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        現(xiàn)代數(shù)字草業(yè)技術(shù)

        2018-09-25 08:05:24辛?xí)云?/span>
        民主與科學(xué) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:草業(yè)草地動(dòng)態(tài)

        辛?xí)云?/p>

        數(shù)字草業(yè)技術(shù)本身只是個(gè)手段,通過促進(jìn)草業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展來帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力進(jìn)步、提高經(jīng)濟(jì)效益,才是草業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用的最終目的,只有通過推廣應(yīng)用才能完成草業(yè)管理技術(shù)創(chuàng)新的整個(gè)過程。

        一、數(shù)字草業(yè)

        數(shù)字草業(yè)是數(shù)字農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要分支,是在數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范框架下,利用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建面向草地現(xiàn)代化管理的數(shù)字技術(shù)和理論框架,數(shù)字草業(yè)集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、空間信息技術(shù)、草業(yè)科學(xué)與生態(tài)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科,對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)各要素(環(huán)境要素、生物要素、經(jīng)濟(jì)要素等)及其重要過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、模擬、管理與控制。數(shù)字草業(yè),在宏觀上進(jìn)行區(qū)域草業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估,為草業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策支持:在微觀上通過專家系統(tǒng)和知識(shí)工程建設(shè),進(jìn)行草地生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理與控制,最大限度地優(yōu)化生產(chǎn)投入、產(chǎn)量和效益。

        我國(guó)草地面積近400萬平方公里,擁有世界上最豐富的草地類型和牧草品種資源。由于長(zhǎng)期超載過牧、粗放經(jīng)營(yíng)以及氣候和其他因素的影響,我國(guó)草原生態(tài)退化達(dá)90%以上,近20年來平均產(chǎn)草量下降了20%~50%,導(dǎo)致了大面積的沙塵暴、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題。近年來雖然啟動(dòng)了退牧還草、天然草原保護(hù)等重大工程,但由于草地信息難以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取,草地生產(chǎn)過程缺乏科學(xué)管理和動(dòng)態(tài)調(diào)控,草地保護(hù)和建設(shè)工程缺乏技術(shù)支撐,因此草地退化形勢(shì)仍相當(dāng)嚴(yán)峻。數(shù)字草業(yè)技術(shù)是現(xiàn)階段提高我國(guó)草業(yè)經(jīng)營(yíng)效率、保持草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保障。

        二、國(guó)際數(shù)字草業(yè)技術(shù)發(fā)展

        數(shù)字草業(yè)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)50年代,以信息化為標(biāo)志的第三次產(chǎn)業(yè)革命給各行業(yè)提供了創(chuàng)新的契機(jī),信息技術(shù)的應(yīng)用不僅改變了傳統(tǒng)的草地生態(tài)系統(tǒng)管理思想,而且引發(fā)了以知識(shí)為基礎(chǔ)的草業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命。近半個(gè)世紀(jì)以來,歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在其現(xiàn)代化草畜生產(chǎn)體系基礎(chǔ)上,建立了完善的數(shù)字草業(yè)技術(shù)體系??偟膩碚f大致經(jīng)歷了三個(gè)階段:20世紀(jì)50~60年代以科學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算為主的計(jì)算機(jī)應(yīng)用階段:70~80年代以數(shù)據(jù)處理、模型模擬和知識(shí)處理為主的研究階段:90年代以來以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”技術(shù)、智能控制等應(yīng)用為主的智能草業(yè)信息化管理階段。

        草地生態(tài)系統(tǒng)模擬是數(shù)字草業(yè)的基礎(chǔ),包括草業(yè)統(tǒng)計(jì)模型、系統(tǒng)生長(zhǎng)模型和區(qū)域仿真模型。草業(yè)統(tǒng)計(jì)模型主要包括根據(jù)草地農(nóng)業(yè)及其集約化管理相關(guān)經(jīng)驗(yàn)建立的草地生產(chǎn)/經(jīng)濟(jì)模型及附屬數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。草地生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)模型根據(jù)土壤一大氣一植物一動(dòng)物相互作用的生理生態(tài)學(xué)原理,研究草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益,如應(yīng)用人工草地產(chǎn)量模擬的EPIC模型,以及用于天然草地和永久性人工草地的GrassGro等。區(qū)域仿真模型如CENTURY草地生態(tài)系統(tǒng)模型,把植物生長(zhǎng)看成環(huán)境因子的函數(shù),描述區(qū)域草地植被生理生態(tài)功能、物理環(huán)境與植物之間的物質(zhì)循環(huán),可以與大氣環(huán)流模式(GCM)相耦合,有利于開展區(qū)域或全球尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)研究。作為主要的陸地生態(tài)系統(tǒng),區(qū)域尺度草地生態(tài)系統(tǒng)模擬技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展,為數(shù)字草業(yè)奠定了理論基礎(chǔ)。

