第7章3S技术与精细农业.docx

1、第7章3S技术与精细农业第七章 3S技术与精细农业内容提要：本章主要介绍了3S、智能化农业机械和精细农业技术，具体内容包括：遥感的概念及系统组成、遥感分类及其工作过程、遥感技术的理论依据、遥感图像处理方法、遥感图像处理软件的使用、高光谱遥感技术以及遥感在农业中的应用；GPS及其技术发展过程、GPS系统构成及其GPS定位原理与方法；地理信息及GIS的概念、GIS的组成与功能、GIS的应用与开发以及ArcGIS软件的使用；具有产量图生成及处方作业功能的农业机械装备及相关技术；精细农业的概念及发展、精细农业的思想与技术体系；基于3S技术的农业信息系统开发案例。关键词：遥感；全球定位系统；地理信息系统

2、；智能农业机械；精细农业第一节 遥感(RS)技术遥感技术是20世纪60年代出現的一门综合性探测技术，它从航空摄影开始，随着飞机、人造卫星等运载工具，扫描仪、摄像机等传感器技术和计算机技术、信息技术、图像处理技术等相关技术的发展，以及地学、生物学、环境科学等学科发展的需要，而得到迅猛的发展。目前，遥感已经成为人们获取地球资源与环境海量信息的一种有效手段，在军事、勘探、农业等诸多领域得到了十分广泛的应用。一、遥感的基本知识（一）遥感的概念遥感（Remote Sensing）一词首先是由美国地理学家伊瑞林普鲁特（Eretyn Pruitt）等人在1960年提出来的。从字面上理解，遥感就是遥远的感知，

3、即从遥远的地方感觉一个物体的客观存在。感知是人类生活领域内广泛存在的现象，人类可以凭借其眼、耳、鼻等感觉器官来感知周围环境的形、声、味等信息，从而辨认出周围物体的属性和位置分布等。在长期的征服自然和改造自然的实践活动中，人类力求不断地扩大自身的感知能力和范围，但由于感觉器官的局限，对遥远物体的感知仅仅是一种欲望或幻想。1610年，意大利科学家伽利略使用望远镜对月球进行了首次观测，遥感这一幻想逐步成为了现实。人们现在所说的遥感，一般是指在人的感知器官所能达到的范围以外的遥远感知，必须借助于仪器设备来实现，其科学定义应为：遥感就是在一定距离之外，不与被研究目标对象直接接触，通过现代仪器设备（传感器

4、）探测和获取来自目标对象的信息（如电场、磁场；电磁波、地震波等信息），并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。（二）遥感系统的组成人是一个天然的遥感系统，通常包括四个部分，传感器眼、耳、鼻等；载体人的身体，指挥系统和应用系统人的大脑。与此相同，从工作角度来说，一个完整的人造遥感系统也由四部分组成如图7-1 所示：即传感器，载体（遥感平台）、指挥系统和应用系统。1.传感器 所谓传感器，就是用于收集目标对象所反射或发射的电磁波信息的装置。它是遥感技术系统的核心部分。读者最为熟悉的人造传感器就是照相机，它将各种地物所反射的可见光的电磁波特征用感光胶片记录下来，形成像片。然而，在遥感中

5、使用的传感器是多种多样的。包括能主动向目标对象发射辐射能量的雷达和微波散射计。只能被动接收自然界地物所辐射的能量的摄影机、多波段扫描仪、红外和微波辐射计等。2.遥感平台 所谓载体，亦称遥感平台（plantform），它是指装载传感器的运载工具，主要有汽车、轮船、高塔和移动支架等近地面平台；飞机或气球平台（或大气层中其他的平台）、大气层外的航天器或卫星平台等。最具代表性的遥感平台有飞机和人造卫星，前者称为航空平台，多用作区域性观测，而后者称为航天平台能用作全球性的大范围观测。3.地面指挥系统 所谓指挥系统，就是指挥和控制传感器与平台，并接收其信息的指挥部。现代遥感的指挥系统一般均为计算机系统。如

