乡村振兴背景下的农业农村遥感应用

摘要：党的十九大提出了“乡村振兴战略”为我国农村现代化建设与发展转型提供了新的  指引。卫星遥感技术是支撑服务我国农村现代化发展的重要科技手段之一，已在土地质量  调查、农作物长势和作物病虫害分析、洪涝灾害监测、智慧村镇建设等方面发挥了重要作  用。随着大数据、云计算、人工智能、5G 和区块链等新一代信息技术的成熟，农村卫星遥  感智慧化应用将有更为广阔的发展空间。本研究从乡村振兴政策及卫星遥感发展进程入手， 综合数字乡村建设的现状和实际需求，分析探讨了遥感技术在农业农村现代化建设发展中  的应用前景，结果可为推动新一代信息技术与农业生产经验深度融合提供理论依据和技术  参考。

1 遥感应用是加快发展农业新质生产力的新型助推器

1.1 农业用地遥感监测

耕地是农村农业发展的重心，监测耕地范围、利用方式以及利用强度一直  以来都是大家关注的重点。遥感技术让耕地管理告别田间调查、逐级上报的传  统方式，使农业土地利用信息能够快速获取，进而能够帮助基层政府了解辖区  的耕地状况、核实底数，并为后续政策制定提供支撑。农业  用地遥感监测可以根据应用目标大体分为耕作范围识别、作物类型分类以及耕  作强度监测三个方面，分别对应着耕地“在哪里”、“种什么”、以及“种几茬” 这三个核心问题。

1.1.1 耕地识别

精准识别耕地范围是开展农作物估产和粮食安全评估的基础。 利用传统的多光谱遥感数据尽管可以快速查明农田的分布和动态变化情况，这也为今后利用 GF-5 高光谱数据进行特征优选开展农田分类等研究提供了新思）。

1.1.2 作物类型识别

除识别耕地范围之外，遥感还能直接识别耕地中具体的作物类型，这通常 被称为遥感作物精细分类。准确掌握作物的类型和分布是作物长势检测、估产 和灾害预警的基本前提。除了前面提到的不同类型作物在叶片内部结构、色素 种类和含量、以及水分含量上存在差异，它们对环境胁迫的反馈和响应程度也 不同，由此形成独特的光谱反射特征。 利用高分辨率、高光谱遥感技术，以及多时相或时间序列多光谱遥感，根据光谱反射率以及由反射率计算出的植被指数、叶面积指数、生物量等信息，可以对作物类型和种植结构进行识别。

1.1.3 耕地使用强度监测

通过遥感监测耕地使用强度通常是利用遥感复种指数实现的。时间序列遥感植被指数蕴含着农作物的年内循环规律，通过对植被指数时间序列进行滤波和重构，再根据峰值点探测、曲线匹配度检验、时域混合模型分解和分类等方法就能够得到遥感复种指数。

1.2 土地质量调查与评价

耕地质量是农业活动的关键。卫星遥感技术因其综合、动态、快速、 大范围获取数据的优势，依托多类型、高质量、稳定可靠、规模化的空间信息 综合服务能力，与地球物理探测、地面常规探测和土壤地球化学调查等技术有 机结合，可实现土壤质量调查评估、农作物长势监测及区域地质灾害监测，在 自然资源、农业、生态环境等领域的应用广泛，是智慧乡村建设、促进乡村产 业振兴、文化振兴、生态发展的重要支撑。

高光谱遥感具有光谱分辨率高、波段范围大、信息全等优势，在土壤有机 质、粘土矿物、氧化物、重金属含量等方面显示出良好的实践应用效果。如笔 者所带团队曾结合典型区土壤地球化学调查成果，利用无人机高光谱及地面实 测光谱数据,建立了盐渍化强度遥感反演模型，实现耕地盐渍化的快速、精准监 测识别，对新疆焉耆盆地绿洲平原区 1998-2017 年的盐渍化情况进行了示范应 用，划定了盐渍化土地分布范围，揭示了盐渍化演化规律，为地方政府土地开 发利用和耕地保护提供决策依据。