        草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是數(shù)字草業(yè)的核心內(nèi)容,包括草地資源調(diào)查,草地環(huán)境信息動(dòng)態(tài)更新,草地生產(chǎn)、生態(tài)、災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)與評(píng)估等。20世紀(jì)中葉,蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就基于航空遙感開展了國(guó)家和洲際尺度的土地資源調(diào)查。20世紀(jì)70年代后,國(guó)際自然保護(hù)監(jiān)測(cè)中心(CMC)、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(GEMS)等全球性自然資源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)開展了植被資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。隨著遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)到數(shù)字化監(jiān)測(cè)的飛躍,利用不同遙感平臺(tái)、不同類型的傳感器開展了大量草地生產(chǎn)力估算、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、退化監(jiān)測(cè)等方面的理論研究與技術(shù)探索。伴隨著傳感器制造技術(shù)的發(fā)展,傳感器識(shí)別能力迅速提高,草地監(jiān)測(cè)指標(biāo)由生物量、覆蓋度等簡(jiǎn)單綠度表觀指標(biāo)轉(zhuǎn)向草地質(zhì)量、健康狀況診斷等“質(zhì)量”指標(biāo),特別是在草地遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方面,過去在低分辨率遙感數(shù)據(jù)影像上影跡模糊、監(jiān)測(cè)困難的細(xì)小植株,在新一代“高分”遙感數(shù)據(jù)的影像上變得清晰可見,大大拓寬了草地資源監(jiān)測(cè)的范圍。

        草業(yè)管理專家系統(tǒng)與決策支持是數(shù)字草業(yè)技術(shù)的集成應(yīng)用,是在豐富的知識(shí)積累、科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法、系統(tǒng)模擬與仿真技術(shù)基礎(chǔ)上,針對(duì)實(shí)用草地生產(chǎn)管理問題開發(fā)的管理應(yīng)用信息系統(tǒng)(MIS)、專家系統(tǒng)(ES)和決策支持系統(tǒng)(DSS)等。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)目前正在使用或準(zhǔn)備使用的農(nóng)牧業(yè)專家系統(tǒng)超過1000個(gè),美國(guó)48%的農(nóng)牧民擁有互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),專家系統(tǒng)是日常生產(chǎn)中的主要應(yīng)用技術(shù);澳大利亞、新西蘭等畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家,數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用已深入到草業(yè)生產(chǎn)、管理、市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié),澳大利亞40%以上的家庭牧場(chǎng)應(yīng)用專家決策支持系統(tǒng)來進(jìn)行草地放牧系統(tǒng)管理和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。隨著草業(yè)管理專家系統(tǒng)和軟件技術(shù)的發(fā)展,各種用于科研和生產(chǎn)的草地?cái)?shù)字化管理、決策支持硬件技術(shù)產(chǎn)品也得以迅速發(fā)展,如草地群體蓋度無損傷測(cè)量?jī)x器First Growth,草地生產(chǎn)速率無損傷測(cè)量?jī)x器Raising Plate,以及裝載了各種決策支持信息的掌上電腦等。

