論草業科學的信息維

梁天剛,黃曉東,任繼周

(農業部草地農業生態系統學重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

在草業科學內部，有4個學科具有維的性質，亦即這4個學科體現草業科學的多維性。它們是草原類型學，可稱為類型維；草原生態化學，可稱為化學維；草地農業生態系統學，可稱為系統維；草業信息學，可稱為信息維。它們各有獨具的知識流，或多或少地，或遲或早地分別貫穿于草業科學的各個板塊，因而也貫穿于全部草業科學。它們對草業科學既連綴又規整的作用至關重要[1]。其中信息維不僅是草業科學四維特征之一，也是草業科學現代化的神經網絡[2]。隨著計算機、網絡和3S(遙感、地理信息系統和全球定位系統)等技術和管理信息系統、專家系統、決策支持系統和數字地球等綜合集成系統的迅速發展，草業科學的信息維日顯重要。草業科學的信息維是信息學針對草業科學管理程序的異化。因此，需要通過對草業信息學的闡述，來認知草業信息維特征。草業信息學是草業科學的重要分支學科，是探究草業各個因子群、各個界面、各個生產層而建立的眾多板塊之間的信息認知、采集、處理、流通、反饋、調控的科學[3-5]。它以信息學自身的特殊手段，將草原類型學、草原生態化學、草地農業系統學，以及草業科學內部各個分支學科所提供的信息加以整合，建立自身的學科系統，闡述草業科學內部的信息關聯并加以調控。其集成表現之一就是草業專家系統。

草業信息學運用草原學、生態學、計算機與信息學、遙感、地理信息系統和全球定位系統等學科的理論與技術，研究草業信息的表達、處理、分析、集成和應用，對草業資源與環境的監測、評價和管理進行方法性研究，為草業信息的數字化、可視化管理提供理論和技術支撐。

1 信息是現代草業構建和發展的必要條件

信息(information)是用文字、數字、符號、語言、圖像等介質來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，從而向人們或系統提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理、分析和決策的依據。信息具有客觀性、適用性、可傳輸性和共享性等特征。信息來源于數據(data)，而數據是一種未經加工的原始資料。數字、文字、符號、圖像都是數據。數據是客觀對象的表示，而信息則是數據內涵的意義，是數據的內容和解釋[6]。

草業科學由生產域、管理域、市場域構成(圖1)。生產域包含與草業有關的專業農場、工廠、專業戶，它們是草業生產的基本單元。產品由草業生產單元輸出，經過管理域，而后進入市場域。而管理域的核心就是信息系統對草業的操控過程。如圖1所示，在草業的管理域中，信息中心與服務中心居于樞紐地位，從這里向業務管理和行政管理發出指令并接受其反饋，以使草業系統在不斷調整中運行不輟。

2 草業科學的信息維特征

草業科學的信息維是信息學針對草業科學管理程序的異化。因此，需要通過對草業信息學的闡述，來認知草業信息維特征。草業信息學在草業科學的基本理論與技術的基礎上，對草業系統采用數據庫技術、遙感技術、地理信息系統、專家系統、決策支持系統等現代信息技術的集成和應用，主要包括草業信息的數字化與可視化表達、處理、分析、集成和應用等方面。草業信息學主要包括草業信息采集、信息處理與模擬模型、草業信息基礎數據庫、草業資源管理信息系統、草業遙感技術、草業地理信息系統、草業決策支持系統、草業專家系統、精確草業與數字草業和草業信息網絡與服務系統等12個部分，為定量研究草地生態系統中土-草-畜-市場之間的互作關系及草業生產、經營管理、科學研究和技術推廣，提供新的管理技術和傳播途徑，促進草業的持續發展和數字化與可視化管理。

圖1 信息系統在草業科學管理中的地位

草業信息學的基本結構體現其主要內容之間的關系(圖2)。草業信息學是在重點介紹信息技術與信息科學基本內容的基礎上，闡述草業信息的研究領域，數據庫技術、三維可視化技術、草業信息遙感監測技術、草業空間信息管理技術、草業系統數理模擬技術、草業信息系統開發技術、基于人工智能的草業專家系統技術、草業決策支持系統技術、草業信息服務技術、數字草業技術等方面的關鍵技術，以及草業信息學的作用與應用。

圖2 草業信息學主要研究內容及關系

3 草業信息學主要研究內容

草業信息學是草業科學的重要分支學科，它通過上述現代信息技術，對草業資源與管理系統加以數字化與可視化表達、處理、分析、集成和應用等。主要通過以下步驟達到對草業連綴與規整的作用。

3.1草業信息采集技術 依據草業信息的特點與類型，草業信息外業觀測與采集技術主要包括地形與地貌信息的采集、基于全球定位系統(GPS)技術的地理位置信息的采集、氣候信息的采集、土壤信息的采集、生物信息(草地及家畜等)的采集、人文信息(社會經濟與人類活動等)的采集、其他草地生態環境監控信息的采集和基于互聯網(internet)和遙感(RS)技術的草業信息采集技術等。

3.2草業信息統計分析 針對不同的數據類型及研究目標，通常需要采用不同的統計分析方法。這部分內容包括屬性數據的常用統計分析方法、數據結構及軟件(如SAS和SPSS等)，與地理位置相關的屬性數據的地統計學方法，如整體空間插值分析方法和局部空間插值分析方法[7-9]，針對多目標規劃的方法，如線性規劃、非線性規劃、多目標規劃和不確定性多目標規劃等[10-12]。

