農(nóng)業(yè)信息技術(shù)：第四章 3S農(nóng)業(yè)

第四章3S農(nóng)業(yè)第一節(jié)遙感的概念、特征與作用第一部分RS一、農(nóng)業(yè)遙感的定義、作用、發(fā)展動態(tài)（一）農(nóng)業(yè)遙感的定義是指從不同高度的遙感平臺（Platform）上，使用各種傳感器（RemoteSensor），接收來自地球表層各類地物的各種電磁波信息，并對這些信息進行加工處理，從而對不同的地物及其特性進行遠距離的探測和識別的綜合技術(shù)。1.遙感特性（1）間接性

視域范圍大，具有宏觀性。(2)光譜特性

探測波段從可見光波段向兩側(cè)延伸，不僅能獲得地物在可見光波段的電磁波信息，而且還可以獲得紫外、紅外、微波等波段的信息。(3)時相特性

能夠周期成像，有利于動態(tài)監(jiān)測和研究。(4)信息數(shù)據(jù)齊全

單色成像、多波段成像，保證了數(shù)據(jù)的完整詳細。隨著傳感器的改進，更多的波段可以記錄更多的數(shù)據(jù)信息。2.遙感的分類⑴根據(jù)所利用的電磁波的光譜波段，遙感可以分為可見光－反射紅外遙感、熱紅外遙感和微波遙感三種類型Γ射線X射線紫外可見光紅外微波無線電波波長短長近紅外中紅外遠紅外⑵按傳感器的工作方式不同可分為被動遙感和主動遙感

被動遙感是指傳感器自己不發(fā)射信號，而是接收目標物輻射的電磁波或反射的太陽輻射；主動遙感則是傳感器向目標物發(fā)射電磁波，然后收集從目標物反射回來的電磁波的遙感方式。被動遙感主動遙感⑶按傳感器的掃描方式又可分為掃描式遙感和非掃描式遙感⑷按傳感器圖像獲得方式可分為圖像方式和非圖像方式⑸按照探測目標不同可分為海洋遙感、氣象遙感、農(nóng)業(yè)遙感等。⑹按照遙感平臺可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感。3.遙感技術(shù)系統(tǒng)

遙感技術(shù)系統(tǒng)主要有遙感平臺、傳感器及遙感信息的接收和處理等三部分組成。（1）遙感平臺搭載傳感器的工具統(tǒng)稱遙感平臺（Platform），按高度可分為地面平臺、航空平臺、航天平臺等。（2）傳感器

傳感器（RemoteSensor）是記錄地物反射或發(fā)射電磁波能量的裝置，是遙感技術(shù)系統(tǒng)的核心部分。非成像傳感器成像傳感器數(shù)據(jù)記錄方式工作的波段可見光傳感器紅外傳感器微波傳感器工作方式主動傳感器（雷達）被動傳感器（攝象機、掃描儀、輻射計）（3）遙感信息的傳輸與處理

1）遙感信息的傳輸

一種為直接回收；另一種為視頻傳輸。

直接回收是指傳感器將地物反射或發(fā)射的電磁波信息記錄在膠卷或磁帶上，待運載工具返回地面時回收，這是一種非實時傳輸方式，是航空遙感所常用的。視頻傳輸是指傳感器將接收到的地物反射或發(fā)射的電磁波信息，經(jīng)過光、電轉(zhuǎn)換，通過無線電將數(shù)據(jù)傳送到地面接收站。2）遙感信息的處理包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)管理、輻射校正、幾何校正、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)存貯和提取、判讀和應(yīng)用等一系列過程。（二）農(nóng)業(yè)遙感的作用1.科學(xué)效益

首先是提高制圖精度。據(jù)已有的報道，利用遙感技術(shù)制圖，不但圖斑界線清楚，規(guī)律性強，而且圖斑數(shù)量與常規(guī)相比可增加140～190％。其次是由于地面信息量豐富，甚至還具有一些間接影像特征的所謂“透視信息”，有利于了解一些土壤的水文地質(zhì)情況，對土壤改良規(guī)劃十分有用。更重要的是遙感技術(shù)為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供了全新的研究手段，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究范圍、內(nèi)容、性質(zhì)和方法的巨大變化，標志著農(nóng)業(yè)科學(xué)的一場革命。