（图 1 焉耆盆地的盐渍化遥感反演结果）

除土壤盐渍化之外，利用遥感技术开展土壤微量元素资源评价，能为地方   开展特色农作物种植、发展特色乡村建设提供信息支撑和指导意见。 以硒（Se） 元素为例，由于硒是人体必需的微量元素，而人体中的硒主要来源于日常饮食， 因此富硒土壤对区域农产品经济价值具有重要意义。笔者团队近年来在黑龙江以及黄河中上游地区开展了大量的土壤硒元素含量遥感反演工作。首先利用有机质、粘土矿物和铁铝氧化物等与土壤中与硒吸附结合密切相关物质的光谱特征，通过高光谱短波红外航空光谱成像仪(SASI)对黑龙江省建三江创业农场黑土中粘土矿物含量进行了反演，并根据粘土矿物与地球化学得到的钾、硒元素含量间的相关性，利用逐步回归模型对农场黑土硒元素含量进行了估算。结果表明，利用粘土矿物光谱反演结合实际地球化学分析相比传统地球化学图像，能更为准确地预测土壤中硒元素含量（图 2）。

图 2 黑龙江省建三江创业农场土壤有机质及硒含量遥感反演

根据在黄河中上游已开展的土地质量调查结果显示，区内富硒 （硒含量 ≥0.3mg/kg）土地资源为 1304.89 万亩，已查明的富硒土地在宁夏吴忠、青海平安等地推动农业向优质、安全、健康、高效发展，在脱贫攻坚中发挥了重要 作用。然而，已开展土地调查的区域仅占区内耕地总面积的50％， 尚有大量的区域未开展相关工作。通过遥感技术快速摸清黄河中上游富硒土地资源分布，结合黄土区多样的地貌类型，美丽乡村和特色小镇建设，因地制宜， 探索“富硒美丽乡村 ”、“富硒特色小镇 ”为主的富硒土地资源开发模式，支撑服务黄河中上游特色农业发展和乡村振兴战略潜力巨大。

1.3 国土空间规划

遥感技术为国土空间规划提供了解决问题的有力工具，利用不同分辨率的 遥感影像提取城乡空间规划所需要的信息以及资源、环境、生态、灾害等要素 信息在规划前期，卫星遥感提供基础底图数据作为规划基础：在规划实施中， 卫星遥感可以对实施效果进行监测监管；规划实施后，卫星遥感可以对规划结 果进行宏观评估。遥感技术在数字乡村建设规划中发挥着 最基础、最核心的作用，在划定“三区三线”以及永久基本农田保护红线时，遥感技术准确直观地为划定给予有力数据保障。同时，遥感技术较常规管理技术方法能全面、及时了解乡村规划区具体规划的实施状况，并针对热点、重点 区域进行全方位监测， 实现准确、客观的动态监测乡村建设全过程。通过对不同时相遥感数据进行分析，能够实时发现乡村各种地物的变化过程， 及时发现乡村建设过程中乱搭乱建、违章建筑、农田侵占等现象并予以纠正。遥感影像 与规划图件的叠加分析能够迅速查找问题，实现建设用地位置、界限、内容等 以及“两证一书”的一致性检查。

1.4 农情监测

农作物的叶片光谱特征与农作物生长状况有直接紧密的关系，光谱反射率 变化可以反映出叶片中化学组分敏感性变化， 通过分析光谱反射率特征可以得 到土壤水分、病虫害等胁迫下与正常条件下农作物光谱特征差异，也可预测模 拟农作物光谱中红边位置与作物叶绿素含量等关系。

2.1 长势监测

遥感技术早在 20 世纪 70 年代就被用于玉米、水稻等粮食作物的长势监测 和单产预测，由此掀起了遥感农情参数监测的研究热潮。利用遥感监测作物长势已经发展出了多种方法，既可以通过与以往同期长势指标数据进行对比，从而对当下长势进行估计，也可以利用遥感数据获取降水、地表积温、光合有 效辐射、植被覆盖度等与作物长势密切相关的农学参数，进而输入作物生长模 型对长势进行预测。不同长势估计方法有优劣，在实际应用中需要结合研究区的农业活动特点、数据分布等情况，选择适合的方法。

