植被指數(shù)、葉面積指數(shù)和作物覆蓋度等關(guān)鍵要素;病蟲害、地表元素含量探測需要譜段更為細膩的高光譜載荷;農(nóng)作物長勢監(jiān)測與病蟲害的早期監(jiān)測需要熒光載荷探測植被光合作用;農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測需要的熱紅外波段載荷反演地表溫度信息，在服務(wù)方面可以發(fā)揮出重要作用。但以上光學遙感手段都會受到云雨等天氣的影響，難以實現(xiàn)全天時、全天候的作物監(jiān)測。此外，地表土壤性狀及土壤含水等監(jiān)測受到植被等遮擋，也需要主被動微波手段利用微波的穿透性，穿透地表植被和土壤表層以獲取輻射亮溫和后向散射系數(shù)等，并通過一定的算法和模型反演含土壤墑情、土壤質(zhì)量等信息。其中，P波段SAR是農(nóng)業(yè)遙感未來發(fā)展的趨勢之一，其波長和穿透能力約為L波段的兩倍，是獲取農(nóng)作物根區(qū)土壤剖面信息的必要載荷。因此，為實現(xiàn)種植業(yè)業(yè)務(wù)監(jiān)測的常規(guī)業(yè)務(wù)化運行，需要利用多光譜、熒光、高光譜和主被動微波、SAR等多種觀測手段實現(xiàn)綜合立體性地表監(jiān)測。

（2）草地畜牧業(yè)

草地畜牧業(yè)生產(chǎn)與資源業(yè)務(wù)監(jiān)測的目的是實現(xiàn)草原產(chǎn)草量、草畜平衡、草原長勢等草原管理和生態(tài)保護業(yè)務(wù)化運行，需要利用多光譜數(shù)據(jù)對草原植被指數(shù)變化進行監(jiān)測;利用高光譜和熒光等手段實現(xiàn)草原物種和草原生態(tài)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測;并利用主被動微波遙感手段實現(xiàn)草原冷凍害、草原旱災和草原火災等災害的早期預警和監(jiān)測;并結(jié)合紅外觀測手段，提高定量化反演精度。

（3）漁業(yè)

漁業(yè)業(yè)務(wù)監(jiān)測的目的是實現(xiàn)漁業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)資源管理和生態(tài)保護，以及漁情漁場監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行，監(jiān)測手段需要綜合寬幅多光譜數(shù)據(jù)、主被動微波數(shù)據(jù)以及高光譜數(shù)據(jù)對海洋以及內(nèi)陸漁業(yè)養(yǎng)殖水體、水質(zhì)、養(yǎng)殖設(shè)施和規(guī)模等進行聯(lián)合監(jiān)測和反演，同時由于漁業(yè)與氣象條件、水文狀況等關(guān)系密切，還需要借助氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)輔助完成漁業(yè)業(yè)務(wù)監(jiān)測和指導工作。

4.2? 監(jiān)測裝備需求分析

農(nóng)業(yè)觀測業(yè)務(wù)需求的觀測要素復雜多樣，并且具有典型的時空變化性。如地表作物類型、長勢、土壤墑情、病蟲害等不僅隨季節(jié)顯著變化，也隨著短時間內(nèi)的水、光、熱、土壤條件以及人類活動等外界條件因子隨時相的變化密切相關(guān)，所以迫切需要多手段的同時相觀測數(shù)據(jù)。

目前，遙感衛(wèi)星單星觀測手段有限，每種遙感器僅能針對單一農(nóng)業(yè)需求進行觀測，無法實現(xiàn)觀測要素之間的互聯(lián)互通，因此在一顆衛(wèi)星上無法實現(xiàn)同時獲取不同波段的多源遙感信息，為提供數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)所必須的多源遙感數(shù)據(jù)支撐。最有效的解決方法是構(gòu)建一種類似于美國A-Train列車星座[36]的農(nóng)業(yè)衛(wèi)星星座進行編隊順序飛行。星座具備多光譜、高光譜、紅外以及微波等多種波段，可實現(xiàn)對相同地物在相同時相下綜合特征的獲取，從而得到具有較高的時空一致性和光照條件一致性的數(shù)據(jù)，可有效提高多源數(shù)據(jù)融合精度，綜合提供不同波段、不同極化、主動被動、光學微波相互融合的多尺度遙感產(chǎn)品，促進農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，推動“天空地”數(shù)字農(nóng)業(yè)的一體化發(fā)展。

