論草業(yè)科學的信息維

梁天剛,黃曉東,任繼周

(農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學重點實驗室 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

在草業(yè)科學內(nèi)部，有4個學科具有維的性質(zhì)，亦即這4個學科體現(xiàn)草業(yè)科學的多維性。它們是草原類型學，可稱為類型維；草原生態(tài)化學，可稱為化學維；草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學，可稱為系統(tǒng)維；草業(yè)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(yè)科學的各個板塊，因而也貫穿于全部草業(yè)科學。它們對草業(yè)科學既連綴又規(guī)整的作用至關(guān)重要[1]。其中信息維不僅是草業(yè)科學四維特征之一，也是草業(yè)科學現(xiàn)代化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和3S(遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))等技術(shù)和管理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和數(shù)字地球等綜合集成系統(tǒng)的迅速發(fā)展，草業(yè)科學的信息維日顯重要。草業(yè)科學的信息維是信息學針對草業(yè)科學管理程序的異化。因此，需要通過對草業(yè)信息學的闡述，來認知草業(yè)信息維特征。草業(yè)信息學是草業(yè)科學的重要分支學科，是探究草業(yè)各個因子群、各個界面、各個生產(chǎn)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(diào)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(tài)化學、草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學，以及草業(yè)科學內(nèi)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(tǒng)，闡述草業(yè)科學內(nèi)部的信息關(guān)聯(lián)并加以調(diào)控。其集成表現(xiàn)之一就是草業(yè)專家系統(tǒng)。

草業(yè)信息學運用草原學、生態(tài)學、計算機與信息學、遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等學科的理論與技術(shù)，研究草業(yè)信息的表達、處理、分析、集成和應(yīng)用，對草業(yè)資源與環(huán)境的監(jiān)測、評價和管理進行方法性研究，為草業(yè)信息的數(shù)字化、可視化管理提供理論和技術(shù)支撐。

1 信息是現(xiàn)代草業(yè)構(gòu)建和發(fā)展的必要條件

信息(information)是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖像等介質(zhì)來表示事件、事物、現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量或特征，從而向人們或系統(tǒng)提供關(guān)于現(xiàn)實世界新的事實和知識，作為生產(chǎn)、建設(shè)、經(jīng)營、管理、分析和決策的依據(jù)。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(shù)據(jù)(data)，而數(shù)據(jù)是一種未經(jīng)加工的原始資料。數(shù)字、文字、符號、圖像都是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是客觀對象的表示，而信息則是數(shù)據(jù)內(nèi)涵的意義，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋[6]。

草業(yè)科學由生產(chǎn)域、管理域、市場域構(gòu)成(圖1)。生產(chǎn)域包含與草業(yè)有關(guān)的專業(yè)農(nóng)場、工廠、專業(yè)戶，它們是草業(yè)生產(chǎn)的基本單元。產(chǎn)品由草業(yè)生產(chǎn)單元輸出，經(jīng)過管理域，而后進入市場域。而管理域的核心就是信息系統(tǒng)對草業(yè)的操控過程。如圖1所示，在草業(yè)的管理域中，信息中心與服務(wù)中心居于樞紐地位，從這里向業(yè)務(wù)管理和行政管理發(fā)出指令并接受其反饋，以使草業(yè)系統(tǒng)在不斷調(diào)整中運行不輟。

