農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)展及啟示

農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)展及啟示

1全球糧食生產(chǎn)形勢展望農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人類社會生存的基礎(chǔ)。關(guān)于食品市場和相關(guān)政策的制定非常重要。這是確保區(qū)域和全球食品安全的重要依據(jù)。根據(jù)糧農(nóng)組織公布的數(shù)字,2009年全世界饑餓人口數(shù)量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的10.2億。及時的農(nóng)情信息可以快速進(jìn)行糧食短缺區(qū)域的識別,為短缺區(qū)域帶來更加及時、廣泛的糧食援助。同時國際貿(mào)易、農(nóng)業(yè)政策、農(nóng)產(chǎn)品價格及生產(chǎn)決策都依賴于大范圍農(nóng)情信息(特別是產(chǎn)量),這一信息的快速、有效獲取可以降低風(fēng)險并提高市場效率。在全球氣候變化背景下,20世紀(jì)90年代全球極端氣象災(zāi)害比50年代高出5倍以上。未來全球極端氣象災(zāi)害可能出現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)趨勢,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球可持續(xù)發(fā)展將面臨巨大威脅。受全球氣候變暖影響,全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都將出現(xiàn)大幅波動,糧食供給的不穩(wěn)定性會增大。根據(jù)聯(lián)合國人口基金會的統(tǒng)計數(shù)據(jù),全球人口在2006年就超過了65億,在2050年左右很可能會達(dá)到90億。同時伴隨飲食結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整,對糧食需求的增長超過了糧食產(chǎn)量的增長速度。對生物燃料需求的增長也在全球范圍內(nèi)改變著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動,需求的增長改變了作物種植結(jié)構(gòu)并對糧食供應(yīng)及市場價格產(chǎn)生了巨大影響。土地利用變化也在對耕地分布及作物種植面積產(chǎn)生著影響,包括南美在內(nèi)的一些地區(qū)新開墾出了大量耕地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),而在全球其他一些地區(qū)卻因為城鎮(zhèn)化和郊區(qū)發(fā)展等因素而出現(xiàn)耕地面積減少。隨著全球氣候變化、能源需求以及人口增長等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的壓力越來越大,全球或區(qū)域糧食供應(yīng)短缺的風(fēng)險也在加大。需要實時把握區(qū)域或全球的糧食生產(chǎn)形勢,為區(qū)域及全球糧食安全及相關(guān)政策的制定提供依據(jù)。傳統(tǒng)農(nóng)情信息的獲取依賴于龐大的調(diào)查隊伍和大量的調(diào)查工作,信息的獲取存在成本高、時效性差的缺點,同時信息結(jié)果還易受主觀因素影響。遙感信息具有覆蓋范圍大、探測周期短、現(xiàn)時性強、費用成本低等特點,為大范圍農(nóng)情信息的快速、準(zhǔn)確、動態(tài)獲取提供了重要的技術(shù)手段。遙感通過產(chǎn)量的監(jiān)測/預(yù)測,或其相關(guān)因子(包括土壤濕度、土壤類型、作物物候、作物長勢、作物類型)的監(jiān)測來提供相關(guān)農(nóng)情信息。20世紀(jì)70年代,美國發(fā)射了一系列探測地球的資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星,隨后加拿大、法國、前蘇聯(lián)、印度和中國也先后發(fā)射了各自的資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星,遙感開始進(jìn)入一個快速發(fā)展的階段。美國是最早開始開展農(nóng)情遙感監(jiān)測技術(shù)研究的國家,1974年啟動的“LACIE”計劃拉開了農(nóng)情遙感監(jiān)測發(fā)展的序幕,此后全球各地的AgRISTARS、MARS、GLAM等一系列計劃進(jìn)一步發(fā)展了各種農(nóng)情遙感監(jiān)測技術(shù)。同時隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與成熟,一些國家與國際組織建設(shè)了各自的農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng),并開展了運行化的監(jiān)測。這些系統(tǒng)在大范圍宏觀農(nóng)業(yè)監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用,為相關(guān)政府和部門的決策提供了重要的依據(jù)。本文對國外主要農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)展進(jìn)行了綜述,在分析各自系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上,總結(jié)出農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的啟示,為我國農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展提供依據(jù)。2國外農(nóng)業(yè)條件遙感監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)展2.1基于支付的農(nóng)業(yè)保險的決策支持系統(tǒng)美國全球及本土的農(nóng)情監(jiān)測分別由農(nóng)業(yè)部外國農(nóng)業(yè)局(USDAForeignAgriculturalService,FAS)及國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計局(NationalAgriculturalStatisticsService,NASS)負(fù)責(zé)。