基于遥感与 GIS 的智慧生态畜牧业生产模式研究

李积雲 胡永强 牛青松 丁红

摘 要：本研究采用野外定位试验和室内分析相结合的方法，利用“3S”技术， 对研究区生态环境遥感监测进行研究，建立各要素遥感信息监测模型，实 时监测生态环境要素现状，构建资源环境信息数据库。通过生态环境评价，合理区划宜牧地区，为政府和有关部门全面掌握研究区生态环境状况，为 生态养畜信息化、智能化提供基础数据。基于基础数据库，建立数学模型， 智能优化及数值计算技术，给出科学的草场划分方案、理清种群的支配关 系，确定合理的牲畜结构和数量，为科学发展地区畜牧业提供信息和技术支持。采用抽样的方式，为部分牲畜安装信息收集芯片，通过建立物联网 收集生长信息，调整饲料的成分及数量，建立基于物联网的精细化放牧和养殖的方案。

关键词：“3S”技术;遥感监测;数学模型;养殖方案

一、背景

近年来，随着社会经济的快速发展，我国资源环境形势日益严峻，资源短缺与生态环境恶化趋势尚未得到逆转，环境污染仍在加重，生态系统退化依然严重，生态环境问题更加复杂化，区域的可持续发展面临新的挑战与新的问题。

青海湖是我国最大的内陆湖泊，其流域属于全球气候变化的敏感地区 和生态系统的典型脆弱地区，也是世界生物多样性保护的重要场所和世界 著名的湿地和自然保护区。青海湖流域处于我国东部季风区、西北部干旱 区和青藏高寒区的交汇地带，具有明显的大陆性气候特点，青海湖巨大的湖体及湖周丰茂的草地植被不仅控制和调节湖区流域的生态环境，而且还是一个控制我国西部荒漠化向东蔓延的天然屏障。近几十年来，由于受全球气候变暖等自然因素和过度放牧、开垦草地等人为因素的影响，青海湖流域生态环境不断恶化，湖水位下降、湿地萎缩、土地沙漠化面积不断扩 大，草地退化日趋严重，草地鼠、虫灾害频繁，鱼、鸟共生系统遭到破坏， 珍稀濒危野生动物面临威胁，使本已十分脆弱的生态环境变得更加脆弱， 直接影响到流域、青海省乃至西北地区生态和资源安全，进而影响到西北 地区、青藏高原地区人民的生活、生产。因此，研究青海湖周边牧区的生 态环境、优化畜牧业结构是十分必要的。

二、技术路线

通过遥感技术、物联网技术和实地监测获取生态环境和环境信息 数据，构建资源库;然后利用数据库构建高原草甸草生长与消耗动态模型、饲养规模相关的数学模型，设计实现放牧、禁牧和游牧方案;最后设计应 用系统软件平台，根据监测到各类数据库提出智慧放牧的方案，并在实验 区实施和推广。

三、研究内容

（1）研究区生态环境要素遥感本底调查

通过野外调查，结合研究区土地利用类型图、土壤植被分布图、基础地理信息，建立遥感解译标志，对辐射纠正、几何纠正后的 Landsat-8 和 GeoEye 遥感影像进行土地利用分类，从而准确掌握草地、森林，水文等生态环境要素空间分布及其数量，彻底摸清 2000、2010、2015 年该区生态环境要素本底数据。

（2）研究区生态环境要素遥感监测研究

借助野外实测生态环境要素光谱数据，结合遥感解译标志，对经过图像预处理的多源遥感影像，进行遥感反演研究，建立适合不同生态环境要素遥感反演算法，构建草地、森林、水文等生态环境要素遥感监测模型，实时监测生态环境要素质量及其变化。

（3）构建生态环境质量评价指标体系

运用区域生态环境质量评价体系理论，结合青海湖地区生态环境特点，利用层次分析法，建立适合该区生态环境质量遥感评价指标体系， 合理区划宜牧地区，为生态养畜信息化、智能化提供基础数据。

（1）数据库结构设计

基础地理信息系统数据庫

该数据库包括行政区划数据、地形要素数据、数字高程模型数据。行政区划数据包括：研究区各乡镇级行政区划图。

生态环境数据库

包括草场资源信息数据库，水资源信息数据库，土地资源信息数据库，气候资源信息数据库，生物资源信息数据库，土壤资源信息数据库。

社会经济数据库

以历年的各级统计年鉴或年报为基础数据源，结合野外调研，建立社会经济基本信息（ 数据信息、图像信息和文字信息）。建立的子库有： 牧业数据库（饲料储备基地、育肥基地等、牲畜种类、数量等）、农业数据库、人口数据库。

遥感影像数据库

遥感影像数据库包括 GeoEye 高分辨率影像数据、LandSat-8 多光谱影像数据，MODIS 中分辨率影像数据。

灾害信息数据库该数据库

包括 2 个子数据库：气象灾害数据库、洪涝灾害数据库。

（2）数据库系统功能设计

数据处理与管理子系统

该系统实现各级各类数据的收集、存储、输入、输出，以及各类信息数据结构的制定，并对所有系统及系统中所有的数据进行有效的管理，确保系统的安全运行和数据的安全管理，主要包括数据录入、数据编辑、数据管理与组织、数据显示输出等模块。

数据查询子系统

该系统为用户提供系统各类数据的查询、统计比较功能，通过该系统用户可以查询检索不同来源及不同格式的各种空间与属性数据，包括位置查询、图形查询、坐标查询、属性查询、按区域（县、乡） 查询等， 将查询结果以报表和图片等格式输出。

空间分析子系统

该系统为用户提供对生态环境数据的分析、信息挖掘和模型演示等，是生态环境数据库系统的主体，包括以下 3个子系统。

A.生态环境监控与评价系统

利用遥感资料和部门统计数据，根据各生态环境要素的反演模型， 对研究区内自然条件（ 地貌、水系、植被等） 、资源（草地资源  土地资源、水资源、土壤资源） 、生态环境变化进行监测和数据更新，根据数据库综合数据和评价模型对生态环境及其变化进行评价，依据评价结果，合理规划宜牧地区，轮牧地区、禁牧地区，为政府和有关部门全面掌握研究区生态环境状况，为生态养畜信息化、智能化提供基础数据。

B.应急辅助决策支持系统

当发生雪灾等大规模灾难性事件时，根据遥感积雪监测的结果、交通状况、饲料储备基地、通过空间网络分析，借助 Dijkstra 算法，为车辆救援，牲畜转移提出解决方案，为政府相关部门提供辅助决策支持。

C.宏观决策支持系统

通过对生态环境进行适时动态监测、直观显示和统计分析，建立决策模型库和专家知识库，为政府资金安排、区域政策制定、干部考核提供客观数字依据和分析评估，为政府实施宏观调控和政府资源配置提供参考。

（3）环境信息系统集成

基于微软 C#开发平台，利用 GIS 组件与面向对象编程技术，根据ArcSDE+SQLServer2005+ASP.NET 的数据库构建理论，构建生态环境信息系统。

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