2 草業(yè)科學的信息維特征

草業(yè)科學的信息維是信息學針對草業(yè)科學管理程序的異化。因此，需要通過對草業(yè)信息學的闡述，來認知草業(yè)信息維特征。草業(yè)信息學在草業(yè)科學的基本理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，對草業(yè)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的集成和應(yīng)用，主要包括草業(yè)信息的數(shù)字化與可視化表達、處理、分析、集成和應(yīng)用等方面。草業(yè)信息學主要包括草業(yè)信息采集、信息處理與模擬模型、草業(yè)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、草業(yè)資源管理信息系統(tǒng)、草業(yè)遙感技術(shù)、草業(yè)地理信息系統(tǒng)、草業(yè)決策支持系統(tǒng)、草業(yè)專家系統(tǒng)、精確草業(yè)與數(shù)字草業(yè)和草業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)系統(tǒng)等12個部分，為定量研究草地生態(tài)系統(tǒng)中土-草-畜-市場之間的互作關(guān)系及草業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營管理、科學研究和技術(shù)推廣，提供新的管理技術(shù)和傳播途徑，促進草業(yè)的持續(xù)發(fā)展和數(shù)字化與可視化管理。

圖1 信息系統(tǒng)在草業(yè)科學管理中的地位

草業(yè)信息學的基本結(jié)構(gòu)體現(xiàn)其主要內(nèi)容之間的關(guān)系(圖2)。草業(yè)信息學是在重點介紹信息技術(shù)與信息科學基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，闡述草業(yè)信息的研究領(lǐng)域，數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維可視化技術(shù)、草業(yè)信息遙感監(jiān)測技術(shù)、草業(yè)空間信息管理技術(shù)、草業(yè)系統(tǒng)數(shù)理模擬技術(shù)、草業(yè)信息系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、基于人工智能的草業(yè)專家系統(tǒng)技術(shù)、草業(yè)決策支持系統(tǒng)技術(shù)、草業(yè)信息服務(wù)技術(shù)、數(shù)字草業(yè)技術(shù)等方面的關(guān)鍵技術(shù)，以及草業(yè)信息學的作用與應(yīng)用。

圖2 草業(yè)信息學主要研究內(nèi)容及關(guān)系

3 草業(yè)信息學主要研究內(nèi)容

草業(yè)信息學是草業(yè)科學的重要分支學科，它通過上述現(xiàn)代信息技術(shù)，對草業(yè)資源與管理系統(tǒng)加以數(shù)字化與可視化表達、處理、分析、集成和應(yīng)用等。主要通過以下步驟達到對草業(yè)連綴與規(guī)整的作用。

3.1草業(yè)信息采集技術(shù) 依據(jù)草業(yè)信息的特點與類型，草業(yè)信息外業(yè)觀測與采集技術(shù)主要包括地形與地貌信息的采集、基于全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)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(jīng)濟與人類活動等)的采集、其他草地生態(tài)環(huán)境監(jiān)控信息的采集和基于互聯(lián)網(wǎng)(internet)和遙感(RS)技術(shù)的草業(yè)信息采集技術(shù)等。

3.2草業(yè)信息統(tǒng)計分析 針對不同的數(shù)據(jù)類型及研究目標，通常需要采用不同的統(tǒng)計分析方法。這部分內(nèi)容包括屬性數(shù)據(jù)的常用統(tǒng)計分析方法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及軟件(如SAS和SPSS等)，與地理位置相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)的地統(tǒng)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(guī)劃的方法，如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、多目標規(guī)劃和不確定性多目標規(guī)劃等[10-12]。

3.3草業(yè)信息模擬模型 主要內(nèi)容有草業(yè)模擬模型的特征與功能,包括草業(yè)模擬模型的概念、特征、草業(yè)模擬模型的功能；草業(yè)系統(tǒng)模擬的原理與技術(shù),包括系統(tǒng)分析方法、機理性與經(jīng)驗性的關(guān)系、模擬研究的尺度、析因方法與系數(shù)化、遺傳參數(shù)、模型開發(fā)環(huán)境與工具、構(gòu)件化程序設(shè)計等；草業(yè)模擬模型的研制步驟，包括模型選擇與系統(tǒng)定義、資料獲取與算法構(gòu)建、模塊設(shè)計與模型實現(xiàn)、模型檢驗與改進；草業(yè)模擬模型基本算法構(gòu)建，包括牧草生長發(fā)育的模擬、草地凈初級生產(chǎn)力的模擬、草地生物量與可食牧草產(chǎn)量的模擬、草地生態(tài)服務(wù)價值的模擬、草地生態(tài)補償價值的模擬、草地養(yǎng)分效應(yīng)的模擬、草地水分效應(yīng)的模擬、草畜平衡動態(tài)的模擬等；草業(yè)模擬模型的應(yīng)用，包括草業(yè)模擬模型的應(yīng)用領(lǐng)域、模擬模型與其他技術(shù)的耦合。