在全球監(jiān)測上,國外農(nóng)業(yè)局全球分析辦公室(OfficeofGlobalAnalysis,OGA)負(fù)責(zé)監(jiān)測結(jié)果的獲取、發(fā)布,其下設(shè)的國際產(chǎn)量評估科(InternationalProductionsAssessmentBranch)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運行。系統(tǒng)目標(biāo)是提供可靠、及時、透明、準(zhǔn)確的全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)量信息。FAS通過監(jiān)測全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品供需信息為市場提供指導(dǎo),并為本國提供早期預(yù)警信息。FAS的監(jiān)測與分析依賴于氣象數(shù)據(jù)、田間報告和高分辨率遙感數(shù)據(jù)等所獲取信息的整合,其中遙感數(shù)據(jù)主要提供長勢、生長階段和產(chǎn)量信息。這些信息一方面用于對作物產(chǎn)量信息進(jìn)行驗證,另一方面用于識別一些沒有被報告上來但會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生明顯影響的事件。FAS的全球監(jiān)測結(jié)果以“世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)量”(WorldAgriculturalProduction)月度報告和“產(chǎn)量、供給與分布”(ProductionSupplyandDistribution,PSD)數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行發(fā)布,是USDA全球經(jīng)濟信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分。為對這些不同數(shù)據(jù)源所獲取的信息進(jìn)行整合,FAS開發(fā)了名為CropExplorer的基于地理信息系統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)。CropExplorer是一個基于Web并支持空間和屬性查詢的農(nóng)情信息服務(wù)網(wǎng)站,該網(wǎng)站提供基于遙感影像和氣象數(shù)據(jù)的全球作物長勢信息。系統(tǒng)針對大宗作物的主產(chǎn)區(qū)提供植被活力、降水、溫度等信息的專題圖,所提供的專題圖有3類,分別是氣象專題圖、土壤濕度和作物模型專題圖及植被指數(shù)專題圖。系統(tǒng)根據(jù)查詢的農(nóng)業(yè)氣象區(qū)劃提供生長季的時間序列數(shù)據(jù)和圖表,同時系統(tǒng)還提供作物候歷及作物分布等信息。用戶可以通過選擇區(qū)域、作物及時間等信息進(jìn)行查詢。同時FAS啟動了新一期的全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測(theGlobalAgriculturalMonitoring,GLAM)項目,該計劃得到了美國農(nóng)業(yè)部及NASA應(yīng)用科學(xué)計劃聯(lián)合資助,由NASA、USDA、馬里蘭大學(xué)和南達(dá)科他州立大學(xué)聯(lián)合執(zhí)行,旨在通過NASA新一代對地觀測系統(tǒng)對FAS的決策支持系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。在本土監(jiān)測上,農(nóng)業(yè)部下屬的NASS負(fù)責(zé)為美國農(nóng)業(yè)部提供及時、準(zhǔn)確和有效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。該部門所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)覆蓋了美國農(nóng)業(yè)從產(chǎn)量、食品供給到農(nóng)場主及其雇工的收入狀況信息等各個方面。NASS每隔5年做一次全國農(nóng)業(yè)普查,以提供美國農(nóng)業(yè)的全面狀況信息。遙感數(shù)據(jù)及遙感技術(shù)在提高其統(tǒng)計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面發(fā)揮了一定的作用,包括:NASS使用遙感數(shù)據(jù)來建立農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的采樣框架、估算作物種植面積、為分析系統(tǒng)提供面向作物的土地覆蓋數(shù)據(jù)等。在2007年的農(nóng)業(yè)普查中,NASS以Landsat影像、數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)及其他遙感數(shù)據(jù)為輸入,開展了全國48個州及波多黎各面向面積監(jiān)測的采樣和補充采樣設(shè)計,用于評價當(dāng)年普查的完整性。此外NASS的遙感面積估算項目使用Resourcesat-1AWiFS進(jìn)行玉米和大豆主產(chǎn)州的監(jiān)測并在縣和州2個尺度上提供獨立的作物面積估算結(jié)果,并進(jìn)行面向作物的分類,提供作物分布數(shù)據(jù)(CroplandDataLayer,CDL)。到2010年,CDL計劃累計監(jiān)測的州已經(jīng)達(dá)到48個,并且平均每年重復(fù)覆蓋13個主要的農(nóng)業(yè)州,目前48個州的數(shù)據(jù)都已經(jīng)發(fā)布。NASS與USDA農(nóng)業(yè)研究局(AgriculturalResearchService,ARS)建立了長期的合作關(guān)系,以NASAMODIS為數(shù)據(jù)源在中部和西部的幾個州開展了早期的小范圍單產(chǎn)預(yù)測。