王偉強(qiáng)+汪傳建+余曉平+文春雷+張雅+孫世澤

摘要：現(xiàn)有的牧群追蹤系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了牧群位置實(shí)時(shí)顯示、歷史軌跡查詢和圍欄報(bào)警功能，已無法滿足草地畜牧管理部門對于牧場放牧強(qiáng)度和牧群采食情況監(jiān)測等功能的更高需求。針對上述問題，結(jié)合草地科學(xué)理論與空間分析方法，提出基于放牧?xí)r空軌跡數(shù)據(jù)的牧群采食量分布模型和牧場放牧強(qiáng)度監(jiān)測方法。在已建立的物聯(lián)網(wǎng)位置服務(wù)平臺基礎(chǔ)上，集成WebGIS空間分析技術(shù)與可視化技術(shù)，建立了物聯(lián)網(wǎng)牧群軌跡數(shù)據(jù)采集與WebGIS時(shí)空數(shù)據(jù)分析的放牧監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了牧群位置地圖顯示、牧場放牧強(qiáng)度監(jiān)測、牧群采食量分布監(jiān)測3個(gè)功能。以新疆天山北麓牧場為案例對系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)牧群位置信息、牧場放牧強(qiáng)度信息、牧群采食量分布信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可為相關(guān)管理部門對放牧信息的監(jiān)測提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：放牧；監(jiān)測；采食量；放牧強(qiáng)度；WebGIS；北斗/GPS；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號： S127；S126；TP79文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0202-05

新疆是我國的五大牧場之一，擁有發(fā)展畜牧業(yè)得天獨(dú)厚的條件。目前，全疆有牧業(yè)縣和半牧業(yè)縣87個(gè)，從事牧業(yè)人口138萬人，占農(nóng)村總?cè)丝?2.6%；現(xiàn)有天然草場57萬km2，牧場130個(gè)[1]。但新疆天然草地資源利用情況很難被實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測。新疆天然牧場大多位于高山、丘陵地帶，交通和通信設(shè)施非常落后。牧民和牧群進(jìn)入牧場后，由于缺乏固定電話、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)等通信聯(lián)絡(luò)方式，牧民與外界的聯(lián)系基本中斷，牧主與草地畜牧管理部門無法實(shí)時(shí)掌握和監(jiān)控牧民的放牧行為。對于牧主來說，他們很難評估牧民的放牧行為是否合理，是否充分利用了牧場資源，是否及時(shí)轉(zhuǎn)場等；對于畜牧管理部門來說，牧民是否在規(guī)定的牧場放牧，是否越過了禁牧區(qū)，牧場的載畜量能否滿足放牧需求等，這些問題在很大程度上影響了畜牧管理部門實(shí)施劃區(qū)輪牧[2]、退牧還草、圍欄封育、草原生態(tài)補(bǔ)償?shù)忍烊徊莸亟ㄔO(shè)項(xiàng)目的科學(xué)決策。因此，研發(fā)一種放牧監(jiān)測系統(tǒng)用于快速、大規(guī)模、低成本地監(jiān)測牧民的放牧行為、牧場的放牧強(qiáng)度和牧群的采食情況，對促進(jìn)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)與草地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值[3-4]。

20世紀(jì)90年代以來，學(xué)者們將全球定位系統(tǒng)（global positioning system，簡稱GPS）技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到草地畜牧業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了位置信息的采集、分析和可視化。Kawamura等采用GPS項(xiàng)圈以一定時(shí)間間隔記錄牧群軌跡，并將軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)器上，待傍晚趕牲畜回畜圈時(shí)，取下定位項(xiàng)圈，再通過USB數(shù)據(jù)線將軌跡數(shù)據(jù)同步至計(jì)算機(jī)中[5-7]。該方法雖然可以滿足學(xué)者們對牧群軌跡數(shù)據(jù)采集的需求，但人工逐一同步數(shù)據(jù)不僅大大增加了信息采集人員的工作量，而且無法滿足畜牧管理部門與牧主對牧群實(shí)時(shí)定位的需求。