3.4草業(yè)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè) 主要內(nèi)容有草業(yè)數(shù)據(jù)庫的概念與特征；草業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與應(yīng)用，包括草業(yè)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、數(shù)據(jù)內(nèi)容、分類及編碼、數(shù)據(jù)庫的建立方法(如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫標準語言SQL、MicroSoft Access等)；數(shù)據(jù)庫的維護與更新；數(shù)據(jù)標準化與規(guī)范化；現(xiàn)有草業(yè)數(shù)據(jù)庫簡介以及草業(yè)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用等。

3.5草業(yè)遙感技術(shù) 內(nèi)容為草業(yè)遙感原理與發(fā)展動態(tài)，包括草業(yè)遙感的定義、草業(yè)遙感的作用、草業(yè)遙感的發(fā)展動態(tài)。草業(yè)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?qū)W與遙感最佳時相的選擇等；草業(yè)遙感方法，包括地面遙感試驗研究、空間遙感數(shù)據(jù)處理方法、植被指數(shù)模型等；草業(yè)遙感應(yīng)用，包括草業(yè)資源遙感調(diào)查、草地植被長勢監(jiān)測與估產(chǎn)、草業(yè)災(zāi)害監(jiān)測與評估等。

3.6草業(yè)地理信息系統(tǒng) 主要內(nèi)容有地理信息系統(tǒng)(GIS)的基本概念與特征；地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成與功能；地理信息系統(tǒng)的基本原理與軟件，包括地理信息系統(tǒng)的基本原理、地理信息系統(tǒng)軟件、GIS與RS及GPS的集成技術(shù)；草業(yè)地理信息系統(tǒng)的研制，包括草業(yè)地理信息系統(tǒng)的研制流程、地理信息系統(tǒng)平臺、草業(yè)地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)、草業(yè)地理信息系統(tǒng)研制實例；草業(yè)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，包括草業(yè)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域、草業(yè)地理信息系統(tǒng)與其他技術(shù)的結(jié)合[6-9]。

3.7草業(yè)資源管理信息系統(tǒng) 主要內(nèi)容有草業(yè)管理信息系統(tǒng)的概念與特征，包括管理信息系統(tǒng)的概念、草業(yè)管理信息系統(tǒng)的組成、草業(yè)管理信息系統(tǒng)的發(fā)展、草業(yè)管理信息系統(tǒng)的特征；草業(yè)管理信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，包括草業(yè)管理信息系統(tǒng)的開發(fā)流程、草業(yè)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實施、草業(yè)管理系統(tǒng)的應(yīng)用實例[13]。

3.8草業(yè)決策支持系統(tǒng) 主要內(nèi)容有決策支持系統(tǒng)的概念與功能，包括決策支持系統(tǒng)的基本概念、決策支持系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及功能；草業(yè)決策支持系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu),包含草業(yè)決策支持系統(tǒng)的類型、基于牧草生長模型的決策支持系統(tǒng)、基于知識規(guī)則的草地管理決策支持系統(tǒng)、基于知識模型的草地管理決策支持系統(tǒng)、基于知識模型和生長模型的草畜管理決策支持系統(tǒng)等；草業(yè)決策支持系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù),包括草業(yè)決策支持系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)、草業(yè)決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)；主要草業(yè)決策支持系統(tǒng)及其應(yīng)用，包括基于生長模型、知識規(guī)則、知識模型的草地管理系統(tǒng)，專家系統(tǒng)與生長模型、知識模型相結(jié)合的草地管理決策支持系統(tǒng)等[14-15]。

