从太空到土壤：欧空局技术推动农业发展 基于太空技术的创新对可持续农业的深远影响
作者: Mark Patrick，贸泽电子专稿
图源：Monopoly919/Stock.adobe.com
在当今时代，农业生产力提升与可持续发展之间的平衡比以往任何时候都更加重要，智慧农业和再生农业已成为未来农业的重要工具。这些创新概念旨在彻底改变我们耕种土地的方式，重点是提高效率和减少农业活动的碳排放。不过，由于农业排放的温室气体占到了总排放量的19-29%，[1]这就面临着双重挑战：既要养活不断增长的全球人口，又要减轻自身对环境的影响。为了应对这些挑战，社区、农场主、政府和非政府组织正在转向智慧农业、再生农业和野化技术。
智慧农业引入了精准农具、卫星图像和数据分析等先进技术，以优化资源利用，提高作物产量，同时最大限度地减少浪费和污染。再生农业则更进一步，强调恢复土壤健康、生物多样性以及对可持续粮食系统至关重要的生态系统服务。野化是一种保护战略，旨在通过减少人类影响和重新引入本地物种来恢复和保护自然生态系统。这些方法共同为实现粮食安全、土地恢复和抵御气候变化提供了前途光明的未来。
但是，农业创新并不仅限于田野和树林。还有一些重要进步源自太空，欧洲航天局 (ESA) 等组织正在我们的农业领域发挥着重要作用。
智慧农业和再生农业面临的挑战
智慧农业、再生农业和野化技术在管理土地退化、环境恢复和粮食安全方面举足轻重。通过采用卫星图像、自动化和无线土壤传感器等先进技术，智慧农业可以改进耕作方法、提高资源效率并减少对环境的影响。
在过去的四十年间，世界上近三分之一的可耕地因侵蚀或污染而丧失[2]（图1）。联合国警告说，到2050年，地球上90%的表土都可能面临风险。[3]这些都凸显了智慧农业的重要性。
图1：一片尘土飞扬的田地，表土因干旱而受损。（图源：Mikhail
Pankov/stock.adobe.com）
不过，实施智慧农业也面临着各种挑战，比如与农业相关的开支不断增加、资源可用性受限，以及需要进行全面的社会、经济和监管改革。
太空技术对农业的作用
改变田地的先进技术并不局限于现场解决方案。有些重要创新是在太空中发现的，例如ESA的土壤湿度和海洋盐度 (SMOS) 探索者卫星在距离地球471英里的轨道上运行。[4]
卫星图像是现代农业的基石，可提供广阔农业区的全貌。这项技术使农场主能够以无与伦比的精确度监测土地使用情况、识别退化地区和评估作物健康状况。此外，通过卫星数据进行气候监测，可以及早发现干旱、洪水和极端天气等环境压力因素，使农场主能够及时实施干预措施，有效调整耕作方式。
ESA通过其卫星数据计划支持智慧农业和再生农业。通过每周甚至每天提供全球各地的图像，ESA提供了令人难以置信的洞察力，让人们了解不断变化的气候、过去的极端天气事件和人为灾害的影响。
过去，由于ESA等机构提供的大型数据集比较复杂，而且将大型数据集专门用于特定应用的成本高昂，这些数据集在农业领域的使用有限。但是现在计算能力和人工智能 (AI) 大数据建模的进步，使得这些数据可以用于更广泛的农业技术。
ESA的SMOS任务
ESA的SMOS任务于2009年启动，主要是收集全球土壤湿度和海洋盐度数据。SMOS任务收集的宝贵数据和观测资料有助于加深我们对地球表面和大气层之间复杂动态的了解。同时它们在提高天气和气候模型的准确性和有效性方面也可以发挥关键作用。
SMOS卫星使用在L波段微波范围内工作的综合孔径辐射计，通过测量地表辐射来生成“亮温”图像。这些图像可以绘制出精确的全球土壤湿度图，精度为4%，空间分辨率约为50km。[5]这些数据可以显示水分过多或水分不足的田地，提醒农场主注意干旱或用水紧张。
哥白尼计划和未来发展
提供准确、及时且易于获取的信息对于改善环境治理至关重要。这些信息有助于我们了解影响农业和社会的气候挑战，从而更有效地应对这些挑战。欧盟雄心勃勃的哥白尼计划与ESA合作，超越了SMOS任务的范畴，将卫星、地面测量和先进技术结合起来，监测和管理各种环境因素。