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡稱GIS）技術(shù)、無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者們將通用分組無線服務(wù)（general packet radio service，簡稱GPRS）技術(shù)[8]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（internet of things）[9]、GIS技術(shù)與北斗/GPS技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測與可視化顯示[10-11]。Henkin等為了研究在丘陵地區(qū)中地形因素對牛覓食行為的影響，采用LOTEK 2200系列GPS項(xiàng)圈（Lotek Engineering，Newmarket，ON，Canada）以時(shí)間間隔為5min記錄牧群的軌跡信息，并對不同季節(jié)不同放牧強(qiáng)度下的放牧軌跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)牛群喜歡在地形平坦的地方采食，僅當(dāng)放牧強(qiáng)度趨于飽和或牧草生物量較低時(shí)，才會(huì)在地形較為陡峭的區(qū)域采食[12]；Pérez-Barbería等采用GPS項(xiàng)圈（LOTEK GPS3300）1 h記錄1個(gè)綿羊群和馬鹿群位置數(shù)據(jù)，結(jié)合徑向基函數(shù)理論，提出1種同域物種運(yùn)動(dòng)行為驅(qū)動(dòng)因素的狀態(tài)空間模型，以深入了解動(dòng)物間相互影響及其復(fù)雜的合作與競爭行為[13]。陳俊研發(fā)1種基于GPS與GIS的衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)接收、解析并存儲(chǔ)牧群位置數(shù)據(jù)，并結(jié)合WebGIS技術(shù)、Web Services技術(shù)與Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)了牧群的位置實(shí)時(shí)顯示、歷史軌跡查詢和電子圍欄報(bào)警等功能[14]；成志龍通過Google Earth與Access 數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)研發(fā)了1種基于GPS/GPRS羊群定位追蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了牧群位置信息實(shí)時(shí)顯示與歷史軌跡查詢功能[15]。

以上研究工作主要是通過購買國外的定位項(xiàng)圈終端實(shí)現(xiàn)牧群定位，并結(jié)合WebGIS技術(shù)研發(fā)牧群定位平臺來實(shí)現(xiàn)牧群實(shí)時(shí)位置顯示、歷史軌跡查詢和電子圍欄報(bào)警等功能。這些研究存在以下局限性：（1）現(xiàn)有牧群位置服務(wù)平臺主要實(shí)現(xiàn)了上述3種位置服務(wù)功能，鮮有實(shí)現(xiàn)牧場的放牧強(qiáng)度監(jiān)測功能和牧群的采食情況監(jiān)測功能，因而無法滿足草地畜牧管理部門對牧場監(jiān)測的更高要求；（2）主要使用國外的GPS項(xiàng)圈，其設(shè)備成本與后期的服務(wù)費(fèi)用高昂，難以大規(guī)模應(yīng)用。為此，本研究在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，研發(fā)了1種基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監(jiān)測系統(tǒng)。本研究選擇深圳谷米電子有限公司的GT03C定位跟蹤器作為畜群位置數(shù)據(jù)的采集終端，以現(xiàn)有的EXLIVE超越位置服務(wù)平臺作為軌跡數(shù)據(jù)采集平臺。以放牧軌跡為研究對象，針對數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，結(jié)合ArcGIS Server服務(wù)發(fā)布和ArcGIS Javascript API等技術(shù)構(gòu)建放牧監(jiān)測平臺，并以草地學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)格分析、緩沖區(qū)分析、疊加分析等空間分析方法實(shí)現(xiàn)牧場的放牧強(qiáng)度監(jiān)測和牧群的采食情況監(jiān)測等功能。

1系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

1.1基于物聯(lián)網(wǎng)的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)是在現(xiàn)有的EXLIVE超越位置服務(wù)平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建的。EXLIVE平臺是由西安超越軟件有限公司研發(fā)的位置服務(wù)平臺，其特點(diǎn)為多地圖多協(xié)議、服務(wù)免費(fèi)、開放平臺接口。截至目前已接入北斗/GPS位置采集終端總數(shù)約為275.84萬臺。將定位終端部署到牧群上，通過位置終端對牧群位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)對牧群位置信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監(jiān)測平臺的研發(fā)提供了軌跡數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)的3層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，3層體系結(jié)構(gòu)依次為感知層、傳輸層、應(yīng)用層（圖1）。