        三、我國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)進(jìn)展

        我國(guó)數(shù)字草業(yè)起步較晚。在草地生態(tài)系統(tǒng)模擬和決策支持方面,我國(guó)學(xué)者開發(fā)了一批草業(yè)生產(chǎn)模型,包括草地生物量和生產(chǎn)力的估算模型、草地利用模型和載畜量與草畜平衡模型、天然草地一家畜系統(tǒng)仿真和優(yōu)化管理模型、栽培牧草生長(zhǎng)過程模型研究等,并基于模型研究和軟件技術(shù)開發(fā)了一批專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng),進(jìn)行天然和人工草地生長(zhǎng)、生產(chǎn)及田間管理系統(tǒng)模擬和決策支持。草地遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)從“六五”開始起步,也取得了一系列的研究進(jìn)展,特別是近10多年來在草地生產(chǎn)力估算、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)退化監(jiān)測(cè)等方面已經(jīng)取得了很多成果,使得草地資源遙感技術(shù)在準(zhǔn)確性、實(shí)用性方面取得了很大的進(jìn)展。

        我國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)研究在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息化、草業(yè)資源環(huán)境調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、草地生產(chǎn)系統(tǒng)模擬與決策支持等方面取得了迅猛發(fā)展,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距仍然較大,集中表現(xiàn)在數(shù)字草業(yè)技術(shù)市場(chǎng)化程度低、不規(guī)范,產(chǎn)品級(jí)的技術(shù)開發(fā)薄弱等,這些都直接或間接地影響到我國(guó)草業(yè)科學(xué)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和草業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的提高。針對(duì)中國(guó)草業(yè)發(fā)展的需求,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源區(qū)劃所等自1998年開始現(xiàn)代數(shù)字草業(yè)理論與技術(shù)的研究、推廣與示范,研制了“中國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺(tái)”,完成了草地信息采集、更新、監(jiān)測(cè)和決策服務(wù)等一套完整的理論和技術(shù)集成體系。

        “中國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺(tái)”是在新興學(xué)科背景下科學(xué)問題驅(qū)動(dòng)的技術(shù)研究,是在新興信息技術(shù)及其理論指導(dǎo)下,緊密結(jié)合當(dāng)前主流信息技術(shù)、草業(yè)管理專業(yè)理論的最新進(jìn)展,將先進(jìn)的理論和技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)草業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐中,探索草業(yè)數(shù)字化監(jiān)測(cè)和管理關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)科學(xué)問題與假設(shè),提煉出我國(guó)現(xiàn)代數(shù)字草業(yè)理論與技術(shù)框架,可歸納為草業(yè)數(shù)據(jù)與信息、數(shù)字草業(yè)理論與技術(shù),以及不同目標(biāo)的技術(shù)應(yīng)用等三個(gè)層面。

        數(shù)據(jù)與信息層面,“中國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺(tái)”制定了草業(yè)資源信息數(shù)據(jù)庫(kù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn):分析了草業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)采集、保存、處理、質(zhì)量管理等方面的特征,建立了草業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),完成了天然草地科學(xué)觀測(cè)、人工草地科學(xué)實(shí)驗(yàn)、草業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)、草原區(qū)生態(tài)背景、草業(yè)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等五個(gè)主體數(shù)據(jù)庫(kù)69個(gè)數(shù)據(jù)集的整理與標(biāo)準(zhǔn)化:借鑒開放網(wǎng)格服務(wù)體系OGSA標(biāo)準(zhǔn),提出了適合草地?cái)?shù)字化管理應(yīng)用的數(shù)據(jù)構(gòu)架方式,結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),構(gòu)建了草地科學(xué)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

        理論與技術(shù)層面,“中國(guó)數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺(tái)”針對(duì)天然草地、人工草地在管理上存在的問題與需求,在草地?cái)?shù)字化管理理論與方法研究的基礎(chǔ)上,對(duì)草業(yè)生產(chǎn)流程不同環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)、管理問題進(jìn)行抽象和歸納,提煉出了草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(人工草地、天然草地、草地一家畜系統(tǒng))數(shù)字化管理的理論、方法與模型,并通過專業(yè)理論與信息技術(shù)集成開發(fā)了一批數(shù)字草業(yè)技術(shù)應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和硬件產(chǎn)品。

        天然草地監(jiān)測(cè)管理應(yīng)用方面,建立了高精度草地生產(chǎn)力遙感監(jiān)測(cè)模型、多尺度草畜平衡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷模型、草地一家畜生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型研究:通過擴(kuò)展草地監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)模型,設(shè)計(jì)了草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理的AO模型,完成了天然草地監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)平臺(tái)開發(fā),實(shí)現(xiàn)了草地生產(chǎn)力、長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)草量、旱災(zāi)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、草畜平衡動(dòng)態(tài)診斷與多方案管理決策支持,也可以針對(duì)不同類型、不同層次的最終用戶提供專門的產(chǎn)品級(jí)定制服務(wù)。

