基于GIS的牧場載畜量評估系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

閔志強，蘇曉慧,吳保國,閆瑞瑞,張利飛

(1.北京林業(yè)大學信息學院 林業(yè)信息化研究所,北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081)

我國北方草原區(qū)由于干旱、過度放牧等因素導致草地退化情況愈來愈嚴重，草地生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡[1]。如何科學、高效地確定草原合理載畜量，維持草地載畜平衡是防止過度放牧的重要措施，現(xiàn)代計算機科學和技術能夠自動、高效地處理許多復雜問題。因此，如何利用計算機技術確定草地載畜量和載畜平衡歷來是草地生態(tài)系統(tǒng)的研究熱點[2]。國外將計算機用于牧場管理的水平較高，已將牧場管理模型和家畜生產(chǎn)管理模型結(jié)合計算機技術應用于實際牧場生產(chǎn)管理，如美國的Cowpacity模型[3]、荷蘭的Graze Vision模型[4-5]，能監(jiān)測載畜量、優(yōu)化牧場管理策略；SimSAGS作為模擬半干旱放牧系統(tǒng)的決策工具，可以提供長期生態(tài)承載力與年均降水量間的合理預測[6]。而我國將計算機技術與牧場管理模型相結(jié)合用于畜牧業(yè)的管理研究起步較晚。在理論研究方面，國內(nèi)學者普遍認為草地放牧系統(tǒng)模型的研究及其如何指導生產(chǎn)實踐已成為現(xiàn)代化草地畜牧業(yè)研究的重要方向[7]。李艷波和李文軍[8]從牧草產(chǎn)量預估方法、政策、牧民收入等方面對我國草畜平衡難以實現(xiàn)的原因進行了研究，提出草地管理中更應該側(cè)重生態(tài)系統(tǒng)的彈性管理，而不僅僅是關注作為閾值的承載力本身。徐敏云和賀金生[9]從草地載畜量的概念、理論、模型對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了論述，并對今后放牧系統(tǒng)研究方向進行了探討，認為由于牧草養(yǎng)分的季節(jié)變化動態(tài)，放牧實踐中應采用兩種方法(家畜營養(yǎng)需求法和草地產(chǎn)量法)相結(jié)合估算草地載畜量，根據(jù)估算數(shù)較低者確定草地載畜量有利于草地可持續(xù)利用和保護。韋惠蘭和祁應軍[10]借助遙感分析青藏高原草地退化原因與人文驅(qū)動分析。在草地載畜量預估模型研究方面，國內(nèi)學者利用遙感影像預測牧草產(chǎn)量及理論載畜量[11-13]，采用不同遙感數(shù)據(jù)和預測模型預估草地載畜量。傅新宇等[14]利用MODIS數(shù)據(jù)估算四川草原的草產(chǎn)量，獲得不錯預測精度；廖順寶和秦耀辰[15]利用GIS與遙感獲得以縣為最小單元的土地覆被數(shù)據(jù)，并利用此數(shù)據(jù)反演草地理論載畜量調(diào)查數(shù)據(jù)空間化方法及應用方法。這些方法在特定區(qū)域能對草地載畜量進行預估，但其實際應用較少。在草地載畜量與計算機結(jié)合應用方面，李青豐和齊智鑫[16]對草畜平衡管理模型進行了研究，研發(fā)草畜平衡計算軟件，該軟件引入了“牧草月產(chǎn)量動態(tài)系數(shù)”進行牧草產(chǎn)量預估。該軟件在牧場實際應用較好，但模型參數(shù)調(diào)節(jié)較為復雜。在數(shù)字化牧場方面，國內(nèi)學者都對數(shù)字化牧場管理平臺進行研究和研建，探討了數(shù)字化牧場管理流程和功能結(jié)構(gòu)[17-19]，如韓磊等[20]構(gòu)建研發(fā)了半干旱半荒漠化地區(qū)縣一級牧業(yè)管理系統(tǒng)，但其牧場平臺大都側(cè)重于對牧場辦公等基礎信息管理，鮮有對載畜量和載畜平衡進行評價。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前我國基于GIS的牧場畜牧業(yè)信息管理尚處于研究階段，雖然已有學者在家畜放牧系統(tǒng)與草畜平衡技術方面進行了研究[21]，但尚未形成一套完善的系統(tǒng)并進行推廣使用。隨著牧場經(jīng)營由家庭承包經(jīng)營向家庭生態(tài)牧場經(jīng)營的轉(zhuǎn)化，其經(jīng)營規(guī)模加大，利用信息技術構(gòu)建牧場管理信息系統(tǒng)加強牧場管理，控制牧場承載力以應對過度放牧對草地的破壞，顯得尤為重要。為此，以中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市謝爾塔拉牧場的試驗區(qū)為研究示范區(qū)域，建立基于GIS的牧場畜牧量評估系統(tǒng)，在掌握草地牧草生長健康狀況的基礎上，通過各放牧地段植物群落地上現(xiàn)存量的動態(tài)數(shù)據(jù)進行載畜量評估，實現(xiàn)以草定畜和以畜定草決策，并以此對草地進行相應的評價和輔助決策支持，從而充分合理地利用草地牧草資源，保護生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展，提高牧場放牧的科學化管理水平。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