4 信息維對草業(yè)科學的連綴與規(guī)整

信息維是草業(yè)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過上述草業(yè)信息學方法，將草業(yè)的各個生產(chǎn)板塊加以連綴，構(gòu)建草業(yè)系統(tǒng)并置于有序運轉(zhuǎn)軌道。在其系統(tǒng)連綴和系統(tǒng)運轉(zhuǎn)流程中，不斷進行信息的收集和處理，對系統(tǒng)發(fā)出指令、依據(jù)信息反饋加以調(diào)控。

這一復雜過程的前提是草業(yè)數(shù)字化。在草業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，結(jié)合全球定位系統(tǒng)和遙感技術(shù)、數(shù)字地球的草業(yè)響應(yīng)、智能化草業(yè)機械裝備技術(shù)、數(shù)字草業(yè)技術(shù)體系等，最終構(gòu)建草業(yè)專家系統(tǒng)。其中包括草業(yè)知識獲取、表達、知識庫與模型庫的構(gòu)建、系統(tǒng)調(diào)試與修改等。專家系統(tǒng)一旦形成，草業(yè)系統(tǒng)就納入信息維的全盤監(jiān)護之下。其主要功能為草業(yè)信息的咨詢服務(wù)，包括草業(yè)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(yè)物流服務(wù)(物流信息發(fā)布與物流管理、電子商務(wù))、草地長勢監(jiān)測與估產(chǎn)信息服務(wù)(草業(yè)信息咨詢服務(wù)(專家咨詢、在線服務(wù))、草地自然災(zāi)害監(jiān)測與預警信息服務(wù)、草畜平衡決策支持和技術(shù)咨詢服務(wù)、草地生態(tài)環(huán)境污染監(jiān)測與評價信息服務(wù)等。

專家系統(tǒng)是信息技術(shù)與草業(yè)系統(tǒng)交互融合的最高形態(tài)。它使人們能夠精密掌控草業(yè)系統(tǒng)各個分量，對系統(tǒng)內(nèi)部各個板塊運行實時監(jiān)測，發(fā)出指令，刪除其冗余，補充其不足，調(diào)控其結(jié)構(gòu)[14-16]。信息維對草業(yè)系統(tǒng)的整合作用無所不在。在對草業(yè)科學信息維認知基礎(chǔ)上，采用草業(yè)信息學手段，研究草業(yè)信息的獲取、表達、處理、分析、綜合集成等方法，實現(xiàn)草業(yè)信息的數(shù)字化、可視化與集成化管理系統(tǒng)，對促進草業(yè)科學的連綴與規(guī)整具有重要意義。

5 結(jié)束語

信息維不僅是草業(yè)科學四維特征之一，也是草業(yè)科學現(xiàn)代化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。信息維是信息學針對草業(yè)科學管理程序的異化。通過明晰草業(yè)信息學的體系結(jié)構(gòu)、主要研究內(nèi)容及其之間的關(guān)系，對認知草業(yè)信息維特征具有重要意義。

信息是現(xiàn)代草業(yè)構(gòu)建和發(fā)展的必要條件。草業(yè)信息學是草業(yè)科學的重要分支學科，是探究草業(yè)各個因子群、各個界面、各個生產(chǎn)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(diào)控的科學。草業(yè)信息學主要研究內(nèi)容包括草業(yè)信息采集技術(shù)、草業(yè)信息統(tǒng)計分析、草業(yè)信息模擬模型、草業(yè)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)、草業(yè)遙感技術(shù)、草業(yè)地理信息系統(tǒng)、草業(yè)資源管理信息系統(tǒng)、草業(yè)決策支持系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)是信息技術(shù)與草業(yè)系統(tǒng)交互融合的最高形態(tài)，信息維對草業(yè)科學具有重要的連綴與規(guī)整作用。

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