NASS還在作物生育期內(nèi)基于NOAA-AVHRR獲取的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)進(jìn)行作物長勢的監(jiān)測,為農(nóng)業(yè)部相關(guān)決策者提供獨立的全國尺度作物生長信息。除美國農(nóng)業(yè)部外,美國國際發(fā)展管理委員會(U.S.AgencyforInternationalDevelopment,USAID)還建立了預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(FamineEarlyWarningSystemsNetwork,FEWSNET),與國際上不同國家及不同地區(qū)的機構(gòu)、政府與組織開展合作,針對糧食安全,提供及時、準(zhǔn)確的早期預(yù)警和脆弱性評價信息。FEWSNET在非洲、中美洲、海地、阿富汗及美國開展監(jiān)測,并根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)開展生活指標(biāo)及市場分析,以提前發(fā)現(xiàn)糧食安全的潛在威脅。2010年海地地震中該系統(tǒng)做出了積極快速的響應(yīng)。該系統(tǒng)更注重的是數(shù)據(jù)的分析,而不是相關(guān)專題的監(jiān)測,在監(jiān)測方面該系統(tǒng)與NOAA及NASA開展信息產(chǎn)品層面的合作,將基于遙感和地面觀測獲取的早期預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析與融合,提供預(yù)警信息。綜合來看,在美國,NASS和FAS仍然是國內(nèi)及全球農(nóng)情遙感監(jiān)測的最主要機構(gòu),國內(nèi)及全球分由不同部門監(jiān)測的方式提高了系統(tǒng)的運行化程度。但不論是在NASS還是FAS,遙感獲取的信息都未能成為官方發(fā)布產(chǎn)量數(shù)據(jù)的最主要信息源,遙感未能獨立地發(fā)揮作用。2.2生態(tài)作物研究1988年歐盟啟動了(MonitoringAgriculturewithRemoteSensing,MARS)項目,開展農(nóng)情遙感監(jiān)測技術(shù)研究和系統(tǒng)建設(shè),2003年啟動全球環(huán)境與安全監(jiān)測(GlobalMonitoringforEnvironmentandSecurity,GMES)項目后,分為“MARS-Food”和“MARS-Stat”2個計劃來開展全球和本土的農(nóng)情監(jiān)測,2個項目研發(fā)和系統(tǒng)運行均由聯(lián)合研究中心(JointResearchCenter,JRC)執(zhí)行。JRC還啟動了一系列的項目來不斷地改進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)和運行化程度,包括AGRI4CAST、GeoCAP、FOODSEC、CID等。在國際監(jiān)測上,JRC啟動MARS-Food計劃,開展全球糧食安全風(fēng)險區(qū)的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果主要服務(wù)于歐盟對外援助和相關(guān)政策的制定,特別是糧食援助和糧食安全政策。系統(tǒng)目標(biāo)為通過監(jiān)測結(jié)果的有效利用來避免糧食短缺和市場崩潰,并更好地指導(dǎo)歐盟的糧食援助。系統(tǒng)將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合,驅(qū)動作物生長模型,為每旬及每月的通報提供單產(chǎn)預(yù)測數(shù)據(jù)。趨勢分析、相似性分析、統(tǒng)計回歸及專家評估等方法都在月度報告的生成中得到了使用,報告直接供糧食安全管理者使用。除了作物單產(chǎn)的定性與定量評估外,報告還通過與歷史平均和前一年的對比,發(fā)布一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指示因子的監(jiān)測結(jié)果,包括降水、輻射、溫度、水分充足指數(shù)等。這些信息為糧食安全管理者提供了糧食安全風(fēng)險區(qū)的全面狀況信息。在本土監(jiān)測上,JRC啟動了MARS-Stat計劃開展作物產(chǎn)量預(yù)測研究,并通過運行化監(jiān)測在歐盟范圍內(nèi)及世界少數(shù)幾個戰(zhàn)略區(qū)提供獨立、準(zhǔn)確、及時的作物單產(chǎn)和作物生物產(chǎn)量數(shù)據(jù)(包括生物燃料作物)。MARS-Stat從1992年就開始發(fā)展并運行作物預(yù)測系統(tǒng)(CropForecastingSystem),在歐盟范圍內(nèi)提供及時的作物產(chǎn)量預(yù)測。這個系統(tǒng)可以針對稻谷、油菜、甜菜、土豆及牧草等開展生長監(jiān)測,評估氣象事件對作物產(chǎn)量的短期影響,實現(xiàn)歐洲的作物產(chǎn)量預(yù)測。系統(tǒng)由4個部分組成,包括遙感數(shù)據(jù)(NOAA-AVHR、SPOT-VGT、MODIS和MSG)、氣象數(shù)據(jù)(包括站點觀測數(shù)據(jù)和ECMWF數(shù)據(jù))、農(nóng)業(yè)氣象模型(CropGrowthMonitoringSystem,CGMS)和統(tǒng)計分析工具。監(jiān)測結(jié)果以通報和MARSOP網(wǎng)站的形式進(jìn)行定期的發(fā)布,發(fā)布的內(nèi)容包括基于觀測和數(shù)字氣象模型的氣象因子圖、基于農(nóng)業(yè)氣象模型的作物因子圖及過程線、基于遙感數(shù)據(jù)獲取的植被指數(shù)和干物質(zhì)累計量圖。此外,MARS-Stat對歐盟尺度上在遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的作物面積監(jiān)測技術(shù)和采樣框架進(jìn)行了總結(jié),擬從技術(shù)和空間分辨率上對作物產(chǎn)量預(yù)測和面積估算系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)?！