笔者团队曾和二十一世纪空间技术应用股份有限公司合作，运用卫星遥感 技术快速分析植物叶绿素对光的吸收率和反射率及光谱特征，并通过反射率值 演算出绿度值，再利用绿度值来监测冬小麦生长状况，进而估算农作物产量，取得较好效果（图 3）。

图 3 农作物长势遥感监测图

2.2 单产估算

农作物单产遥感估算是作物估产的核心内容之一。基于遥感信息构建作物单产估测模型的方法多种多样，概括起来主要可以分为直接估算和间接估算两类。其中，直接估算的是直接建立作物产量与遥感反射率或植被指数间的简单统计模型；间接估算是通过遥感估算与作物产量密切相关的要素，最终再利用建立好的产量模式，或根据中间要素与产量间的相关关系对单产进行估算。例如，潜在-胁迫产量模式利用遥感数据计算出叶面积指数、地上生物量、叶绿素浓度等作物生物物理参数，并利用这些参数计算理想状态下的潜在产量，再根据遥感或气象数据提供的水汽、养分、温度和光照等产量限制因素从而计算作物在胁迫生长下的胁迫产量，最终根据胁迫产量对潜在产量进行修正；作物干物质量-产量模式是利用遥感获取单位面积植株数（穗  数）、每株（穗）平均粒数和穗粒重这三个产量构成的基本要素，最终输入遥感单产模型进行产量估算；作物干物质量-产量模式是利用遥感获取地表干物质量，然而根据不同作物类型干物质与产量间的对应关系实现单产估算。

2.3农业金融服务卫星遥感影像能够农情遥感监测技术具有 “快速、独立、直观、客观”等特点，能够近实时获取渔业、农作物经营种植面积，并识别作物类型、长势等，有效降低了现场查勘人力成本，解决涉农企业无抵押物资产授信难题，一定程度上解决融资难、融资贵的问题。在灾害评估方面，遥感技术能迅速、准确地估算受灾面积、灾情严重程度，从而确保保险业务管理的科学性、权威性和高效性，提升农业风险核算能力，降低保险金融机构开展涉农业务风险。

笔者团队联合二十一世纪空间技术应用股份有限公司，通过卫星遥感技术 获取北京平谷区农户的农作物种植面积、作物长势等信息，辅助网商银行详细 判定农业险种分布，并对农业借贷人还款能力进行评估（图 4）。其他如大地量子公司基于人工智能+卫星遥感技术，对河南淇县做出洪水监测，较为准确地查 明东南部有约达 7 万亩农田被洪水淹没，为农险定损提供了客观依据。 

图 4 农作物灾害保险遥感监测评估

3 灾害监测与评估

3.1 气象灾害监测

国家减灾中心等利用环境减灾卫星和航空遥感数据，建立重、特大自然灾害实物量监测业务体系， 构建重、特大自然灾害范围监测和损失评估的技术方法，并取得了重大成果。“十二五”期间，“高分辨率对地观测系统”重大专项全面实施，高分系列卫星的升空，尤其是高分三号卫星的成功发射，明显改善了我国洪涝灾害监测对国外雷达卫星的依赖，基于我国自主高分系列卫星数据的洪涝灾害监测研究大量涌现。进入“十三五 ”后，随着无人机技术成熟，无人机在洪涝灾害应急监测中得到了广泛应用，同时无人机组网遥感观测以及空天地协同应急观测受到更广泛重视。

冻害遥感监测主要是利用遥感对低温发生的位置、强度以及低温冷害的影响范围等进行监测和统计，并能根据历史重复观测较好地研究低温冷害发生发展的一般规律。冻害遥感监测既能通过光学或微波遥感直接识别冰雪，也能通过热红外遥感利用地表温度反演等手段直接获取地表温度。