感知層解決牧群軌跡數(shù)據(jù)獲取問題。將北斗/GPS追蹤項(xiàng)圈部署到牧群中，對牧群的經(jīng)緯度位置、時(shí)間、速度等信息進(jìn)行定時(shí)采集，并按照數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝后傳送到傳輸層。其中，定位終端的選擇是實(shí)現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)采集的重要前提條件之一，由于深圳谷米電子有限公司的GT03C定位跟蹤器具有價(jià)格經(jīng)濟(jì)、功能實(shí)用和系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且該產(chǎn)品的續(xù)航能力、整機(jī)質(zhì)量、工作模式與定位精度等指標(biāo)滿足野外牲畜定位要求，所以選擇該設(shè)備作為牲畜位置數(shù)據(jù)的采集終端。

其終端指標(biāo)詳細(xì)說明如下：該終端定位誤差小于10 m；在定位時(shí)間間隔分別為20 s、3 min工作模式下，可正常工作時(shí)間分別為72、120 h；機(jī)身尺寸為91.5 mm×57.0 mm×37.5 mm（長×寬×高），整機(jī)質(zhì)量為202 g。Hulbert等研究表明，GPS設(shè)備的質(zhì)量與羊的質(zhì)量之比小于2.2%時(shí)，不會(huì)對羊的生理行為與采食行為造成影響[16]。Akasbi等研究表明，記錄時(shí)間間隔越短，所記錄軌跡越近似現(xiàn)實(shí)放牧軌跡[3]。本試驗(yàn)權(quán)衡記錄軌跡和現(xiàn)實(shí)軌跡的擬合度與GPS設(shè)備續(xù)航能力2個(gè)因素，確定記錄時(shí)間間隔為3min。在部署終端時(shí)，將設(shè)置好的GPS定位跟蹤器裝入防雨袋內(nèi)并固定在羊的脖頸上進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，定位項(xiàng)圈如圖2所示。

傳輸層解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程異地傳輸問題。該層通過短信、GPRS/3G移動(dòng)通信網(wǎng)和Internet實(shí)現(xiàn)軌跡數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

應(yīng)用層解決信息處理和人機(jī)交互問題。該層由服務(wù)器等基礎(chǔ)架構(gòu)平臺和Web應(yīng)用程序等軟件平臺構(gòu)成，主要功能是接受各個(gè)定位項(xiàng)圈獲取的牧群軌跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息解析后存入數(shù)據(jù)庫。本研究在應(yīng)用層進(jìn)行WebGIS空間分析技術(shù)的集成，以草地學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合時(shí)空分析技術(shù)，建立牧場放牧強(qiáng)度監(jiān)測方法、牧群采食量分布監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)對放牧信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

1.2基于WebGIS的牧群軌跡數(shù)據(jù)分析

基于WebGIS的牧群軌跡數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WebGIS應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器以及運(yùn)行其上的Web應(yīng)用程序組成（圖3）。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括地理數(shù)據(jù)庫、牧場數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫等。其中，地理數(shù)據(jù)庫記錄牧群軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)、軌跡線數(shù)據(jù)、牧場邊界面數(shù)據(jù)、Lansat-8影像柵格數(shù)據(jù)、歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）柵格數(shù)據(jù)、研究區(qū)高程柵格數(shù)據(jù)、放牧強(qiáng)度專題圖面數(shù)據(jù)、采食量分布柵格數(shù)據(jù)等。牧場數(shù)據(jù)庫主要記錄地面實(shí)測牧草生物量樣方數(shù)據(jù)等。WebGIS應(yīng)用服務(wù)器則是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)地圖顯示、牧場放牧強(qiáng)度分布專題圖制作、牧群采食量分布專題圖制作等各種空間數(shù)據(jù)檢索與分析功能的核心組成，以Web Service空間數(shù)據(jù)接口性提供應(yīng)用服務(wù)[9，17-18]。當(dāng)用戶使用放牧監(jiān)測平臺時(shí)，服務(wù)器針對用戶服務(wù)請求調(diào)用相應(yīng)功能模塊與數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作，并將處理結(jié)果在監(jiān)測系統(tǒng)界面上以專題圖或表的形式顯示。