哨兵系列卫星（图2）是哥白尼计划的重要组成部分，也是地球观测活动的支柱。这些卫星监测土地利用情况、植被健康状况、土壤湿度、温度和天气状况，为智慧农业提供宝贵的数据。
图2：ESA现有和未来的地球观测任务。（图源：ESA）
利用哨兵卫星数据，农场主可以跟踪土地利用情况的变化，如作物生长和植被健康。这些数据支持对作物胁迫或疾病的早期检测结果进行复杂的分析，从而优化灌溉和施肥技术，帮助做出明智的决策，最大限度地提高产量。结合地面传感器，这些卫星数据可提供有关土壤湿度和温度的实时信息。
哥白尼计划还通过收集有关大气条件、温度状况和降水量的数据，在天气预报和气候监测方面发挥着重要作用。它帮助跟踪牲畜并监测鼹鼠或獾等破坏性物种，使农场主能够高效规划自己的活动，有效减少作物损失。
卫星如何影响我们的田野和森林
目前，ESA正在利用创新的卫星技术助力荷兰的农业发展。由于环境问题和监管要求使耕作变得日益复杂，ESA卫星（包括SMOS卫星和哥白尼计划哨兵卫星）提供关键数据，帮助农场主优化运营。
荷兰在全球农业食品和产品出口国中名列前茅，一直在不断采用创新技术来提高生产力和实现生态平衡。ESA的卫星数据正在成为荷兰农业诸多领域的得力工具，提供有关土壤湿度、作物健康和生长条件的详细信息。
例如，SMOS卫星提供不可或缺的土壤湿度测量数据，使农场主能够更有效地管理灌溉作业，更准确地预测作物产量。荷兰莱顿大学环境科学研究所也一直在利用哥白尼计划哨兵卫星的数据对植物和漫游的大型食草动物进行远程监测（图3）），以帮助为阿姆斯特丹附近的自然保护区开发管理和野化工具。[6]
图3：Oostvaardersplassen自然保护区中被野化放归的马匹。（图源：Kruwt/stock.adobe.com）
卫星和地面传感器提供的数据正被用于开发复杂的机器学习 (ML) 技术，以更好地了解动物行为与其周围植被之间的联系。
最近，SMOS数据还被用于推动智慧农业建模的其他方面。由于野火问题日益突出和严重，ESA和欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 一直在合作，将SMOS数据与加拿大森林火灾气象指数数据合并，以便更好地进行建模。
卫星数据与遥感相结合，确定高风险森林火灾区域，从而得出火灾发生概率指数 (FOPI)，范围从0到1（图4）。指数高于0.8表示极度危险，0则表示没有危险。[7]该指数可帮助用户实施预防措施并了解火灾的原因和情况。
图4：一张地图，显示2023年5月1日至6月11日期间FOPI值超过0.7的天数。（图源：ESA）
哥白尼计划的数据为先进的农业和环境建模提供了动力，更复杂的计划也在不断涌现。例如，欧洲数字孪生海洋（欧洲DTO）计划正在为海洋创建一个数字复制品，以恢复欧洲的海洋生态，重点关注可持续性和海洋生物多样性保护。[8]
不断扩大的数据规模与计算能力的整合正在推动开发异常精确的地球数字复制品，使科学家能够有效应对环境和农业挑战。
结语
卫星监测能力，如SMOS和哥白尼计划卫星，为智慧农业提供了宝贵的信息和工具。通过数据驱动的决策、有效的资源管理和对环境变化的适应，农场主可以实现可持续的高效农业。这不仅有益于环境和社会，还能支持再生农业和森林防火等更广泛的举措。
虽然太空技术对环境的初步影响可能不会立即显现，但ESA的工作已经产生了实质性影响，而且这种影响只会越来越大。随着土壤传感器、农业自动化、人工智能和复杂建模等新兴技术的出现，太空技术将在避免粮食危机、实现土地再生和加强粮食供应方面发挥越来越重要的作用。
如需了解更多信息，ESA提供了大量可公开获取的观测数据。
参考资料
作者简介
Mark于2014年7月加入了贸泽电子，此前他曾在RS Components担任高级营销职务。在加入RS之前，Mark在Texas Instruments担任了8年的应用支持和技术销售职位，并获得了考文垂大学的电子工程一级荣誉学位。
