大范围农田环境参数获取技术实现突破

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,2012-04-25,作者：邹金秋

4月13日，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所王道龙研究员主持的“星陆双基遥感农田信息协同反演技术”课题通过了科技部组织的验收。

“星陆双基遥感农田信息协同反演技术”是国家“863计划”地球观测与导航技术领域新型遥感器技术专题中列出的目标导向类课题。该课题以我国现代农业发展对作物及农田生态环境参数时空分布特征信息的迫切需求为驱动，探索了综合应用陆基无线传感器网络技术、多源卫星遥感定量反演技术、时空耦合和数据同化技术进行快速获取农田环境和作物时空连续参数的新技术和新方法。课题顺利完成了各项考核指标，在河南省鹤壁市率先建设了国内最大的无线传感器网络系统。在超过200平方公里的试验区布设了39套路基无线传感器设备；稳定获取和生成了空气温度、空气湿度、风向、土壤温度、土壤湿度（土壤含水率、土壤干旱指数、土壤缺水指数）、植被光合有效辐射、叶面积指数等7类参数9个指标的时空连续数据集；申请发明专利6项，软件著作权9项；发表论文21篇，其中SCI论文1篇，EI论文13篇；培养研究生26人（6名博士），形成了一支较强的科研队伍。

该项研究取得如下重要成果：

一是在国内率先研制了满足大范围农田环境参数获取的无线传感器组网关键技术。研发了基于双层次叠垒架构的系统总体构架，保证了田间无线传感器网络的可伸缩性和扩展性；采用休眠-唤醒传输机制，优化设计了农田无线传感器节点的能耗模式，将系统功耗降至常规模式的25%；研发了相关硬件产品并构建了基于WEB的网络系统管理软件，实现了基于远程主机对观测数据和无人值守节点状态的实时查询和维护。

二是突破了陆基无线传感器网络与星载遥感数据协同的农田参数定量反演关键技术。首次研发了田间叶面积指数传感器，实现了田间冬小麦和玉米全生育期叶面积指数的自动连续观测；应用普适性尺度转换模型和HANTS算法等，开发了叶面积指数（LAI）和光合有效辐射吸收比率（FPAR）的空间和时间尺度转换模型；提出了星陆双基数据协同的地表温度、光合有效辐射、叶面积指数、干旱指数、土壤水分缺失指数等7类农田参数的定量反演技术方法，其中地表温度、光合有效辐射、叶面积指数比单独遥感反演精度提高了5%以上，植被干旱指数和土壤水分缺失指数等比单独遥感反演精度提高了10%以上。

三是建立星陆双基遥感农田信息协同反演系统，实现了农田生态环境参数时空连续数据集的生成。通过对基于星陆双基数据的农田参数多模式协同反演算法的开发和系统集成，构建了星陆双基遥感农田信息协同反演系统，并于2011年8月25日通过了空间信息系统软件测评中心的软件检测；利用该系统实现了地表温度、叶面积指数等农田生态环境参数时空连续数据集的生成，并完成了定量遥感数据产品的验证和评价。

四是在河南鹤壁等试验示范区进行了推广应用，取得了显著的社会经济效益。科研人员在鹤壁实验区系统反演的农田生态环境时空连续数据集直接应用于当地农业主管部门的农业生产管理和决策支持，确保了区域粮食高产，系统应用先后得到温家宝总理和河南省委书记卢展工等领导的高度评价和多次批示，被人民网、新华网、河南日报等媒体广泛报道，社会经济效益显著。（通讯员 孟秀华）