6、在卫星遥感中，由地面控制站的计算机向卫星发送指令，以控制卫星载体运行的姿态、速度，命令其将星载传感器探测的数据和来自地面遥测站的数据向指定地面接收站发射，地面接收站接收到卫星发送来的全部数据信息，送交数据中心进行各种预处理，然后提交用户使用等。4.应用系统 所谓应用系统，就是指用户存储、处理、应用遥感数据，为相关行业决策提供科学依据。它需要在计算机的软、硬件支持下，根据设定的应用目标，对遥感原始数据进行一系列的处理，将目标信息从海量的且复杂的数据中提取出来，并进行分析，为相关应用部门提供决策的依据支持。图7-1 遥感技术系统的基本组成（三）遥感技术的分类遥感技术应用广泛，分类方法众多，按其电磁

7、波工作波段可划分为可见光波段遥感、红外遥感、热遥感、微波遥感等；按遥感资料的记录方式和传感器工作方式，可分为成像遥感和非成像遥感；按遥感成像时传感器是否向地面发射电磁波，可分为主动遥感和被动遥感；按遥感仪器所选用的波谱性质可分为电磁波遥感、声纳遥感、物理场（如重力和磁力场）遥感等；按应用特点可分为农业遥感、林业遥感、地质遥感、水利遥感、环境遥感等；而按照遥感仪器使用的平台可分为地面遥感、航天遥感，航空遥感。其中，最后一种分类方法应用广泛，也反映了遥感技术发展的历史过程，在此做一简单介绍。1.地面遥感 地面遥感是指在近地面平台上进行的遥感，即装载传感器的固定或可移动的装置位于地面上，包括汽车、轮

8、船、高塔和移动支架等。地面遥感既有独立性，也有辅助性（用于航空、航天遥感的校准）。2.航空遥感 航空遥感是以飞机或气球作为工作平台进行成像或扫描的一种遥感方式。平台上装有各种传感器，按技术要求，对测区进行有关地物电磁波信息的收集、处理，最后获得各种图像、数据，从而为生产、科研所应用。这样的全过程称为“航空遥感”。航空遥感是从航空摄影开始的，1903年莱特兄弟发明了飞机，1909年瑞特（W.Wright）第一次用飞机摄出了意大利圣托西利地区（Centocelli）照片，从此揭开了航空摄影（航空遥感）的序幕。在战争中航空遥感得到了迅猛的发展，第二次世界大战结束后，航空摄影遥感技术开始被广泛地用于民

9、用部门，20世纪50年代美国的航空红外遥感已能获（得）取地形的热像图。航空遥感具有成像比例尺大、分辨率高、几何纠正准确等优点，目前仍然是一种不可替代的重要遥感手段。3.航天遥感 航天遥感是通过航天飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息，因此它与火箭、人造卫星等技术的发展密切相关。第二次世界大战后，美国发射的探空火箭在160320km的高空拍摄了地面像片，1959年9月美国海军发射先锋-2卫星，通过2个红外光电管，测量地球辐射和拍摄地球上空云层照片，把人们观测自然资源和居住环境的位置，升高到几百几千公里的太空，开辟了航天遥感的新阶段。从航空遥感发展到航天遥感，是遥感技术的

10、重大突破。卫星的恒定轨道，加上地球的自身运转，卫星遥感可不受国界和地形的限制，并可对全球作连续的观测。航天遥感的发展为人们宏观地观测地球及探测宇宙提供了方便的条件。目前，用于航空遥感的 “卫星系列”按用途可分为三种：为军事侦察目的服务的侦察卫星，为气象目的服务的气象卫星，以及为探测地球资源目的服务的陆地卫星。（四）遥感工作过程 遥感过程是指遥感信息的获取、传输、处理，以及分析判读和应用的全过程，主要包括以下四部分工作。1.遥感试验 遥感试验是整个遥感工作的基础，一般在探测前需要遥感试验提供地物的光谱特性，以便选择传感器的类型和工作波段；探测以及处理时，又需要遥感试验提供各种校正所需的有关信息和

