文 | 翟建寶 程飛雁 王振宇

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、前言

秸稈是黑土地的天然肥料，秸稈還田不僅可用來減輕土地的風蝕和水蝕，還可陪肥地力和保墑抗旱，具有很好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，且秸稈還田在保護性耕作上也是目前最好的生態(tài)技術手段。但由于我國秸稈分布廣、數(shù)量多、難于管控，目前仍存在秸稈焚燒、資源浪費現(xiàn)象。出于對環(huán)境的保護以及秸稈資源的合理利用，我國對于秸稈監(jiān)測及綜合管理十分重視，同時也逐步下發(fā)了一定的政府補貼，然而面對大范圍的秸稈資源監(jiān)測及合理管理問題，基于傳統(tǒng)人工核查方式則難于全面管控。

隨著近年來我國政府對秸稈資源管理的高度重視，秸稈合理利用工作已有不錯的成效，但仍沒有全面遏制秸稈焚燒、離田堆積等資源浪費和環(huán)境污染現(xiàn)象，局部地區(qū)仍沒有得到合理綜合管控。主要由于傳統(tǒng)秸稈監(jiān)測手段難以滿足大面積、高效率、高精度、低成本的全局管控需求，導致秸稈資源用途難于得到充分發(fā)揮。為充分推進秸稈綜合利用，促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，本文利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術，構建出了秸稈資源覆蓋監(jiān)測模型，可全面高效地對秸稈資源分布情況、利用情況和違規(guī)焚燒等方面進行監(jiān)測，有效解決了傳統(tǒng)秸稈監(jiān)督管理方式范圍小、實效低、動態(tài)跟蹤不足等問題，秸稈資源多方面應用充分高效展開，大力提高秸稈利用率，為相關管控部門對秸稈資源監(jiān)測及應用提供有效數(shù)據(jù)支撐。

二、秸稈資源覆蓋監(jiān)測模型構建

利用衛(wèi)星遙感影像短波紅外和近紅外對秸稈具有較高的敏感性，計算出相應的敏感光譜指數(shù)，并結合對應的實測秸稈覆蓋數(shù)據(jù)，構建了光譜指數(shù)與秸稈資源覆蓋的關系模型。

本文模型構建共采用了400 個樣本數(shù)據(jù)，其中每個樣點定位均采用手持GNSS 完成地理信息獲取，采集信息主要包括樣點經(jīng)度、緯度、秸稈覆蓋度、秸稈狀態(tài)等信息。秸稈狀態(tài)信息主要包括秸稈離田、碎混還田、秸稈翻埋、秸稈未離田、秸稈已焚燒。本文將樣本數(shù)據(jù)按照7：3 的比例，建立了模型的訓練集和驗證集，形成模型訓練及驗證的基礎數(shù)據(jù)；同時，利用同步成像的哨兵二號（Sentinel-2B）L2A 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，進行影像重采樣、波段合成、影像鑲嵌和裁剪等預處理，并以影像的短波紅外與近紅外波段反射率為主要因子，通過指數(shù)公式計算，來獲取秸稈覆蓋狀態(tài)相關指數(shù)。其中包含歸一化耕作指數(shù)（NDTI）、歸一化秸稈指數(shù)（NDRI）、歸一化差值指數(shù)7（NDI7），最終以相關指數(shù)為輸入因子，以實測樣本數(shù)據(jù)秸稈覆蓋度為因變量，通過線性回歸構建了秸稈資源覆蓋監(jiān)測模型，模型反演經(jīng)實測樣本驗證，準確性完全滿足秸稈資源覆蓋監(jiān)測應用，主要技術流程如圖1 所示。

圖1 秸稈資源專題監(jiān)測流程

三、衛(wèi)星遙感秸稈資源監(jiān)測

為貫徹落實生態(tài)文明建設，資源綠色發(fā)展，全面科學掌控秸稈資源利用情況，充分發(fā)揮秸稈資源應用，衛(wèi)星遙感技術已成為秸稈資源管控的主要科學手段，為耕地保護、資源分配、環(huán)境保護、收糧指導等方面提供合理高效的數(shù)據(jù)支撐，為提高秸稈資源綜合利用及監(jiān)督管控作出重大貢獻。

