具有领先特色的作物氮素定量遥感研究

来源：赛杰奥

“有收无收在于水，收多收少在于肥”表明了矿质营养在农业生产中的重要性。作物生长所需的7 种主要矿质元素（氮、磷、钾、钙、镁、硫、硅）中，氮所占比例超过40%，且氮是作物体内氨基酸、蛋白质及核酸等的组成元素，也是叶绿素、植物激素及维生素的主要成分，所以氮在作物生命活动中占有首要地位，被称为“生命元素”。我国耕地化肥施用总量占全世界的35%，居世界首位，亩（1 亩≈666.7 m²）均化肥用量21.9 kg，远高于亩均8 kg 的世界平均水平，与发达国家和地区相比，是美国的2.6 倍，是欧盟的2.5 倍。过量施肥，特别是氮肥过量施用问题在我国较为突出，不仅造成了农业资源的巨大浪费，而且带来了严重的农田生态环境问题，给农业可持续发展带来了严峻的挑战。因此，对作物养分进行快速、准确、动态和大范围的监测，为农田精准施肥管理决策提供实时、有效的养分监测诊断信息，对有效降低化肥施用量、提高肥料利用率、减缓农田环境污染和促进农业可持续发展均具有重要意义。

运用现代信息技术推动农业生产全要素、全链条优化升级，促进农业生产全程精准集约化、绿色可持续发展，是提高农业生产效率和农产品竞争力的关键所在。其中科学的作物养分监测对优化作物栽培、提高肥料利用率及减少施肥过量导致的农田环境污染等具有重要价值。因此，利用无损、高效遥感技术进行作物养分动态监测预测成为当前研究热点和最佳手段。

《作物氮素定量遥感与应用》（杨贵军等著. 北京：科学出版社, 2019.8）是第一本全面论述作物氮素遥感机理及监测预测的专著，涉及光学遥感、作物生理生态及农学等多学科交叉创新研究，在氮素遥感监测机理模型、时-空-谱协同解析、定量化监测诊断等方面均取得重点突破，推动了作物信息遥感从经验向定量、从平面向立体的转变，较好地解决了长期以来作物养分光谱探测机理性和广适性差等问题，形成了具有领先特色的作物氮素定量遥感研究方向，丰富了农业信息学学科内涵。

▲ 无人机高光谱数据获取挑旗期（Z.S.47）冠层氮密度（CND）

利用2014～2015 年北京小汤山国家精准农业研究示范基地小麦田间试验数据及挑旗期和开花期2 景无人机高光谱影像数据，建立了基于高光谱指数的作物氮营养诊断模型，实现了大范围氮素养分实时监测和精确诊断，得到了不同氮素处理下、不同生育期无人机高光谱遥感影像作物氮素监测图。 

遥感技术具备广覆盖、高时效、多载荷等特点，使其在作物氮素监测研究中具有独特优势，主要表现在：第一，能够实时获取面上连续的作物长势及营养信息，具有“面”上连续覆盖的特点，解决了传统地面采样及实验室测试分析方法存在的以“点”代“面”问题；第二，地面采样测量“点”与遥感观测“面”信息、气象数据与作物生长模型、氮素运转模型等进行时空融合，为实现基于作物个体生理活性和作物群体大小的养分诊断决策提供了关键支撑，为提早制定作物养分调优栽培措施提供了重要依据，大大提高了作物氮素监测的时效性。

杨贵军研究员是国家农业信息化工程技术研究中心农业定量遥感方向的学术带头人，带领团队在国内外率先系统开展了作物养分遥感监测机理及应用研究。十余年来，他一直从事农业遥感机理与作物养分监测预测等领域的研究工作，并在该领域取得了一系列创新性成果。该书系统分析当前我国作物养分管理需求实际，结合国内外作物氮素遥感监测预测研究现状，以近年来团队在作物定量遥感方面开展的大量科学试验和研究为实例，系统、全面地阐述了作物氮素光谱响应机理及定量解析模型、作物氮素运转时空动态、品质产量预测预报及氮素营养诊断决策等关键技术。

近年来，在“十三五”国家重点研发计划、国家重点基础研究发展计划（973 计划）、国家高技术研究发展计划（863 计划）、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、公益性行业（农业）科研专项、北京市自然科学基金等一系列项目的支持下，国家农业信息化工程技术研究中心-农业农村部农业遥感机理与定量遥感重点实验室紧密关注国内外养分光谱探测研究的前沿领域，将作物信息学与光学定量遥感技术相结合，面向养分实时、动态和有效监测应用中迫切需要解决的科学问题，围绕养分光谱定量监测的基础理论、遥感解析方法和共性关键技术，开展多学科交叉的技术创新研究，率先建立了作物氮素遥感的机理模型、定量解析方法及决策诊断模型，推动作物信息遥感从经验向定量、从平面向立体的转变，解决了作物养分光谱探测机理性和广适性差等问题。建立了点+面、瞬时+过程及叶片+冠层的遥感与作物模型时-空-谱信息融合方法，形成了涵盖卫星遥感、无人机及地面传感的“天-空-地”多平台遥感作物氮素高效获取技术体系，为支撑作物养分精准调优栽培管理与变量实施提供了关键信息支撑，推动了农学与遥感深入融合。相关研究获得国家科学技术进步奖2 项，北京市科学技术奖等省部级奖3 项，共发表学术论文100 余篇，其中SCI 论文52 篇，获得授权国家专利22 项，奠定了作物养分精准高效监测预测的坚实理论基础，对落实国家化肥、农药“双减”行动及提升农田养分精准管理水平起到了重要作用。

▲ 2008 年江苏中部实验区小麦籽粒蛋白质含量遥感监测图

该书汇集了作者及其团队数年来积累的重要研究成果，采用了大量的第一手数据，既体现了基础与前沿相结合的特色，又突出了新颖性及实用性的特点，是一本对农业、遥感和信息等领域科研、教学及实践具有重要参考价值的学术专著。大数据及人工智能时代的到来，加速了遥感技术发展与行业应用相辅相成、紧密结合，衷心希望该书能对农业遥感和农业信息工作者有所帮助，同时也希望作者团队继续奋发开拓，勇攀农业遥感科学高峰，不断涌现更多成果。