11、数据。遥感试验还可为判读应用提供依据。2.遥感信息获取 遥感信息获取是遥感过程的中心工作，其中工作平台以及传感器是确保遥感信息获取的物质保证。通过放置在相应遥感平台上的传感器获取地物反射的电磁波或地物自身辐射能，并记录下来，通过通信卫星，传输到地面卫星接收站，进行存储。3.遥感信息处理 遥感信息处理是指借助各种技术手段对遥感探测所获得的信息进行的各种处理。如为了消除探测中各种干扰对探测结果的影响而进行的各种校正（辐射校正，几何校正等）处理，为了便于识别、判读和提取信息而进行的各种遥感图像增强处理等。4.遥感信息应用 遥感信息应用是遥感的最终目的。在遥感应用中，应根据专业目标的需要，对遥感信息及

12、其工作方法进行适宜的选择，并进行遥感数据的处理、解译分类与分析，以取得较好的社会效益和经济效益。之后的内容主要是基于遥感应用工作中关键的部分进行详细的说明。二、遥感的主要理论依据众所周知，自然界中的任何地物都具有它们本身的特有规律：如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性。它们都能进行热辐射，具有发射红外线、微波的特性。少数地物还具有透射电磁波的特性。这种特性叫做地物的光谱特性。地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，遥感就是通过测量地物对太阳辐射能的反射光谱信息或地物自身的辐射电磁波波谱信息，进行地物模式识别以及时间和空间特性分析。（一）地物的反射光谱特性辐射能量入

13、射到任何地物表面上，会出现三种情况：一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内能部分再发射出来；一部分入射能量被地物透射。一般来说，反射能力强的地物，反射率高，传感器记录的亮度值就大，在像片上呈现的色调就浅。反射能力弱的地物，反射率低，传感器记录的亮度值就小，在像片上呈现的色调就深。这些色调的差异是区分不同地物的重要标志。地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物的反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线图，称为地物反射光谱曲线。图7-2给出了雪、沙漠、岩石、植被等不同地物类型的的反射光谱曲线。可以看出，不同地物在不同波段反射率不同，因此，在不同波段的像片上呈现不

14、同的色调，这是判读各种地物的基础。例如：利用0.40.5m波段的像片，可以把雪与其它地物区分开；利用0.50.6m波段的像片可以把沙漠与针叶林、湿粘土区分开；利用0.70.9m波段的像片可以把针叶林与湿粘土地区分开。这样，对不同的研究对象，可根据它们各自的光谱特性，选择最佳波段、最佳的摄影季节和摄影时间的像片进行判读。对植被来说，由于植物种类不同，对光谱的反射率差异明显，如图7-3反映了柑橘、番茄、玉米和棉花等不同种类植物光谱反射特征曲线的差异。即使同类植物，由于生长时期不同、健康程度差异等，反射率也有较大差异。图7-4反映了春小麦在开花期、灌浆期、乳熟期和黄叶期不同生长时期的光谱反射特征差异

15、。图7-5显示了健康的和遭受病虫害的松树反射光谱曲线的变化。依照光谱特性曲线的差别能够很容易地把健康植物和遭受病虫危害的植物区分开来。图7-2 雪、沙漠、岩石、植被等不同地物的反射光谱曲线 7-3 小麦不同生长时期反射特征曲线 图7-4 春小麦不同生长阶段光谱反射特征曲线图7-5 不同病害时期松树的反射光谱曲线（二）地物的发射光谱特性任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子热运动，都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。每一种地物在一定温度时，都有一定的红外辐射发射率，但不同地物的发射率往往不同。表7-1给出了常温下一些地物在814m的发射率。这种地物发射率的差异是红外遥感技术用于区分不同地物的重要依据。地物的微波辐射与红外辐射相似，符合热辐射定律。但微波是低温状态下地物的重要辐射特性，其特点是地物的温度越低，微波辐射也就越明显。表7-2是在相同条件下，一些地物在微波波段与红外波段发射率的比较。表7-1 常温下一些地物在814m的发射率目标物温度（）目标物温度（）木材（橡木平板）水（蒸馏水）冰（表面光滑）雪沙2020-10-10200.900.960.960.850.90石英长石花岗岩玄武岩大理石20202020200.6270.8190.7800.9060.942表7-2 不同地物微波与红外发射率的比较地物波段微波红外 钢