2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體功能模塊

基于WebGIS的放牧監(jiān)測系統(tǒng)在功能上主要分為放牧行為監(jiān)測、牧場放牧強(qiáng)度監(jiān)測和牧群采食量分布監(jiān)測3個(gè)部分。WebGIS技術(shù)在系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)上都起到了非常重要的作用。放牧行為監(jiān)測功能即實(shí)現(xiàn)牧群位置的實(shí)時(shí)顯示、歷史回放、圍欄報(bào)警，牧場放牧強(qiáng)度與牧群采食量分布的監(jiān)測，是本系統(tǒng)的核心功能部分。其中，放牧強(qiáng)度分布是通過網(wǎng)格分析方法對牧群軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建而成的[3- 5]；牧群采食量分布的監(jiān)測是基于放牧軌跡所記錄的時(shí)間和空間屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)放牧過程的空間分布特征，采用緩沖區(qū)與網(wǎng)格分析方法生成放牧分布，同時(shí)利用模擬采食量計(jì)算方法計(jì)算各個(gè)局部放牧區(qū)域的采食量信息，進(jìn)而得到牧群的采食量分布[11]。

2.2放牧強(qiáng)度分析

放牧強(qiáng)度是單位草地面積在一定時(shí)間內(nèi)放牧家畜的數(shù)量（頭），以單位可食牧草面積上放牧家畜數(shù)量（頭）表示[19]。Kenward研究表明，在對不同樣本個(gè)體數(shù)據(jù)的空間分布進(jìn)行分析時(shí)，網(wǎng)格分析方法是非常有效的手段[20]。因此，采用網(wǎng)格法對定位項(xiàng)圈以3 min為記錄時(shí)間間隔獲得的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而生成牧場的放牧強(qiáng)度分布圖[5]。具體方法如下：首先，對研究區(qū)牧場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其單元格大小需綜合考慮放牧強(qiáng)度分布結(jié)果的細(xì)節(jié)信息與宏觀模式2個(gè)因素，本研究設(shè)定單元格大小為50 m×50 m；其次，對每個(gè)單元格內(nèi)牧群位置點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而生成牧群位置點(diǎn)的頻數(shù)分布；最后，計(jì)算給定時(shí)間范圍的放牧強(qiáng)度（grazing intensity，簡稱GI），計(jì)算方法如下：

式中：DGI為放牧強(qiáng)度，單位為1 km2羊單位（sheep units，簡稱SU）個(gè)數(shù)，SU/km2，其中，1只綿羊?yàn)?個(gè)羊單位，1匹馬為6個(gè)羊單位，1頭牛為5個(gè)羊單位，1只山羊?yàn)?.6個(gè)羊單位[21]；C為單元格內(nèi)位置點(diǎn)的總數(shù)，個(gè)；N為每個(gè)GPS終端代表羊單位的個(gè)數(shù)，例如100只綿羊羊群里面放10臺定位項(xiàng)圈，則N為10；S為單元格面積，km2。

由于ArcGIS Desktop具有強(qiáng)大的空間分析能力，借助模型構(gòu)建器（model builder）可以以流程化的方式構(gòu)建放牧強(qiáng)度分析模型，建模過程如圖4所示。首先采用“創(chuàng)建漁網(wǎng)工具”對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再利用“空間連接工具”對給定時(shí)間范圍軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)與格網(wǎng)進(jìn)行處理，得到給定時(shí)間范圍內(nèi)放牧軌跡點(diǎn)頻數(shù)的空間分布圖，最后使用“添加字段工具”與“計(jì)算字段工具”用公式（1）計(jì)算每個(gè)單元格的放牧強(qiáng)度，進(jìn)而生成牧場的放牧強(qiáng)度分布。2.3牧群采食量分布生成

牧群采食量分布的建模過程主要分為2個(gè)部分：（1）如何根據(jù)放牧軌跡生成放牧分布；（2）如何計(jì)算各個(gè)局部放牧分布的采食量。

放牧分布的生成：如圖5所示，用1個(gè)格網(wǎng)代表研究區(qū)，放牧軌跡由軌跡段Li組成。根據(jù)現(xiàn)實(shí)放牧場景中放牧空間分布呈帶狀區(qū)域特點(diǎn)，采用緩沖區(qū)方法對牧群的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而生成緩沖區(qū)，并通過將其與網(wǎng)格進(jìn)行疊置處理，最后得到相應(yīng)軌跡段的局部放牧分布，其中R是與牧群移動(dòng)方向垂直的方向上的距離。