癕ARS-Food”和“MARS-Stat”2個計劃均是在歐空局(EuropeanSpaceAgency,ESA)GMES框架下開展,由于ESA的參與,系統(tǒng)大量地引入對地觀測數(shù)據(jù),并在GMES的目標(biāo)中明確提出至少要部分依靠對地觀測數(shù)據(jù)為地方到全球尺度的糧食援助與糧食安全決策者提供依據(jù)。這2個系統(tǒng)中對于作物生長和單產(chǎn)的預(yù)測均基于MARS計劃中所發(fā)展的CGMS系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在區(qū)域或國家尺度進(jìn)行作物單產(chǎn)預(yù)測。CGMS主要的特點是作物模擬過程中所使用的空間化組件和集成氣象數(shù)據(jù)插值,系統(tǒng)核心基于2個作物模型:WOFOST與LINGRA。系統(tǒng)還使用GIS工具來進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和結(jié)果的成圖?？傮w上CGMS由3部分組成,分別是氣象數(shù)據(jù)的插值、作物生長的模擬和結(jié)果的統(tǒng)計評估。目前CGMS最新的軟件版本為V9.2,可以在MARS官方FTP進(jìn)行下載1。歐盟通過MARS及其后續(xù)項目所開展的農(nóng)情監(jiān)測主要關(guān)注作物單產(chǎn),所依托的CGMS也是一個專門進(jìn)行單產(chǎn)預(yù)測的系統(tǒng)。面積監(jiān)測方面的工作不在歐盟層面上開展,而是由其成員國獨立進(jìn)行。另外CGMS主要受氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動,遙感數(shù)據(jù)的作用未得到充分的發(fā)揮。除了JRC開展的歐盟及全球尺度監(jiān)測外,包括波蘭、匈牙利和意大利在內(nèi)的歐盟部分成員國也開展了農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及研究。在波蘭,其測地研究所(InstituteofGeodesyandCartography)開發(fā)了作物長勢評估系統(tǒng)(CropConditionAssessmentSystem),進(jìn)行旱情監(jiān)測和單產(chǎn)預(yù)測,系統(tǒng)以NOAA/AVHRR為數(shù)據(jù)源,開展業(yè)務(wù)運行,監(jiān)測結(jié)果報送給中央統(tǒng)計辦公室(CentralStatisticalOffice);在匈牙利,測地與遙感研究所(InstituteofGeodesy,CartographyandRemoteSensing)在農(nóng)業(yè)遙感項目(HungarianAgriculturalRemoteSensingProgram)框架下建設(shè)了CROPMON系統(tǒng),該系統(tǒng)將高分辨遙感數(shù)據(jù)與NOAA/AVHRR相結(jié)合開展作物產(chǎn)量的預(yù)測,系統(tǒng)已經(jīng)運行11年,在洪、澇、旱等的農(nóng)業(yè)災(zāi)害損失評估中發(fā)揮了重要的作用;在意大利,農(nóng)林部(AgricultureandForestsMinistry)啟動了AGRIT項目開展農(nóng)作物產(chǎn)量遙感監(jiān)測的技術(shù)研究與運行,并認(rèn)為遙感技術(shù)的引入可以有效降低數(shù)據(jù)獲取成本。2.3基于數(shù)據(jù)的遙感監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(UNFAO)于1975年開發(fā)了“全球信息與預(yù)警系統(tǒng)”(GlobalInformationandEarlyWarningSystem,GIEWS),在全球尺度開展食物供給和需求的監(jiān)測,并對區(qū)域性的糧食短缺進(jìn)行早期預(yù)警。系統(tǒng)所提供的信息主要用于識別近期的糧食安全危機,并為聯(lián)合國世界糧食計劃(WorldFoodProgramme)及其他一些國際與國家機構(gòu)進(jìn)行國家級的需求評估提供依據(jù)。GIEWS將遙感獲取的土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)市場及氣象觀測等領(lǐng)域獲取的實地觀測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起,進(jìn)行相關(guān)信息的獲取。該系統(tǒng)可以指導(dǎo)地面采樣來驗證作物產(chǎn)量估算結(jié)果。通過與非洲實時環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)(AfricaRealTimeEnvironmentalMonitoringInformationSystem,ARTEMIS)的合作,該系統(tǒng)從1988年開始運行,可以提供實時獲取METEOSAT數(shù)據(jù),另外日本從1998年就開始向FAO提供的東南亞每10天的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)也是其主要數(shù)據(jù)源。GIEWS的監(jiān)測結(jié)果以月為頻率通過“FoodOutlook”和“CropProspectsandFoodSituation”2種報告進(jìn)行發(fā)布,同時還會根據(jù)變化的情況不定期發(fā)布一些專題報告,這些報告與從遙感數(shù)據(jù)獲取的作物長勢信息可以通過其網(wǎng)站進(jìn)行查看和下載。為了支持GIEWS的運行,FAO開發(fā)了WinDisp軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)是IDA(ImageDisplayandAnalysis,20世紀(jì)80年代中期由USAIDFEWS項目開發(fā)的基于PC的圖像分析工具)軟件系統(tǒng)的升級。