蝗灾属于毁灭性的生物灾害，对国家粮食安全和农民收入可造成严重影响。 由于蝗虫个体尺寸过小，无法从卫星图像上直接识别，然而可以根据蝗虫的生境条件和产卵、爆发与其适生基地的关系，以及植被对蝗虫胁迫的响应等，实现遥感间接监测。通过对蝗虫的生境进行研究发现，蝗虫依赖绿色植被，同时一般都出现在发生过降雨的地区，因此通过遥感获取绿度以及土壤水分监测能有效识别蝗虫。将飞蝗成灾期的 5~7 阶段生育周期归并成遥感可以探测的孵化期、发育期和成虫期特征，并通过大量的野外光谱测试、样方统计结果和遥感信息的响应建立了这三个阶段的遥感探测参数和指标，成功建立了面向东亚飞蝗的遥感蝗灾监测运行系统。

3.2 地质灾害调查监测

地质灾害遥感调查监测主要是采用多频段、多参数 的天-空-地一体化观测技术，有效判读地质灾害孕灾背景、灾害特征、变形速 率和发展趋势等信息，进一步为地质灾害识别、监测、防治、评价以及突发地 质灾害应急处置等提供基础资料与决策依据。以卫星为主的天基层面， 主要采用光学遥感、高光谱等手段，揭示孕灾背景、灾害范围以及影响因素等，运用 InSAR 技术获取地表形变信息；以无人机、有人机为主的航空层面，主要采用无人机航摄、 LDAR、贴近摄影等手段， 获取地质灾害灾变形态特征、位移变化特征等。随着遥感观测技术的快速发展，在地质灾害早期识别、隐患排查、监测以及灾情评估等方面，“遥感先行”这一理念得到了广泛应用。2018 年 10 月和 11 月金沙江白格滑坡、

2019 年 7 月贵州水城滑坡等灾害应急处置中，采用综命遥感技本准确获取了灾害规模变张速率等关键信息，为地质灾害应急指挥、抢险救灾以及科学决策提供了重要的技术支撑。在黄土高原地区，通过建立基于人工智能的地质灾害遥感识别技术，实现了隐蔽性黄土地质灾害的早期识别和监测预警，2016 年以来该技术已成功实现天水、延安和沿黄公路沿线大面积强降雨引发的黄土地质灾害灾情的多次预警，有效降低了地质灾害造成的生命财产损失（图 5）。通过“空-天-地”一体化综合遥感识别系统，结合在西北地区建立的 4051 处地质灾害普适性监测仪器实时数据，2021 年汛期成功预报 71 起地质灾害，避免 2296 人伤亡，避免了超过 1.2 亿元经济损失，为乡村振兴和美丽中国建设提供了有效保障。

图 5 ZY3 卫星与 WV2 卫星反映的宝鸡市区滑坡体影像特征

4 生态环境调查与监测

4.1 生态保护红线环境监测

生态保护红线是为保障城市或区域生态安全、维护生态系统完整性和连续  性而确立的城市和区域生态安全的底线。确定生态保护红线之后，评估红线内的生态环境变化是区域环境监测的重要内容，也是地方制定生态环境保护策略的重要信息来源。卫星遥感技术凭借其宏观、客观、快速、低廉的优点，在 2006 年就已被生态环境保护部选择作为主要方法，对我国县级以上生态环境提供一种年度综合评价标准。在应用上，通过波段运算得到的遥感指数凭借简单高效的特点，已被广泛用于城市、森林、草地、河流、乃至流域的生态系统监测与评估中。然而单一的遥感指数只能获得生态系统某一方面的 情况，难以反映生态环境的综合质量。针对生态系统的复杂性， 以既与人类生存息息相关、同时也能通过遥感技术获取的 4 个生态环境质量指标，即绿度、湿度、热度和干度构建遥感生态指数（RSEI），从而实现遥感视角的生态环境综合评价。其中，绿度以归一化植被指数（NDVI）代表、热度以遥感反演地表温度表示，干度由分别反映裸土和建筑物比例的裸土指数（SI 和建筑指数（IBI）合成， 湿度通过经验公式利用各波段反射率计算得到。

虽然遥感已成为“生态红线”圈定和生态环境质量评估中的主要方法，然 而绝大部分研究尺度较大，且大多面向城市展开，针对乡村空间格局优化的相 关研究还较为匮乏。由于城市与乡村在自然资源配置上存在差异，不同生态系 统在城市与乡村、不同地区的乡村也具有不同的生态价值。因此，发展面向特 定地区乡村振兴背景下乡村空间优化的遥感生态环境监测与评估对乡村生态文 明建设具有重要的指导和支撑意义。

