「遥测技术」与「精准农业」

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1、遙測科技在精準農業之應用-土壤與作物空間變異之檢測申雍國立中興大學土壤環境科學系摘要由於土壤性質、肥料施用、與作物吸收上自然存在之變異，導致田間作物生長具有空間分佈不均的現象。「遙測」可以精確和快速的對大面積的田區進行頻繁的觀測，提供田間作物動態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，以及有關檢測土壤性質和作物生長性狀與產量的遙測方法。目前的遙測技術雖可達到提供「精準農業」相關資訊的最低要求，但仍有許多關於土壤和作物的基本遙測資料需要累積，新的偵檢技術需要發展，影像資料的正確性和處理的時效性也需提高，才能適當滿足「精準農業」中對遙

2、測技術的要求。前言「精準農業」(precisionagriculture，site-specificfarming)是現代化農業科技的重要發展方向之一，因此受到農業界高度的重視。「精準農業」目前尚屬於發展初期，許多技術細節仍有待進一步之開發，但是其發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間與空間的變異，以及其對農作物生育的影響，使能經由肥培、施藥等栽培管理手段，進行高效率的農業經營與管理，並減少由農業所產生之非點源污染(non-pointpollution)，進而達到提高生產利潤，保護生態環境的目標，使農業得以永續發展(Blackmoreetal.,1

3、995;Castelnuovo,1995;PierceandSadler,1997)。「遙感探測」即是利用非直接接觸的方法進行地物性狀的測定，以瞭解地物的特性並進行空間分佈之區劃。目前對於土壤和作物所進行的遙感探測，主要是測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)、遠紅外光(far-infrared，8-14µm)、微波(microwave，1mm-1m)等幾個主要波段，其中以應

4、用可見光、近紅外光、和遠紅外光等光區的技術目前較為常見，但有關微波的應用技術正蓬勃發展中(StevenandClark,1990;Johannsenetal.,1999)。若依進行遙測時所使用之感測器與載台區分，其技術範圍可含括由昂貴複雜的衛星遙測、航測、以至於便宜簡單的人員觀測(BarrettandCurtis,1992;LillesandandKiefer,1994)。由於作物的生長受環境影響呈現動態的變化，「遙測技術」在「精準農業」中之角色正如同人類的雙眼一般，但能更為「精確」和「快速」的對大面積的田區進行頻繁的觀測，判斷田間作物生育情形和產量的空間分佈。田間

5、的栽培管理者，則可利用由遙測所得的資訊，以可變率(variablerate)農機進行局地(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的空間變異與相關的檢測技術，最後將指出精準農業體系中遙感探測部分的重要發展方向。土壤和植被的反射光譜土壤和植被對太陽輻射之反射光譜已被廣泛用進行有關土壤特性、作物生育情形、逆境種類與程度等空間分佈之遙測調查中。由於葉片中色素之吸收，葉片在可見光區(400-700nm)的吸收率約達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光與紅光端，因此葉片在550nm附近有較強的反射值。由於葉片色素與細胞壁在近紅外光區(700-1300nm)近乎透明，因此葉片的反射光譜在此波段呈現一個高台(plateau)，其反射率的高低與葉肉細胞的層次、大小、排列方式，以及細胞的內容物有密切的關係。在中紅外光區(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，葉片中的水分會產生很強的吸收，因而導致反射光譜出現兩個高峰。因此葉片的反射光譜將受葉片之解剖結構、生育階段、土壤水分和養分之供應、病蟲害、…等多種因素的影響。例如，受

7、葉片細胞的排列結構的影響，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)。當葉片老化時，由於葉綠素的崩解，可見光區的黃綠波段和紅光段的反射值將增加，近紅外光區的反射值將隨細胞間隙增加而提高，中紅外光區的反射值亦隨葉片中水分減少而提高(Guyot,1990)。當乾旱時，葉片之反射光譜因細胞膨壓降低而有全域提高的現象(Thomas,etal.,1971)。當氮缺乏時，葉片在可見光區的反射值會因葉綠素濃度降低而增加，但是在近紅外光區的反射值將因細