軟件提供的功能包括:對多期遙感影像進(jìn)行對比;對時間序列遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢提取和制圖;基于時間序列遙感數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)預(yù)測;結(jié)合影像、地圖和定制圖例進(jìn)行用戶產(chǎn)品的生成;基于地圖形式的表格數(shù)據(jù)顯示等。該軟件具有很強的批處理功能,可以用于重復(fù)性海量數(shù)據(jù)的處理,并允許用戶自定義應(yīng)用和處理過程。WinDisp繼承了IDA免費發(fā)布的優(yōu)點,可以供所有感興趣的用戶無償使用。目前該軟件的最新版為5.1,并已經(jīng)開發(fā)了英文版、法語版和西班牙文版。除了GIEWS外,FAO還通過“糧食安全與脆弱性信息與制圖系統(tǒng)”(FoodInsecurityandVulnerabilityInformationandMappingSystems,FIVIMS)為區(qū)域發(fā)展和糧食援助方面的國際合作提供信息支持。FIVIMS所能提供的信息包括糧食安全出現(xiàn)問題區(qū)域的識別、影響程度和范圍、成因分析以及保障糧食安全的對策。該系統(tǒng)對其他部門的信息進(jìn)行集成,同時分析目標(biāo)區(qū)域的糧食供給和需求。FIVIMS一個重要的成果是全球地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,這個數(shù)據(jù)庫基于遙感影像與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)建立了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與貧困的空間分布數(shù)據(jù),并提供獲取這些數(shù)據(jù)的空間環(huán)境因子。這2個系統(tǒng)均由FAO下設(shè)的經(jīng)濟與社會發(fā)展部(Economic&SocialDevelopmentDepartment)負(fù)責(zé)運行,其中前者注重預(yù)警信息的獲取,后者更注重這些信息的應(yīng)用。目前遙感技術(shù)在FAOGIEWS和FIVIMS中的應(yīng)用主要集中于定性的評估和早期預(yù)警,在定量監(jiān)測與預(yù)測方面做的工作較少。2.4系統(tǒng)的運行背景加拿大統(tǒng)計局農(nóng)業(yè)處負(fù)責(zé)調(diào)查和收集加拿大本土內(nèi)農(nóng)業(yè)相關(guān)的各類信息,并很早就認(rèn)識到可以應(yīng)用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)降低部門業(yè)務(wù)的運行成本并提供相關(guān)信息。為了進(jìn)一步加強遙感技術(shù)的應(yīng)用,加拿大統(tǒng)計局啟動了“作物長勢評估計劃”(CropConditionAssessmentProgram,CCAP)項目,該項目由農(nóng)業(yè)處下屬的遙感與地理空間分析科(RemoteSensingandGeospatialAnalysissection,RSGA)負(fù)責(zé)運行和維護(hù)。CCAP計劃將遙感、地理信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,以作物和牧草為對象,提供及時、可靠的長勢信息。系統(tǒng)的監(jiān)測范圍包括了加拿大本土及美國北部地區(qū)。該系統(tǒng)以NOAA/AVHRR的植被指數(shù)為主要的數(shù)據(jù)源開展作物長勢監(jiān)測。數(shù)據(jù)獲取通過位于薩斯喀徹溫省普林斯埃爾伯特市的地面站進(jìn)行每天的接收,數(shù)據(jù)接收后傳輸?shù)铰嵬邪瓦b感中心進(jìn)行處理,并生成7天合成的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品傳輸?shù)郊幽么蠼y(tǒng)計局后,由RSGA負(fù)責(zé)使用,并生成關(guān)于植被和作物長勢監(jiān)測的增值數(shù)據(jù)產(chǎn)品。作物長勢的監(jiān)測主要采用與同期對比的方法,其中草原監(jiān)測使用7天合成數(shù)據(jù),全國尺度監(jiān)測使用10天合成數(shù)據(jù)。增值數(shù)據(jù)產(chǎn)品則是通過將當(dāng)前的作物長勢監(jiān)測結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),并進(jìn)行單產(chǎn)的預(yù)測。RSGA開發(fā)了交互式的用戶界面,使用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果的瀏覽、查詢。系統(tǒng)具有較高的運行化程度,系統(tǒng)用戶(聯(lián)邦政府、省政府、糧食市場機構(gòu)和保險公司)可以在接收到最后一期遙感數(shù)據(jù)的24小時以內(nèi)查看監(jiān)測結(jié)果。系統(tǒng)長勢監(jiān)測的結(jié)果提供給相關(guān)決策者,為水資源管理、降低風(fēng)險和生產(chǎn)的風(fēng)險評估提供依據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)測起始于1989年,并從2000年開始提供基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)。目前加拿大農(nóng)業(yè)與食品部(AgricultureandAgri-FoodCanada,AAFC)開始處理250m分辨率的MODIS數(shù)據(jù),并提供周合成或多時間段合成的NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其數(shù)據(jù)處理流程已形成標(biāo)準(zhǔn)化處理系統(tǒng),于2009年開始運行,將成為CCAP的新數(shù)據(jù)源。在CCAP的運行與研發(fā)中,加拿大統(tǒng)計局和AAFC開展了較為廣泛的合作。目前該系統(tǒng)的監(jiān)測范圍主要局限于加拿大本土和美國北部部分地區(qū),監(jiān)測內(nèi)容主要是長勢和旱情,在作物單產(chǎn)、作物種植面積等領(lǐng)域并未開展運行化監(jiān)測,監(jiān)測內(nèi)容相對單一。