        人工草地管理決策應(yīng)用方面,構(gòu)建了人工草地生長(zhǎng)與產(chǎn)量管理模型、牧草適宜性評(píng)價(jià)GI S模型、田間管理診斷模型等研究。在上述模型與方法基礎(chǔ)上,采用全組件式的軟件結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)了人工草地管理與智能決策平臺(tái),平臺(tái)可從品種選擇、栽培技術(shù)、病蟲害診斷與防治、水分診斷與灌溉決策、生長(zhǎng)過程模擬、產(chǎn)量與效益預(yù)測(cè)等方面,全方位進(jìn)行人工草地生產(chǎn)管理的智能決策,并支持應(yīng)用系統(tǒng)定制、數(shù)據(jù)分發(fā),能夠與專業(yè)分析模塊和其他應(yīng)用系統(tǒng)集成;同時(shí),基于移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù),開發(fā)了人工草地引種與智能管理掌上平臺(tái)。

        草畜動(dòng)態(tài)模擬與管理應(yīng)用方面,建立了中國(guó)溫帶草原一家畜模擬和動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了非牧狀態(tài)下草地生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)精確模擬,評(píng)估不同載畜壓力、不同利用模式(輪牧、休牧)對(duì)草地生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)的影響,進(jìn)行家庭牧場(chǎng)尺度的草畜生產(chǎn)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化管理和動(dòng)態(tài)調(diào)控。

        我國(guó)在草業(yè)信息化技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了很多進(jìn)展,為我國(guó)草業(yè)信息化、科學(xué)化、現(xiàn)代化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但數(shù)字草業(yè)技術(shù)本身只是個(gè)手段,通過促進(jìn)草業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展來帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力進(jìn)步、提高經(jīng)濟(jì)效益,才是草業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用的最終目的,只有通過推廣應(yīng)用才能完成草業(yè)管理技術(shù)創(chuàng)新的整個(gè)過程。

        四、數(shù)字草業(yè)前景展望

        目前,國(guó)際信息技術(shù)進(jìn)入以網(wǎng)絡(luò)化、空間化、智能控制為主的全面信息化階段,數(shù)字化技術(shù)趨于硬件化、實(shí)用化、產(chǎn)品化,根據(jù)我國(guó)國(guó)情和草業(yè)生產(chǎn)發(fā)展水平,數(shù)字草業(yè)理論與技術(shù)表現(xiàn)出空間化、精確化、自動(dòng)化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)。

        草地監(jiān)測(cè)技術(shù)空間化:我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域遼闊、自然條件復(fù)雜,草業(yè)生產(chǎn)問題具有多時(shí)間、多空間尺度變化特點(diǎn),基于多平臺(tái)遙感的監(jiān)測(cè)技術(shù)是滿足草地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取的必要手段。

        草業(yè)生產(chǎn)過程精確化:不同尺度上草畜過程管理決策支持的要求不同,但結(jié)合植被生長(zhǎng)發(fā)育過程、草地一家畜相互作用機(jī)理的生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型是草業(yè)數(shù)字技術(shù)的前沿領(lǐng)域,結(jié)合遙感定量反演、數(shù)據(jù)與模型同化,為實(shí)現(xiàn)可控尺度上的精確化生產(chǎn)控制提供工具。

        草業(yè)生產(chǎn)管理控制自動(dòng)化:人工智能是信息領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一,應(yīng)用人工智能進(jìn)行田間管理參數(shù)的獲取與識(shí)別,將大大提高草業(yè)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化程度。

        草業(yè)信息技術(shù)集成化:信息技術(shù)對(duì)草業(yè)發(fā)展重要的幫助之一是遠(yuǎn)程信息通訊。具有網(wǎng)絡(luò)支持的移動(dòng)存儲(chǔ)平臺(tái)將彌補(bǔ)電信基礎(chǔ)設(shè)施條件帶來的不便,提供更加便捷的服務(wù)。

        責(zé)任編輯:周立新 馬莉莎

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