4.2 农村水土污染调查与生态修复

无人机及高光谱遥感具有动态连续无损监测、实时性强、成本低、探测范围广、宏观性强等优势，可作为水土重金属元素含量监测的一种有效途径，其基本原理是依据不同元素的特征光谱， 采用遥感定量监测反演水土受污染后的理化性质及生态状况。 同时，遥感技术对极端地形的监测极其有效；能监控工厂偷排现象，降低农村土壤受污染程度；可监测地质含矿量和极端天气，实现全天候的环境监测，减少因不规范开采自然资源而带来的二次危害，推进生态环境保护。此外，遥感技术能实现对单个区域的动态监测，有助于监测土 壤变化，及时发现土壤受污染程度，实时监控土壤修复进程，提升土壤污染治 理效果。

笔者所带团队近年也一直关注和开展农村水土污染遥感调查与生态修复相 关工作。在安康市旬阳县红军镇汞污染农田土壤污染治理与修复技术应用试点 项目中，采用无人机快速获取高精度的农田分布数据并以此为基础对土壤和农 作物进行调查，筛选出适合项目污染区域内生长的低积累汞的农作物种类，采 用替代种植技术实现农田安全利用；同时辅助施用土壤修复钝化剂或微生物菌 剂，有效降低土壤中汞的可迁移性和生物可利用性，进一步保证粮食和蔬菜汞 含量达标，最终实现作物安全生产，土壤安全利用的目标（图 6）。2020 年 12 月底该项目成果被生态环境部评为优秀生态修复示范项目，已被收录为全国土 壤污染治理优秀案例；2021 年全国两会期间，作为陕西省“蓝天，碧水，净土 保卫战 ”生态文明建设成果先进案例，被陕西日报进行了专题报道。在甘肃白 银四龙镇重金属遥感监测专题工作中，以空间分辨率为 10m 的珠海一号高光谱 数据为数据源，结合无人机高光谱影像，探索珠海一号混合像元分解对土壤重 金属含量反演产生的影响，同时结合用户需求将混合像元分解嵌入到土壤重金属反演中并进行业务化应用，为高光谱遥感工程化应用提供支持（图 7）。

无人机航飞污染区地块分布现状  KNW 复合菌剂喷施 

单项措施对白菜可食部分汞含量和达标率的影响

土壤钝化修复剂

图 7 白银四龙镇 Pb 与 As 元素遥感反演专题图

5 精准扶贫

通过高分遥感影像可以通过评估住宅与周围环境的交互程度，例如住宅范围、住宅周边耕地、荒地和撂荒地面积以及作物生长季长度等信息，从而预测农户的家庭财富水平。生产资料之外，房屋数量、屋顶材料、车辆数量、道路长度和密度等反映农庭消费水平的指标也能被用于表征农户的经济水平。世界银行基于深度学习的卷神经网络在亚米级遥感图像上对斯里兰卡的上述消费水平信息进行了提取，通过建立简单线性模型，发现遥感消费指标在行政区划尺度上与当地经济水平具有很高的相关性。高分影像评估结果对农村地区家庭财富水平变化的可解释 性在上述两个地区均超过了60%，远高于仅利用夜光数据的 15%。

6 智慧村镇建设

随着高分遥感和现代化信息技术的高速发展，集成应用卫星遥感、航空遥  感、地面物联网技术的天空地一体化农情信息获取，以及北斗自动导航与测控、 农机作业监测等一批核心关键技术取得重要突破，为我国智慧村镇建设的发展和数字农业产业化应用奠定了技术基础。农业数字化体现在农业中的创新应用，将卫星遥感、大数据、物联网、云计算和人工智能等一大批高新信息技术应用到农业的生产、加工和销售整个产业链，全方位推动农业的发展。将数字与信息作为重要的生产要素，与传统的农业对象、过程、环境结合起来，进行融合改造，实现高效、绿色、可持续等目标。

