「遙測(cè)技術(shù)」與「精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)」

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1、遙測(cè)科技在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)之應(yīng)用-土壤與作物空間變異之檢測(cè)申雍國(guó)立中興大學(xué)土壤環(huán)境科學(xué)系摘要由於土壤性質(zhì)、肥料施用、與作物吸收上自然存在之變異，導(dǎo)致田間作物生長(zhǎng)具有空間分佈不均的現(xiàn)象?！高b測(cè)」可以精確和快速的對(duì)大面積的田區(qū)進(jìn)行頻繁的觀測(cè)，提供田間作物動(dòng)態(tài)生育情形的空間分佈資料。本文中回顧了葉片、土壤、和植被的光譜特性與影響因子，以及有關(guān)檢測(cè)土壤性質(zhì)和作物生長(zhǎng)性狀與產(chǎn)量的遙測(cè)方法。目前的遙測(cè)技術(shù)雖可達(dá)到提供「精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)」相關(guān)資訊的最低要求，但仍有許多關(guān)於土壤和作物的基本遙測(cè)資料需要累積，新的偵檢技術(shù)需要發(fā)展，影像資料的正確性和處理的時(shí)效性也需提高，才能適當(dāng)滿足「精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)」中對(duì)遙

2、測(cè)技術(shù)的要求。前言「精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)」(precisionagriculture，site-specificfarming)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科技的重要發(fā)展方向之一，因此受到農(nóng)業(yè)界高度的重視?！妇珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)」目前尚屬於發(fā)展初期，許多技術(shù)細(xì)節(jié)仍有待進(jìn)一步之開發(fā)，但是其發(fā)展的大方向已很清楚，主要要求能精確掌握氣候和土壤之時(shí)間與空間的變異，以及其對(duì)農(nóng)作物生育的影響，使能經(jīng)由肥培、施藥等栽培管理手段，進(jìn)行高效率的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)與管理，並減少由農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生之非點(diǎn)源污染(non-pointpollution)，進(jìn)而達(dá)到提高生產(chǎn)利潤(rùn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，使農(nóng)業(yè)得以永續(xù)發(fā)展(Blackmoreetal.,1

3、995;Castelnuovo,1995;PierceandSadler,1997)。「遙感探測(cè)」即是利用非直接接觸的方法進(jìn)行地物性狀的測(cè)定，以瞭解地物的特性並進(jìn)行空間分佈之區(qū)劃。目前對(duì)於土壤和作物所進(jìn)行的遙感探測(cè)，主要是測(cè)定並分析由土表和作物植冠反射或輻射的電磁波波譜，可概分為可見光(visible，400-700nm)、近紅外光(near-infrared，700-1300nm)、中紅外光(middle-infrared，1300-2500nm)、遠(yuǎn)紅外光(far-infrared，8-14μm)、微波(microwave，1mm-1m)等幾個(gè)主要波段，其中以應(yīng)

4、用可見光、近紅外光、和遠(yuǎn)紅外光等光區(qū)的技術(shù)目前較為常見，但有關(guān)微波的應(yīng)用技術(shù)正蓬勃發(fā)展中(StevenandClark,1990;Johannsenetal.,1999)。若依進(jìn)行遙測(cè)時(shí)所使用之感測(cè)器與載臺(tái)區(qū)分，其技術(shù)範(fàn)圍可含括由昂貴複雜的衛(wèi)星遙測(cè)、航測(cè)、以至於便宜簡(jiǎn)單的人員觀測(cè)(BarrettandCurtis,1992;LillesandandKiefer,1994)。由於作物的生長(zhǎng)受環(huán)境影響呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化，「遙測(cè)技術(shù)」在「精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)」中之角色正如同人類的雙眼一般，但能更為「精確」和「快速」的對(duì)大面積的田區(qū)進(jìn)行頻繁的觀測(cè)，判斷田間作物生育情形和產(chǎn)量的空間分佈。田間

5、的栽培管理者，則可利用由遙測(cè)所得的資訊，以可變率(variablerate)農(nóng)機(jī)進(jìn)行局地(local)肥培、施藥、灌溉、…等管理措施的操作。以下將先說明土壤和植被反射光譜的特性，再論及田間土壤和作物生產(chǎn)的空間變異與相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)，最後將指出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中遙感探測(cè)部分的重要發(fā)展方向。土壤和植被的反射光譜土壤和植被對(duì)太陽輻射之反射光譜已被廣泛用進(jìn)行有關(guān)土壤特性、作物生育情形、逆境種類與程度等空間分佈之遙測(cè)調(diào)查中。由於葉片中色素之吸收，葉片在可見光區(qū)(400-700nm)的吸收率約達(dá)80%以上，反射率和穿透率僅約10%左右(Guyot,1990)。由於葉綠素a、b是葉片中

6、主要的色素，其吸收峰主要位於藍(lán)光與紅光端，因此葉片在550nm附近有較強(qiáng)的反射值。由於葉片色素與細(xì)胞壁在近紅外光區(qū)(700-1300nm)近乎透明，因此葉片的反射光譜在此波段呈現(xiàn)一個(gè)高臺(tái)(plateau)，其反射率的高低與葉肉細(xì)胞的層次、大小、排列方式，以及細(xì)胞的內(nèi)容物有密切的關(guān)係。在中紅外光區(qū)(1300-2500nm)，葉片的反射光譜主要受葉片中水分含量的影響，在1450、1950、和2500nm處，葉片中的水分會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收，因而導(dǎo)致反射光譜出現(xiàn)兩個(gè)高峰。因此葉片的反射光譜將受葉片之解剖結(jié)構(gòu)、生育階段、土壤水分和養(yǎng)分之供應(yīng)、病蟲害、…等多種因素的影響。例如，受

7、葉片細(xì)胞的排列結(jié)構(gòu)的影響，闊葉樹葉片在近紅外波段的反射值高於針葉樹葉片(KalenskyandWilson,1975)；雙子葉植物葉片的反射光譜高於單子葉植物(Sinclairetal.1971)。當(dāng)葉片老化時(shí)，由於葉綠素的崩解，可見光區(qū)的黃綠波段和紅光段的反射值將增加，近紅外光區(qū)的反射值將隨細(xì)胞間隙增加而提高，中紅外光區(qū)的反射值亦隨葉片中水分減少而提高(Guyot,1990)。當(dāng)乾旱時(shí)，葉片之反射光譜因細(xì)胞膨壓降低而有全域提高的現(xiàn)象(Thomas,etal.,1971)。當(dāng)?shù)狈r(shí)，葉片在可見光區(qū)的反射值會(huì)因葉綠素濃度降低而增加，但是在近紅外光區(qū)的反射值將因細(xì)