1.秸稈覆蓋度監(jiān)測：監(jiān)督黑土地保護性耕作

黑土保護性耕作是指作物收獲后地面上秸稈覆蓋度大于30%的耕作，本文利用了Sentinel-2 10m分辨率多光譜衛(wèi)星遙感影像，對2022 年東北局部地區(qū)耕地進行了秸稈覆蓋度的監(jiān)測。此監(jiān)測區(qū)面積約150 萬畝，為典型的黑土覆蓋區(qū)域。通過構建的秸稈資源覆蓋監(jiān)測模型對耕地的作物秸稈覆蓋情況進行了定量反演，并以秸稈覆蓋度30%為基準，對已保護性耕作和未做保護性耕作的區(qū)域進行分割提取，結果如圖2 所示。從圖中整體來看，該地區(qū)已保護性耕作區(qū)域約占85%，但仍有15%的耕地秸稈還田率較低，沒有實施耕地保護性耕作措施，秸稈資源沒有得到合理利用，且分布離散。

圖2 保護性耕作監(jiān)測圖

通過統(tǒng)計秸稈資源覆蓋數(shù)據(jù)，對秸稈覆蓋情況進行具體分析，形成保護性耕作執(zhí)行情況分布圖，可整體監(jiān)督該地區(qū)黑土耕地保護實施程度。重點對離散未做保護性耕作的耕地進行關注，并完成有效治理，實現(xiàn)保護性耕作精細化監(jiān)督管理。由此可見，衛(wèi)星遙感對秸稈資源覆蓋監(jiān)測方法可快速對大范圍秸稈資源信息進行分析提取，有效解決傳統(tǒng)人工現(xiàn)場核查費時費力的投入問題，也可輔助農(nóng)業(yè)相關部門對黑土地耕作保護，短期內做出精準治理方案，使秸稈資源得到充分合理的利用，保障黑土地保護實施工作更加精準、高效、科學化。

2.秸稈還田監(jiān)測：提供合理補貼方案

近年來，我國為了大力推廣秸稈資源循環(huán)利用，鼓勵秸稈還田，采用了秸稈還田作業(yè)補貼方案。其中補貼內容主要包括玉米秸稈還田和水稻秸稈還田，還田類型主要針對深翻和碎混，且不同的還田類型又有對應的補貼方式。面對大范圍秸稈還田作業(yè)補貼情況，對于傳統(tǒng)現(xiàn)場統(tǒng)計方法，合理的分配補貼工作將非常復雜困難。

本文利用實測樣本數(shù)據(jù)定義出秸稈還田覆蓋度閾值，且以衛(wèi)星遙感的秸稈覆蓋監(jiān)測模型結合閾值分割方式，來反演出不同秸稈還田方式及分布范圍，圖3 為東北某縣局部耕地秸稈還田方式及分布遙感監(jiān)測圖。從圖中可以看出，當?shù)卣w秸稈還田率相對較高，其中水稻秸稈主要以深翻方式還田，其次是碎混還田。相對玉米則是以碎混的還田方式居多，其次是深翻。本次通過數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計分析并結合相應的補貼政策，快速獲取該地區(qū)的補貼投入概算。

圖3 秸稈還田方式及分布遙感監(jiān)測圖

秸稈還田作業(yè)補貼涉及到大范圍農(nóng)戶分配，要做到精準到戶，有理有據(jù)。通過衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)，疊加到當?shù)馗貦鄬贁?shù)據(jù)，則可快速完成秸稈還田作業(yè)補貼分戶統(tǒng)計，并形成農(nóng)戶補貼一覽表，實現(xiàn)按圖補貼。政府相關部門可及時獲取補貼清單，按圖監(jiān)督，減少不必要的補貼爭議。同時也可根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)做定期抽查，提高監(jiān)督管理水平，為推廣秸稈還田作業(yè)補貼工作提供科學合理的管理方案，充分實現(xiàn)秸稈還田作業(yè)補貼政策落實最大化。