2.5建立作物生產(chǎn)監(jiān)測/預(yù)測模型根據(jù)巴西農(nóng)業(yè)部的農(nóng)情信息需求,其國家供應(yīng)局(CompanhiaNacionaldeAbastecimento,CONAB,負(fù)責(zé)官方產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)布)于2003年啟動了名為“Geosafras”的全國尺度的農(nóng)業(yè)監(jiān)測與預(yù)測項目,該項目的目標(biāo)包括:·改進(jìn)作物監(jiān)測和預(yù)測的技術(shù)與方法。·減少作物種植面積和單產(chǎn)監(jiān)測/預(yù)測中的主觀影響。·建立作物監(jiān)測/預(yù)測領(lǐng)域的專家隊伍?！ぐ阉l(fā)展的監(jiān)測/預(yù)測方法投入運行化。項目有2個主要的部分:使用遙感和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行作物種植面積估算,和使用氣象、遙感及其混合的模型進(jìn)行作物單產(chǎn)預(yù)測。項目的目的是通過建設(shè)一個由18個合作單位(包括大學(xué)、研究所、政府機構(gòu))聯(lián)合的成果集成網(wǎng)絡(luò),基于地理空間數(shù)據(jù)發(fā)展作物種植面積監(jiān)測和單產(chǎn)預(yù)測的技術(shù)方法。早期作物種植面積的估算是通過根據(jù)作物產(chǎn)量選擇一些農(nóng)業(yè)區(qū)域單元,在這些農(nóng)業(yè)區(qū)域單元中進(jìn)行農(nóng)田觀測采樣,并根據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行外推。這種方法在南部幾個州的應(yīng)用效果較好,但在中部和南部一些地塊較大的州,其應(yīng)用效果還需要進(jìn)一步的評價。對一些多年生和準(zhǔn)多年生作物,則主要使用中分辨率遙感數(shù)據(jù)(包括Landsat和CBERS-2)進(jìn)行種植區(qū)域的制圖和面積估算。估算過程中使用由MODIS和AVHRR獲取的耕地分布數(shù)據(jù)進(jìn)行非耕地去除。在作物單產(chǎn)預(yù)測中同時使用了農(nóng)業(yè)氣象模型、光譜模型及農(nóng)業(yè)氣象與光譜的混合模型。項目在CONAB和聯(lián)合國發(fā)展署的聯(lián)合資助下進(jìn)行,達(dá)到了運行化水平,每月按照官方作物評估系統(tǒng)(CropEvaluationSystem,SAS)的時間表發(fā)布作物的監(jiān)測和預(yù)測結(jié)果。2.6基于dcd的農(nóng)業(yè)調(diào)查方法阿根廷由農(nóng)牧漁與糧食部(SecretaryofAgriculture,Livestock,FisheriesandFood,SAGPyA)下設(shè)的協(xié)調(diào)機構(gòu)DCD(DireccióndeCoordinacióndeDelegaciones)負(fù)責(zé)國家農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的估算。估算由分布全國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的34個辦公室聯(lián)合組成的網(wǎng)絡(luò)完成。這些辦公室負(fù)責(zé)收集的農(nóng)業(yè)信息包括種植面積、單產(chǎn)、播種與收獲進(jìn)展、作物長勢等。每個辦公室都定期向位于首都布宜諾斯艾利斯的DCD進(jìn)行報告,由DCD對報告的內(nèi)容進(jìn)行核查、總結(jié),并對用戶進(jìn)行發(fā)布。SAGPyA傳統(tǒng)的調(diào)查中主要使用人為估算的方法,1981年后開始使用遙感技術(shù)對調(diào)查方法進(jìn)行改進(jìn),主要包括:·使用遙感獲取的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)作為采樣調(diào)查的分層/分區(qū)依據(jù)?！な褂糜跋穹诸惣夹g(shù)和數(shù)字圖像分類技術(shù)以Landsat為主要的數(shù)據(jù)源開展大面積種植作物(小麥、玉米、大豆)的種植面積估算?！な褂玫头直媛蔬b感數(shù)據(jù)(SAC-C,175m分辨率)為地方辦公室提供土地利用的估算?！ら_展小宗作物種植面積的監(jiān)測(如布宜諾斯艾利斯東南省份的土豆估算)。系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)均由國家航天活動委員會(ComisionNacionaldeActividadesEspaciales,CONAE)提供。2.7基于潛力的作物影響預(yù)測系統(tǒng)俄羅斯以發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、環(huán)境評估與保護(hù)以及監(jiān)測國際環(huán)境與貿(mào)易條約的遵守程度為目標(biāo)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測。俄羅斯農(nóng)業(yè)部于2003年建設(shè)了全國農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)的運行依靠遙感數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)及地方農(nóng)業(yè)委員會上報數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的遙感部分由俄羅斯科學(xué)院空間研究所(RussianAcademyofSciencesSpaceResearchInstitutes)開發(fā),以每天的MODIS數(shù)據(jù)為主要的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)主要用戶為聯(lián)邦農(nóng)業(yè)部,并把聯(lián)邦統(tǒng)計局、水文氣象局、地區(qū)農(nóng)業(yè)委員會和農(nóng)業(yè)管理者、地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及生產(chǎn)企業(yè)作為潛在的用戶群。