首先表現(xiàn)在節(jié)約時間，即同一工作，采用遙感技術(shù)以后，與其他常規(guī)方法相比，提高工效的倍數(shù)。

再次，節(jié)省了人力和財力。在農(nóng)作物的遙感估產(chǎn)中更為明顯，美國的遙感作物估產(chǎn)，在國內(nèi)小麥方面受益4億美元，全世界小麥估產(chǎn)方面受益7億美元，在國內(nèi)的作物病蟲害預(yù)防方面受益75萬美元。

2.經(jīng)濟效益（三）農(nóng)業(yè)遙感的發(fā)展動態(tài)

1．國外農(nóng)業(yè)遙感發(fā)展概況美國于70年代中期開始的“大面積作物調(diào)查試驗”和隨后開展的“利用空間遙感技術(shù)進行農(nóng)業(yè)和資源調(diào)查”，成為農(nóng)業(yè)遙感研究與應(yīng)用的先例，一直被遙感界譽為遙感估產(chǎn)的典型和里程碑。此外，還有一些學(xué)者開展了應(yīng)用極軌氣象衛(wèi)星的農(nóng)業(yè)遙感研究，主要有非洲的干旱監(jiān)測、草場監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測、全球植被的動態(tài)監(jiān)測等?？傊r(nóng)業(yè)遙感研究在國際上發(fā)展很快，除美國、蘇聯(lián)、日本之外，加拿大、阿根延、巴西、德國、法國、意大利、澳大利亞、泰國等都開展了農(nóng)業(yè)遙感研究。2.中國農(nóng)業(yè)遙感發(fā)展概況

我國農(nóng)業(yè)遙感工作者已總結(jié)出利用航空遙感資料作縣級土壤調(diào)查，使用衛(wèi)星遙感圖像作地區(qū)、省級土壤的匯總方法，以及結(jié)合地形、地質(zhì)、植被、水文等資料對衛(wèi)星圖像進行土壤解譯的方法。

我國首次利用衛(wèi)星像片進行土壤制圖的是中國科學(xué)院南京土壤研究所。以后全國有20多個高等院校與科研單位開展衛(wèi)星像片土壤制圖試驗。土壤侵蝕制圖和土壤堿化的調(diào)查也是我國遙感的一個重要方面。一些研究已經(jīng)應(yīng)用陸地衛(wèi)星MSS圖像探索編制土壤侵蝕圖的方法。我國遙感工作者主要應(yīng)用氣象衛(wèi)星做了許多動態(tài)監(jiān)測工作。

第二節(jié)農(nóng)業(yè)遙感原理一、電磁波和電磁波譜

電磁波的波段從波長短的一側(cè)開始，依次叫做γ射線、χ射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波。Γ射線X射線紫外可見光紅外微波無線電波短長二、太陽輻射與大氣窗口

1.太陽輻射太陽向外發(fā)射電磁波的形式及所發(fā)射的能量稱為太陽輻射，太陽輻射能量隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。

波長400～760nm的可見光譜區(qū)的能量占45.5％左右，所以太陽輻射一般稱為短波輻射。波長760～4000nm的紅外輻射約占44.5％，波長150～400nm的紫外輻射約占９％。太陽輻射光譜中以波長475nm為最強。2.大氣窗口

由于大氣對電磁波的選擇性吸收，使大氣在不同波段對電磁波的衰減程度各不相同。換句話說，大氣對不同波段的電磁波有不同的透射率，因此有些波段電磁波能順利透過去，而在另一些波段的電磁波則很少透過，甚至完全不能透過。大氣對電磁波衰減較小，透射率較高的波段叫“大氣窗口”。因此要從空中遙感地面目標，傳感器的工作波段應(yīng)在大氣窗口處,才能接收到地面目標的電磁波信息。（１）可攝影窗口

波長范圍為0.3～1.3微米，通過這個窗口的電磁波信息皆屬地面目標的反射光譜,可以用攝影的方法獲取和記錄。這個窗口包括全部可見光（0.38～0.76微米）和部分紫外線（波長0.3～0.38微米）以及部分近紅外波段（0.76～1.3微米）。這個窗口對電磁波的透射率在90％以上，僅次于微波窗口，是目前遙感上應(yīng)用最廣的窗口，被氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星及其它遙感探測所使用。