3.秸稈收割進程監(jiān)測：制定合理收糧計劃

利用衛(wèi)星遙感秸稈資源覆蓋監(jiān)測技術，對黑龍江省某局部地區(qū)2022 年作物收獲期間的秸稈覆蓋情況進行連續(xù)跟蹤，其中根據(jù)秸稈離田和還田情況可定義為已收割狀態(tài)，未離田定義為未收割。通過對比分析衛(wèi)星遙感跟蹤的多期秸稈收割結果，可初步判定收割進度和分布范圍是否滿足開展收糧工作需求。如圖4 所示，該監(jiān)測區(qū)域10—11 月已陸續(xù)開展作物收割，且11 月收割進度明顯增長，主要集中在西部和北部。為了保障收糧任務及時合理，對收割進度及范圍進行跟蹤，根據(jù)收割范圍，就近安排收糧臨時點，且根據(jù)不同時間收割范圍，可進一步指導收糧計劃，合理安排收糧路線和最佳時期，保障收糧工作高效完成。

圖4 2022 年10—11 月收割進度跟蹤遙感監(jiān)測圖

收糧工作對于糧儲相關企業(yè)，每年都是個復雜而又重要的任務，不同的地區(qū)存在不同的收獲期限，導致收糧工作開展長期處于被動。利用衛(wèi)星遙感技術對作物秸稈的監(jiān)測，可以精準掌握不同地區(qū)的收割情況以及分布范圍，通過對秸稈收割進度的跟蹤監(jiān)測，可制定收糧目標，準確制定收糧方案及路線，全面推動收糧工作高效合理科學化。

4.秸稈焚燒監(jiān)測：提高管控力度

當前我國每年收獲后仍面臨秸稈焚燒問題，秸稈焚燒不僅對秸稈資源肆意浪費，也使區(qū)域空氣質量受到嚴重影響，因此對于秸稈焚燒管控非常重要?；诮斩挿贌c農(nóng)田整地周期銜接短，且分布隨機廣泛，傳統(tǒng)的追查方式很難全局掌控，因此大范圍準確追溯秸稈焚燒區(qū)域分布地點，對秸稈焚燒治理至關重要。利用衛(wèi)星遙感對秸稈覆蓋區(qū)域監(jiān)測技術，并結合影像近紅外與短波紅外比值對火燒跡地的高敏感性，對2023 年3 月末的東北某地區(qū)進行了秸稈焚燒后的追溯監(jiān)測，圖5為秸稈焚燒面積遙感監(jiān)測分布圖。從遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)中可快速統(tǒng)計出該區(qū)域秸稈的焚燒面積，從圖中也可明顯看出，該地域秸稈焚燒范圍相對較大，且分布范圍離散，如基于傳統(tǒng)現(xiàn)場管控方式將會非常困難。據(jù)實地勘察，當?shù)乜諝赓|量也受到了嚴重影響，煙霧繚繞且可見度低。

圖5 秸稈焚燒面積遙感監(jiān)測分布圖

針對秸稈焚燒整治工作，近些年在我國各個地區(qū)也在逐年開展，但效果并不明顯。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法，可事后隨時高效準確地追溯秸稈焚燒地點及范圍，追查農(nóng)民進行秸稈焚燒的地域分布，且基于耕地權屬數(shù)據(jù)可精準到戶地進行秸稈焚燒管制，解決傳統(tǒng)人工定點監(jiān)測需要投入大量的人力、財力、物力以及時間限制等問題。利用衛(wèi)星遙感的歷史溯源追責優(yōu)勢，秸稈焚燒管控力度將會得到大力的提升，資源浪費及環(huán)境污染情況將會大幅度減少。

四、結語

綜合以上應用分析，說明衛(wèi)星遙感對秸稈資源監(jiān)測具有較強的應用潛力。不僅可以全局高效準確地保障秸稈資源得到充分利用及管控，也可通過對秸稈資源的監(jiān)測來協(xié)助農(nóng)業(yè)和環(huán)保等相關部門，精細化掌握秸稈資源的時空分布，合理監(jiān)督農(nóng)田保護、補貼下發(fā)、指導收糧和焚燒治理等工作，同時也為政府掌控秸稈資源、挖掘應用潛力提供有效的基礎數(shù)據(jù)支撐。

近些年，我國衛(wèi)星遙感技術在各個應用領域逐步走向成熟，對于秸稈遙感監(jiān)測技術研究也具備了業(yè)務上的應用能力，秸稈資源利用及管控也開始逐步走向科學化?，F(xiàn)如今衛(wèi)星遙感影像質量和識別算法也在逐步升級，識別能力和反演精度也在不斷提高，因此基于遙感的秸稈資源監(jiān)測應用，將會向更好的科學智能方向發(fā)展。