目前該系統(tǒng)主要獲取耕地面積、耕地利用制圖、作物輪作模式及作物生長狀況等信息,并開始關(guān)注溫室氣體排放監(jiān)測和土壤侵蝕風(fēng)險評估。在作物單產(chǎn)預(yù)測上,系統(tǒng)以MODIS為主要數(shù)據(jù)源,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)開展預(yù)測;在作物與耕地面積估算上,主要依據(jù)MODIS植被指數(shù)的年內(nèi)變化過程分析。面積監(jiān)測結(jié)果以年為頻率上報,而單產(chǎn)預(yù)測結(jié)果則在作物生長季內(nèi)以周為頻率進(jìn)行更新。近期為支持系統(tǒng)的運行并逐步改進(jìn)系統(tǒng),在以下幾個方面開展了研究工作:·將監(jiān)測范圍擴展到整個歐亞大陸北部?！じ玫孬@取作物輪作模式信息?！ら_展運行化的土地利用變化監(jiān)測?！⒅蟹直媛屎透叻直媛实倪b感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以提高監(jiān)測的精度。·將監(jiān)測結(jié)果與國家報告相結(jié)合。2.8基于遙感獲取的作物生產(chǎn)預(yù)測印度農(nóng)業(yè)與合作部(DepartmentofAgriculture&Cooperation,DAC)于1998年成立國家作物預(yù)測中心(NationalCropForecastingCentre,NCFC),擬建設(shè)一個可以在多個尺度上開展作物產(chǎn)量監(jiān)測的系統(tǒng)。為支持高層決策,系統(tǒng)除產(chǎn)量信息外還提供作物播種進(jìn)展、長勢、突發(fā)事件(洪水、干旱、冰雹、蟲災(zāi)等)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響等的監(jiān)測與評估。遙感技術(shù)在系統(tǒng)建設(shè)中得到了DAC的充分重視,并資助了研究農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用技術(shù)的CAPE項目(CropAcreageandProductionEstimation)。該項目啟動于1988年,由印度空間研究組織(theIndianSpaceResearchOrganization,ISRO)的空間應(yīng)用中心(SpaceApplicationsCentre,SAC)牽頭負(fù)責(zé),通過該項目所取得的成果包括:·分區(qū)尺度的作物種植面積遙感估算流程?！そ⒘俗魑飭萎a(chǎn)預(yù)測的光譜與氣象模型?！ら_發(fā)了遙感數(shù)據(jù)半自動化處理軟件包(CAPEMAN,后改名CAPEWORKS)?！⒈O(jiān)測技術(shù)向全國進(jìn)行推廣或技術(shù)轉(zhuǎn)移,使其可以開展生長季內(nèi)的作物產(chǎn)量預(yù)測。在作物產(chǎn)量預(yù)測中,以本國的資源衛(wèi)星IRSLISS-III數(shù)據(jù)為主要的數(shù)據(jù)源。為了滿足DAC在作物生長季內(nèi)對作物評估和產(chǎn)量預(yù)測的多種需求,SAC于1998年啟動了“基于遙感、農(nóng)業(yè)氣象與地面觀測的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出預(yù)測”(ForecastingAgriculturaloutputusingSpace,AgrometeorologyandLandbasedobservations,FASAL)項目,FASAL可以在作物生長初期使用計量經(jīng)濟學(xué)模型進(jìn)行作物產(chǎn)量的早期預(yù)測,此后在作物長勢早期階段使用基于氣象數(shù)據(jù)的模型開展作物種植面積預(yù)測,在更晚的時間開展單產(chǎn)預(yù)測。系統(tǒng)在作物播種后6~8周的時間使用WiFS/AWiFS進(jìn)行種植面積估算,到作物生育中期,會使用更高分辨率的遙感數(shù)據(jù)(AWiFS和LISS-III)有選擇的進(jìn)行幾種作物的種植面積估算。作物長勢的監(jiān)測和種植面積的估算會持續(xù)到收獲前一個月。氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)被分別獨立的用來在作物的不同生育期開展作物單產(chǎn)預(yù)測?；谶b感獲取的參數(shù)使用作物生長模擬模型開展作物監(jiān)測將是下一步的研究內(nèi)容。除了上述系統(tǒng)外,法國、日本、南非等國家也分別建立了自己的系統(tǒng),受篇幅限制,不在文中一一介紹。3農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)指南3.1遙感技術(shù)應(yīng)用有待進(jìn)一步發(fā)展本文所介紹的系統(tǒng)中,作物種植面積估算、單產(chǎn)預(yù)測、長勢監(jiān)測和旱情監(jiān)測是農(nóng)情遙感監(jiān)測中最主要的4個主題。這些系統(tǒng)采用的面積估算和產(chǎn)量預(yù)測技術(shù)多是在LACIE和AGRISTAR項目基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。在作物面積監(jiān)測方面,仍然是抽樣加地面調(diào)查的方法。盡管隨著遙感數(shù)據(jù)費用的降低和寬幅遙感數(shù)據(jù)的提供,遙感具備全覆蓋的能力,但對地面調(diào)查的依賴并沒有減少,甚至得到了強化,這與遙感降低地面調(diào)查的初衷相違背。有2個方面的原因:一是作物遙感識別技術(shù)并沒有取得重大突破,現(xiàn)有各種識別方法和技術(shù)難以工程化和運行化,而運行化既要求精度又要求速度,現(xiàn)有的作物識別方法在精度和速度方面很難兼顧,需要發(fā)展新的識別技術(shù);二是遙感被當(dāng)作照片(或替代過去的航片)使用,用作采樣框架的布設(shè),遙感在動態(tài)監(jiān)測方面的優(yōu)勢沒有得到很好的發(fā)揮。