5? 結(jié)論及建議

我國農(nóng)業(yè)正處在重大轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施對農(nóng)業(yè)衛(wèi)星遙感技術(shù)以及遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品提出了更多、更高的需求，現(xiàn)有的和國家空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的遙感衛(wèi)星資源不能完全滿足這些需求。在全面分析我國當前及未來農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的需求和業(yè)務(wù)特點的基礎(chǔ)上，提出了農(nóng)業(yè)對遙感衛(wèi)星應(yīng)用需求與裝備需求。

根據(jù)我國遙感衛(wèi)星研制現(xiàn)狀，結(jié)合空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，建議建立我國民用遙感領(lǐng)域農(nóng)業(yè)綜合觀測衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)立足于用戶需求，并采用分步走戰(zhàn)略，“十三五”至“十四五”期間，首先解決用戶對種植面積、類型、作物長勢、病蟲害、農(nóng)業(yè)用水、土壤墑情、草原生態(tài)及漁業(yè)水質(zhì)等主體觀測業(yè)務(wù)的全要素綜合觀測需求，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)行業(yè)大部分要素覆蓋，重點滿足我國國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常規(guī)監(jiān)測、重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測等行業(yè)業(yè)務(wù)的觀測需求;“十五五”期間，針對農(nóng)業(yè)高時效的觀測需求，補充完善星座衛(wèi)星，提升觀測時效性和要素的覆蓋性，實現(xiàn)較高的觀測時間分辨率，形成高效完善的觀測能力。

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Technical demands for agricultural remote

sensing satellites in China

Zhongxin Chen1*， Pengyu Hao1， Jia Liu1， Meng An2， Bo Han2

（1. Institute of Agricultural Resources & Regional Planning， CAAS / Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing，

Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100081; 2. Chinese Academy of Space Technology， Beijing 100094）

Abstract： With the development of China's modern agriculture， information agriculture and smart agriculture， and the implementation of national rural revitalization strategy， there are very strong demands for timely and effective retrieving information for agricultural environment， production conditions， status， and procedure. Because of the inherent characteristics of agriculture， satellite remote sensing is one of the critical techniques in agricultural information acquisition. Based on the analysis of the applications of agricultural remote sensing satellites abroad and in China， the authors analyzed the technical demand and engineering demand of China's remote sensing satellites development according to the demand of modern agricultural development， in order to provide suggestions for the construction agricultural remote sensing satellite system in the national digital agriculture system. In developed economies， remote sensing satellites that can be used for agricultural applications have formed constellations or systems for integrative observation. Their designs of payloads and sensors onboard remote sensing satellites have taken full account of the demand for agricultural applications. Their technical innovation and information retrieval capability have been greatly enhanced in agricultural applications of satellite remote sensing. In contrast with that in the advanced foreign countries， the agricultural satellite remote sensing applications in China have quite a few problems and shortcomings. We rely mainly multi-spectral remote sensing systems， which leads to inadequate observation elements in agricultural remote sensing applications. Limited by the performance of remote sensing sensors and the inadequate ability of remote sensing satellite ground application system， there is a certain gap between quantitative remote sensing monitoring means in China and foreign developed countries. Based on a comprehensive analysis of the current and future demands of agricultural remote sensing applications in China， this paper suggests the agricultural requirements for the application capability and equipment of remote sensing satellites. It is suggested that a constellation system of agricultural satellites flying in a tandem sequence should be constructed. The constellation has multi-spectral， hyperspectral， infrared and microwave sensors， which can acquire the comprehensive features of the same objects in the same temporal phase， and thus obtain the data with high spatial-temporal consistency and consistency of solar illumination conditions. The precision of multi-source data fusion can comprehensively provide multi-scale remote sensing products with different bands， different polarization， active/passive， microwave/optical fusion. With help of this advanced agricultural remote sensing satellite system and national spatial infrastructure in China， it will enhance the capability to promote the rapid development of agricultural remote sensing technology and the integration of three-dimensional space-air-ground based digital agriculture in China.

Key words： agriculture; satellite; remote sensing; smart agriculture; demands