（２）短波紅外窗口波長范圍為1.5～2.4微米，通過這個窗口的電磁波信息仍然屬于地面目標的反射光譜，但不能用膠片攝影，只可用掃描儀和光譜儀來測量和記錄。本窗口又分為1.5～1.75微米和2.1～2.4微米兩個小窗口，可探測農(nóng)作物葉片溫度狀況，某些波段對區(qū)分蝕變巖石有較好的效果,是遙感地質(zhì)應(yīng)用上很有潛力的一個窗口。

（3）中紅外窗口

波長范圍2.4～6.0微米，位于紅外波段的前中段。通過這個窗口的電磁信息可以是地面目標的反射光譜，也可以是地面目標的發(fā)射光譜，信息只能用掃描儀和光譜儀進行探測與記錄。本窗口又分為3.4～4.2微米和4.6～5.0微米兩個窗口，前者透射率約90％，后者透射率約為50～60％。（４）熱紅外窗口

波長范圍為8～14微米，屬于熱紅外波段，是地物本身的熱輻射。由于臭氧、水汽、二氧化碳三種氣體的共同影響，致使本窗口的透射率較低，約為60～70％，但是這個窗口是位于地表常溫下地面物體熱輻射能量最集中的波段，所以是遙感地質(zhì)很有用的一個窗口。目前這個窗口已得到廣泛應(yīng)用，主要是用掃描儀和熱輻射計來獲得地面目標的電磁波信息。

（５）微波窗口

波長范圍為8毫米～1米，位于微波波段，電磁波已不受大氣干擾，透過率可達100％，是全天候的遙感波段。

在這5個大氣窗口中，陸地衛(wèi)星工作范圍絕大部分在可見光波段，小部分在近紅外波段，已開始擴展到第二個窗口；而氣象衛(wèi)星已應(yīng)用到第三個窗口。

物體在同一時間、空間條件下，其輻射、反射、吸收和透射電磁波的特性是波長的函數(shù)。將這種函數(shù)關(guān)系，即物體或現(xiàn)象的電磁波特性用曲線的形式表現(xiàn)出來時，就形成了地物電磁波波譜，簡稱為地物波譜。三、地物波譜特征1.地物反射波譜特征

地物反射光譜曲線則是以橫坐標代表波長，縱坐標代表反射率所作的相關(guān)曲線，以表示各種波長處地物光譜反射率大小及其隨波長的改變而發(fā)生變化的特點和規(guī)律，不同地物的反射強度和波譜曲線形態(tài)不同。棉花水泥路面土壤同一種地物不同類型的反射光譜特征，總的形狀變化是基本相似的，但是光譜響應(yīng)曲線具有一定的變化范圍而呈一定寬度的波譜帶。

以植物的反射光譜特征為例，在可見光區(qū)域，由于色素的強烈吸收，植物葉的反射和透射都很低。葉綠素大體上在以440nm微米為中心的藍波段及以670nm微米為中心的紅波段吸收大量的輻射能，而在這兩個吸收帶中間吸收相對減少，因此在540nm微米附近形成綠色反射峰而呈現(xiàn)綠色植物。在近紅外區(qū)域葉的反射及透射能量約各占入射能量的一半，被葉子吸收的能量很?。ā?％），因而在740～1300nm間形成高反射，這是細胞壁和細胞空隙的折射率不同導(dǎo)致多重反射引起的。

在短波紅外區(qū)域，由于綠色葉子細胞膜之間和內(nèi)部的水分含量高，故綠色植物的反射率受以1450、1950、2700nm為中心的水的吸收帶的控制，入射能量中的大部分被葉子中的水分所吸收，僅小部分被葉子反射，這就是植物反射光譜的基本特征。

棉花玉米油菜水稻2.地物發(fā)射光譜特征（1）地物的發(fā)射率

=觀測物體的輻射能量發(fā)射率與觀測物體同溫的黑體的輻射能量（2）地物發(fā)射光譜

地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律，稱做地物發(fā)射光譜。某一物體電磁波的發(fā)射率隨波長而變化的曲線，稱為該物體的發(fā)射光譜曲線。不同物體,由于它們的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，它們的發(fā)射光譜特征曲線也不相同，據(jù)此可識別地物的性質(zhì)。3.地物的透射光譜特性有些地物（如水體和冰），具有透射一定波長的電磁波能力，通常把這些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率就是入射光透射地物的能量與入射光總能量的百分比。五、遙感最佳時相選擇（1）林地、草地和農(nóng)田一般秋末易分辨秋末時森林在彩色合成圖像上為紅色斑塊；草是黃色斑塊。

（2）農(nóng)作物調(diào)查要