基于遙感與 GIS 的智慧生態畜牧業生產模式研究

李積雲 胡永強 牛青松 丁紅

摘 要：本研究采用野外定位試驗和室內分析相結合的方法，利用“3S”技術， 對研究區生態環境遙感監測進行研究，建立各要素遙感信息監測模型，實 時監測生態環境要素現狀，構建資源環境信息數據庫。通過生態環境評價，合理區劃宜牧地區，為政府和有關部門全面掌握研究區生態環境狀況，為 生態養畜信息化、智能化提供基礎數據。基于基礎數據庫，建立數學模型， 智能優化及數值計算技術，給出科學的草場劃分方案、理清種群的支配關 系，確定合理的牲畜結構和數量，為科學發展地區畜牧業提供信息和技術支持。采用抽樣的方式，為部分牲畜安裝信息收集芯片，通過建立物聯網 收集生長信息，調整飼料的成分及數量，建立基于物聯網的精細化放牧和養殖的方案。

關鍵詞：“3S”技術;遙感監測;數學模型;養殖方案

一、背景

近年來，隨著社會經濟的快速發展，我國資源環境形勢日益嚴峻，資源短缺與生態環境惡化趨勢尚未得到逆轉，環境污染仍在加重，生態系統退化依然嚴重，生態環境問題更加復雜化，區域的可持續發展面臨新的挑戰與新的問題。

青海湖是我國最大的內陸湖泊，其流域屬于全球氣候變化的敏感地區 和生態系統的典型脆弱地區，也是世界生物多樣性保護的重要場所和世界 著名的濕地和自然保護區。青海湖流域處于我國東部季風區、西北部干旱 區和青藏高寒區的交匯地帶，具有明顯的大陸性氣候特點，青海湖巨大的湖體及湖周豐茂的草地植被不僅控制和調節湖區流域的生態環境，而且還是一個控制我國西部荒漠化向東蔓延的天然屏障。近幾十年來，由于受全球氣候變暖等自然因素和過度放牧、開墾草地等人為因素的影響，青海湖流域生態環境不斷惡化，湖水位下降、濕地萎縮、土地沙漠化面積不斷擴 大，草地退化日趨嚴重，草地鼠、蟲災害頻繁，魚、鳥共生系統遭到破壞， 珍稀瀕危野生動物面臨威脅，使本已十分脆弱的生態環境變得更加脆弱， 直接影響到流域、青海省乃至西北地區生態和資源安全，進而影響到西北 地區、青藏高原地區人民的生活、生產。因此，研究青海湖周邊牧區的生 態環境、優化畜牧業結構是十分必要的。

二、技術路線

通過遙感技術、物聯網技術和實地監測獲取生態環境和環境信息 數據，構建資源庫;然后利用數據庫構建高原草甸草生長與消耗動態模型、飼養規模相關的數學模型，設計實現放牧、禁牧和游牧方案;最后設計應 用系統軟件平臺，根據監測到各類數據庫提出智慧放牧的方案，并在實驗 區實施和推廣。

三、研究內容

（1）研究區生態環境要素遙感本底調查

通過野外調查，結合研究區土地利用類型圖、土壤植被分布圖、基礎地理信息，建立遙感解譯標志，對輻射糾正、幾何糾正后的 Landsat-8 和 GeoEye 遙感影像進行土地利用分類，從而準確掌握草地、森林，水文等生態環境要素空間分布及其數量，徹底摸清 2000、2010、2015 年該區生態環境要素本底數據。

（2）研究區生態環境要素遙感監測研究

借助野外實測生態環境要素光譜數據，結合遙感解譯標志，對經過圖像預處理的多源遙感影像，進行遙感反演研究，建立適合不同生態環境要素遙感反演算法，構建草地、森林、水文等生態環境要素遙感監測模型，實時監測生態環境要素質量及其變化。

（3）構建生態環境質量評價指標體系

運用區域生態環境質量評價體系理論，結合青海湖地區生態環境特點，利用層次分析法，建立適合該區生態環境質量遙感評價指標體系， 合理區劃宜牧地區，為生態養畜信息化、智能化提供基礎數據。

（1）數據庫結構設計

基礎地理信息系統數據庫

該數據庫包括行政區劃數據、地形要素數據、數字高程模型數據。行政區劃數據包括：研究區各鄉鎮級行政區劃圖。

生態環境數據庫

包括草場資源信息數據庫，水資源信息數據庫，土地資源信息數據庫，氣候資源信息數據庫，生物資源信息數據庫，土壤資源信息數據庫。

社會經濟數據庫

以歷年的各級統計年鑒或年報為基礎數據源，結合野外調研，建立社會經濟基本信息（ 數據信息、圖像信息和文字信息）。建立的子庫有： 牧業數據庫（飼料儲備基地、育肥基地等、牲畜種類、數量等）、農業數據庫、人口數據庫。

遙感影像數據庫

遙感影像數據庫包括 GeoEye 高分辨率影像數據、LandSat-8 多光譜影像數據，MODIS 中分辨率影像數據。

災害信息數據庫該數據庫

包括 2 個子數據庫：氣象災害數據庫、洪澇災害數據庫。

（2）數據庫系統功能設計

數據處理與管理子系統

該系統實現各級各類數據的收集、存儲、輸入、輸出，以及各類信息數據結構的制定，并對所有系統及系統中所有的數據進行有效的管理，確保系統的安全運行和數據的安全管理，主要包括數據錄入、數據編輯、數據管理與組織、數據顯示輸出等模塊。

數據查詢子系統

該系統為用戶提供系統各類數據的查詢、統計比較功能，通過該系統用戶可以查詢檢索不同來源及不同格式的各種空間與屬性數據，包括位置查詢、圖形查詢、坐標查詢、屬性查詢、按區域（縣、鄉） 查詢等， 將查詢結果以報表和圖片等格式輸出。

空間分析子系統

該系統為用戶提供對生態環境數據的分析、信息挖掘和模型演示等，是生態環境數據庫系統的主體，包括以下 3個子系統。

A.生態環境監控與評價系統

利用遙感資料和部門統計數據，根據各生態環境要素的反演模型， 對研究區內自然條件（ 地貌、水系、植被等） 、資源（草地資源 ?土地資源、水資源、土壤資源） 、生態環境變化進行監測和數據更新，根據數據庫綜合數據和評價模型對生態環境及其變化進行評價，依據評價結果，合理規劃宜牧地區，輪牧地區、禁牧地區，為政府和有關部門全面掌握研究區生態環境狀況，為生態養畜信息化、智能化提供基礎數據。

B.應急輔助決策支持系統

當發生雪災等大規模災難性事件時，根據遙感積雪監測的結果、交通狀況、飼料儲備基地、通過空間網絡分析，借助 Dijkstra 算法，為車輛救援，牲畜轉移提出解決方案，為政府相關部門提供輔助決策支持。

C.宏觀決策支持系統

通過對生態環境進行適時動態監測、直觀顯示和統計分析，建立決策模型庫和專家知識庫，為政府資金安排、區域政策制定、干部考核提供客觀數字依據和分析評估，為政府實施宏觀調控和政府資源配置提供參考。

（3）環境信息系統集成

基于微軟 C#開發平臺，利用 GIS 組件與面向對象編程技術，根據ArcSDE+SQLServer2005+ASP.NET 的數據庫構建理論，構建生態環境信息系統。

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