3.3草業信息模擬模型 主要內容有草業模擬模型的特征與功能,包括草業模擬模型的概念、特征、草業模擬模型的功能；草業系統模擬的原理與技術,包括系統分析方法、機理性與經驗性的關系、模擬研究的尺度、析因方法與系數化、遺傳參數、模型開發環境與工具、構件化程序設計等；草業模擬模型的研制步驟，包括模型選擇與系統定義、資料獲取與算法構建、模塊設計與模型實現、模型檢驗與改進；草業模擬模型基本算法構建，包括牧草生長發育的模擬、草地凈初級生產力的模擬、草地生物量與可食牧草產量的模擬、草地生態服務價值的模擬、草地生態補償價值的模擬、草地養分效應的模擬、草地水分效應的模擬、草畜平衡動態的模擬等；草業模擬模型的應用，包括草業模擬模型的應用領域、模擬模型與其他技術的耦合。

3.4草業信息基礎數據庫建設 主要內容有草業數據庫的概念與特征；草業數據庫建設與應用，包括草業信息基礎數據庫的設計、數據內容、分類及編碼、數據庫的建立方法(如關系型數據庫標準語言SQL、MicroSoft Access等)；數據庫的維護與更新；數據標準化與規范化；現有草業數據庫簡介以及草業數據庫的應用等。

3.5草業遙感技術 內容為草業遙感原理與發展動態，包括草業遙感的定義、草業遙感的作用、草業遙感的發展動態。草業遙感原理，包括電磁波和電磁波譜、太陽輻射與大氣窗口、地物波譜特征、彩色合成原理、物候學與遙感最佳時相的選擇等；草業遙感方法，包括地面遙感試驗研究、空間遙感數據處理方法、植被指數模型等；草業遙感應用，包括草業資源遙感調查、草地植被長勢監測與估產、草業災害監測與評估等。

3.6草業地理信息系統 主要內容有地理信息系統(GIS)的基本概念與特征；地理信息系統的構成與功能；地理信息系統的基本原理與軟件，包括地理信息系統的基本原理、地理信息系統軟件、GIS與RS及GPS的集成技術；草業地理信息系統的研制，包括草業地理信息系統的研制流程、地理信息系統平臺、草業地理信息系統的二次開發、草業地理信息系統研制實例；草業地理信息系統的應用，包括草業地理信息系統應用領域、草業地理信息系統與其他技術的結合[6-9]。

3.7草業資源管理信息系統 主要內容有草業管理信息系統的概念與特征，包括管理信息系統的概念、草業管理信息系統的組成、草業管理信息系統的發展、草業管理信息系統的特征；草業管理信息系統的研制與應用，包括草業管理信息系統的開發流程、草業管理信息系統的設計與實施、草業管理系統的應用實例[13]。

3.8草業決策支持系統 主要內容有決策支持系統的概念與功能，包括決策支持系統的基本概念、決策支持系統的產生、發展及功能；草業決策支持系統的類型與結構,包含草業決策支持系統的類型、基于牧草生長模型的決策支持系統、基于知識規則的草地管理決策支持系統、基于知識模型的草地管理決策支持系統、基于知識模型和生長模型的草畜管理決策支持系統等；草業決策支持系統的開發技術,包括草業決策支持系統開發的關鍵技術、草業決策支持系統的設計與開發；主要草業決策支持系統及其應用，包括基于生長模型、知識規則、知識模型的草地管理系統，專家系統與生長模型、知識模型相結合的草地管理決策支持系統等[14-15]。

4 信息維對草業科學的連綴與規整

信息維是草業系統的神經網絡。通過上述草業信息學方法，將草業的各個生產板塊加以連綴，構建草業系統并置于有序運轉軌道。在其系統連綴和系統運轉流程中，不斷進行信息的收集和處理，對系統發出指令、依據信息反饋加以調控。

這一復雜過程的前提是草業數字化。在草業數字化的基礎上，結合全球定位系統和遙感技術、數字地球的草業響應、智能化草業機械裝備技術、數字草業技術體系等，最終構建草業專家系統。其中包括草業知識獲取、表達、知識庫與模型庫的構建、系統調試與修改等。專家系統一旦形成，草業系統就納入信息維的全盤監護之下。其主要功能為草業信息的咨詢服務，包括草業資源信息檢索、牧草病害診斷、草地類型信息處理與鑒別、智能學習與遠程教學、草業物流服務(物流信息發布與物流管理、電子商務)、草地長勢監測與估產信息服務(草業信息咨詢服務(專家咨詢、在線服務)、草地自然災害監測與預警信息服務、草畜平衡決策支持和技術咨詢服務、草地生態環境污染監測與評價信息服務等。

專家系統是信息技術與草業系統交互融合的最高形態。它使人們能夠精密掌控草業系統各個分量，對系統內部各個板塊運行實時監測，發出指令，刪除其冗余，補充其不足，調控其結構[14-16]。信息維對草業系統的整合作用無所不在。在對草業科學信息維認知基礎上，采用草業信息學手段，研究草業信息的獲取、表達、處理、分析、綜合集成等方法，實現草業信息的數字化、可視化與集成化管理系統，對促進草業科學的連綴與規整具有重要意義。

5 結束語

信息維不僅是草業科學四維特征之一，也是草業科學現代化的神經網絡。信息維是信息學針對草業科學管理程序的異化。通過明晰草業信息學的體系結構、主要研究內容及其之間的關系，對認知草業信息維特征具有重要意義。

信息是現代草業構建和發展的必要條件。草業信息學是草業科學的重要分支學科，是探究草業各個因子群、各個界面、各個生產層而建立的眾多板塊之間的信息認知、采集、處理、流通、反饋、調控的科學。草業信息學主要研究內容包括草業信息采集技術、草業信息統計分析、草業信息模擬模型、草業信息基礎數據庫建設、草業遙感技術、草業地理信息系統、草業資源管理信息系統、草業決策支持系統等。專家系統是信息技術與草業系統交互融合的最高形態，信息維對草業科學具有重要的連綴與規整作用。

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