大量地面調(diào)查基礎(chǔ)上的遙感監(jiān)測本質(zhì)上是多此一舉,遙感在作物面積估算的應(yīng)用目標(biāo)就是要減少地面調(diào)查的強度,降低成本,現(xiàn)在這方面的趨勢非但沒有得到遏制,反而有被強化的趨勢,顯然沒有達(dá)到遙感應(yīng)用的目標(biāo)。在單產(chǎn)估算方面,農(nóng)業(yè)氣象模型仍然是主流方法,數(shù)據(jù)基礎(chǔ)包括氣象數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和抽樣調(diào)查數(shù)據(jù),但這種方法得出的結(jié)果缺乏獨立性,與統(tǒng)計分析結(jié)果在本質(zhì)上沒有重大差別。在常規(guī)的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計得到不斷強化的情況下,農(nóng)情遙感監(jiān)測系統(tǒng)所能起到的作用是發(fā)揮獨立性,形成獨立的信息源,起到監(jiān)督、校檢的作用,因此如果將統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為建模的基礎(chǔ),就不合適了。近10年來,遙感在估算作物單產(chǎn)方面取得了很大進(jìn)展,以地面觀測數(shù)據(jù)標(biāo)定模型,正在逐漸取代以農(nóng)業(yè)氣象模型為主的方法。在長勢監(jiān)測上,隨著AVHRR、VGT和MODIS數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用,特別是VGT和MODIS提供了處理好的數(shù)據(jù)產(chǎn)品供用戶下載,而且MODIS還是免費的,作物長勢監(jiān)測得到了很大的發(fā)展,這使得監(jiān)測系統(tǒng)具備了短期預(yù)測的功能,可以提前預(yù)測糧食生產(chǎn)形勢,這也是農(nóng)情遙感監(jiān)測的最大優(yōu)勢,也是有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的關(guān)鍵所在。利用遙感監(jiān)測長勢的另一個優(yōu)點是具有全局性,避免了地面調(diào)查以點代面、以偏蓋全的現(xiàn)象。旱災(zāi)是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的農(nóng)業(yè)災(zāi)害,而遙感是旱情監(jiān)測最為有效的手段,盡管在監(jiān)測作物長勢中,能對旱情的影響有所反映,但旱情的監(jiān)測仍然有其獨特的地方,在作物不同生長階段對作物產(chǎn)量的影響有所不同,但在國外農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)中,旱情監(jiān)測沒有得到有效的重視。需要通過技術(shù)更新和方法改進(jìn),提升遙感在農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)中的作用和貢獻(xiàn)度,用遙感革新其傳統(tǒng)的信息獲取手段,進(jìn)一步發(fā)揮遙感技術(shù)在農(nóng)情信息獲取領(lǐng)域的潛力。遙感技術(shù)可以提供包括旱情、作物面積、單產(chǎn)、產(chǎn)量、長勢等在內(nèi)的全方位信息,可以獨自構(gòu)建一套完整的農(nóng)情獲取技術(shù)體系,這一優(yōu)勢需要進(jìn)一步發(fā)揮。3.2信息的公開性與準(zhǔn)確度隨著全球化進(jìn)程的逐步加快,任何一個國家或地區(qū)都無法單獨保障糧食安全,必須用全球視野來看待糧食安全,并提供全球范圍的農(nóng)情信息,實現(xiàn)監(jiān)測信息的全球化。本文所介紹的系統(tǒng)有2個顯著的特點,一是監(jiān)測結(jié)果的后期分析能力很強,美國FAS的系統(tǒng),在遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)上,整合全球各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢報告等信息,給出監(jiān)測不同國家和全球比較完整的糧食生產(chǎn)形勢,如供需平衡方面的分析,從而為糧食貿(mào)易市場提供信息服務(wù),這也是其一年有70000個訪問量(2008年)的主要原因,給信息的使用者一個非常清晰的糧食生產(chǎn)形勢全景描述。另一特點是信息的公開性,美國的FAS/NASS、歐盟的MARS及FAO的系統(tǒng)都將監(jiān)測結(jié)果放在網(wǎng)上,對社會公開。但如果用戶只了解單一系統(tǒng)發(fā)布的信息,有時也會被誤導(dǎo)而做出錯誤的判斷,因此如果用戶可以通過一個網(wǎng)頁就能了解多個系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果,一方面可以通過瀏覽不同系統(tǒng)的結(jié)果,做出自己的判斷,另一方面,也可以提高不同系統(tǒng)的自律程度,保證監(jiān)測質(zhì)量,這也是最近GEOSS農(nóng)業(yè)主題大力推動PAY(Production,Acreage,Yield)計劃的主要原因。GEO(GrouponEarthObservations)提出建立一個全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測綜合系統(tǒng)(GlobalAgriculturalMonitoringSystemofSystems)就是一個好的開始。該系統(tǒng)建設(shè)中有2個主要的內(nèi)容:PAY計劃,聯(lián)合美國農(nóng)業(yè)部、中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所及歐盟聯(lián)合研究中心等機構(gòu)共同發(fā)布全球農(nóng)業(yè)監(jiān)測結(jié)果,提高全球糧食生產(chǎn)形勢的透明度;作物監(jiān)測與評估聯(lián)合實驗(JointExperimentsCropAssessmentandMonitroing,JECAM)計劃,以支持農(nóng)情遙感監(jiān)測技術(shù)研究為目的開展全球聯(lián)合觀測與實驗,為監(jiān)