遥感在其中发挥了三方面重要作用： ①经过这些年遥感在农业中的应用，

已经积累了大量的数据，这是发展智慧农业的一个基础。 ②遥感是智慧农业技术体系的重要组成，以精准农业为例，通过遥感及时、准确地采集和处理数据，经过智能分析，形成作业方案，控制农机装备进行作业，从而形成完整的技术链路，实现生产的自动化、精准化。③遥感技术是这套数字化平台中最为基础的角色。目前，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所已在山东、陕西和四川等地建立了智慧果园，应用高分卫星数据获取果园生长信息，为施肥、撒药和除草等果园机器人提供准确的作业配方，实现果园的智能化科学管理。

7 应用展望

我国山区面积占陆域国土面积的 69%，人口约占全国总人口的 45%，山区 城镇建设受到发展空间狭小、城镇建设用地紧缺的限制。随着新型城镇化建设 和乡村振兴战略的实施，亟待在大范围内应用先进的调查与监测技术手段，围绕山区城镇化、新农村建设、乡村振兴、脱贫攻坚过程中的防灾减灾和生态文明建设需求，构建“5G 天空地 ”一体化数据采集系统、监测及预警系统，利用“遥感卫星、高分辨率对地观测系统、北斗导航、物联网、传感器 ”建设农业农村“天基、空基、地基 ”监测“一张网 ”，全方面服务区域农业决策管理。

(1)空天地一体化监测网建设。利用“遥感卫星、高分辨率对地观测系统、 北斗导航、智能传感器 ”为区域构建天空地一体化数据采集系统、监测及预警 系统，摸清家底、监督变化，建立精确到地块级别的“天空地 ”一体化综合平 台，全天候动态监测“生产基地规模、地理空间、水土资源条件、粮食生产潜 力、灾害监测、地力等级、农田土壤质量、生态脆弱区和敏感区 ”等，有效提 高现代农业的物质装备水平。

(2)防灾减灾与风险预警。建立“实时风险图谱 ”和防控体系，针对“洪涝、 干旱、病虫害、冷冻灾、冰雹灾、沙尘暴 ”等灾害，提供卫星遥感监测预警。开展农业生产、动植物疫情、重大自然灾害等风险监测预警，有效防范和化解 可能产生的各种风险。对目标区域内由于气象等因子造成的农作物损失进行监 测，分析灾害发生区域的面积，严重等级等信息，为政府部门、农业保险公司 提供科学、准确的数据支撑。

(3)农情监测与生产指导。通过遥感卫星数据以及地面物联网，对区域农业 土壤湿度数据进行分析，对农作物的需水和干旱情况进行不间断地的监测。通 过土壤含水量、干旱指数等多个数据指标，获得需水情况的综合评估。通过地 块级需水灌溉量精准的计算，为后续水肥一体化、节水灌溉等设备的精准运行 提供数据依据。

(4)高标准农业基地监管。对高标准农田建设项目基本情况、资金投入、建 设进度等实现数字化展现与精准管理，做到底数清、情况明。基于卫星时间序 列遥感数据，对产业基地生长过程进行高频度监测，对不同时期粮食的长势状 况和环境因素，以及其对产量丰欠的指示意义进行动态评估，形成监测区域的 长势分布图、生长过程曲线、监测区域作物生长风险评估等信息产品。利用数 字化提升耕地质量、提高土地长期综合生产能力，稳定保障粮食生产能力。

(5)“两区划定 ”基地监管。对区域农业基地养殖、农作物的面积进行遥感 测量，统计各类作物的种植总面积、各基地种植面积、各乡镇种植面积、各村 种植面积。生成作物分布专题图，将作物的分布与种植面积可视化展示。监测 结果呈现生产基地并可视化展示，并出具遥感测量报告。

(6)为金融保险提供数据支持。摸清耕地位置、农作物面积、作物类型、长 势、产量、风险、市场价值。卫星数据每周更新，气象数据实时更新，随时输出灾害等预警信息。为金融“贷前、贷中、贷后 ”、农业保险“验标、定损 ” 提供服务。

李志忠

国际宇航科学院院士

中国上合组织地学研究中心卫星遥感应用中心研究员

中国地质调查局西部绿色发展研究院原院长  

广东省商业航天促进会副会长

中星时空（广州）互联科技有限公司首席技术专家