牧場畜牧量評估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用C/S二層結(jié)構(gòu)，分為應用服務層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。其中應用服務層主要是用戶與系統(tǒng)的交互，用戶通過界面對系統(tǒng)進行操作；邏輯層處理核心業(yè)務邏輯，主要功能為接受用戶界面的服務請求，然后與數(shù)據(jù)服務器進行數(shù)據(jù)交互，最后提供給客戶端所要求的空間數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層主要是管理牧場畜牧量評估系統(tǒng)中操作的牧場地塊相關數(shù)據(jù)。邏輯層采用ArcGIS Engine和ADO.NET；數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Access 2007。系統(tǒng)采用C#語言，利用GIS系統(tǒng)提供的二次開發(fā)控件進行開發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)管理與載畜量計算需求，需要將地塊空間信息、面積、牧草組成、牧草干重與鮮重(kg·hm-2)、土壤等信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫主要存儲牧場基本地理數(shù)據(jù)(如道路、河流等數(shù)據(jù))、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、草地分布矢量數(shù)據(jù)、牧場地塊圖斑數(shù)據(jù)等地理空間數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)庫主要存儲坡度、坡向數(shù)據(jù)和不同時期地面的植被、土壤等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中建立的數(shù)據(jù)表較多，以地塊基本因子表(表1)、地塊牧草明細表(表2)、地塊牧草月份明細表(表3)及模型庫(表4)為例，說明其關系結(jié)構(gòu)。

表1 地塊基本因子Table 1 Basic characteristics of the plots

表2 地塊牧草明細Table 2 Details of forage of the plots

表3 地塊牧草月份明細Table 3 Monthly details of forage of the plots

表4 模型庫Table 4 Model library

系統(tǒng)中用于計算的模型主要有載畜量計算模型(以草定畜模型、以畜定草模型)和載畜平衡評估模型，為了滿足不同草地用戶在更換模型時不需要修改程序，模型利用關系數(shù)據(jù)庫進行存儲管理。

1.3 系統(tǒng)功能設計

牧場畜牧量評估系統(tǒng)主要以實現(xiàn)牧場管理經(jīng)營可持續(xù)發(fā)展為目標，對牧場草地載畜進行平衡評估。系統(tǒng)除提供基本數(shù)據(jù)錄入和專題圖繪制功能外，其主要模塊提供了牧場草地載畜量預估和牧場載畜平衡評價兩個功能，前者依據(jù)樣方測量數(shù)據(jù)及用戶設定的放牧方式和類型，預估在滿足牧場可持續(xù)發(fā)展的前提下的最大載畜量；后者是對當前牧場草地的放牧方式及類型進行評價，評估其放牧方式是否合理，是否需要調(diào)整及如何進行調(diào)整。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig. 1 System function structure

1.3.1數(shù)據(jù)管理功能 數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的更新、查詢管理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及相關模型的時效性。該模塊由3個功能組成，分別為草地數(shù)據(jù)錄入、分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計和模型庫管理。

草地數(shù)據(jù)錄入：數(shù)據(jù)需要保持時效性，就需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)進行增刪查改；包括地塊和樣方的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)修改。該模塊對牧場數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)更新，將采集到的基礎數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

查詢統(tǒng)計：查詢統(tǒng)計模塊實現(xiàn)不同類型的牧草產(chǎn)量統(tǒng)計。可按月份、地塊、牧草類型等進行統(tǒng)計，并以圖表進行顯示。查詢類型包括由屬性查詢空間數(shù)據(jù)和由空間位置查詢屬性數(shù)據(jù)。

模型庫管理：對系統(tǒng)所需模型進行更新管理，能夠?qū)崿F(xiàn)利用新模型替換已經(jīng)不適用的模型，從而使程序代碼能夠識別使用。

1.3.2載畜量供給預估與載畜平衡評價功能 提供根據(jù)所選擇的地塊進行理論載畜量計算、以畜定草選擇放牧地塊和載畜量平衡評價計算功能，用于指導牧場經(jīng)營決策，改善牧場放牧模式。

1)以草定畜功能：通過用戶在視圖窗口中的地圖上選擇需要估測的牧場地塊，輸入放養(yǎng)牲畜日食量及其牧草利用率，系統(tǒng)在模型庫中獲取草地載畜量(理論載畜量)模型，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型解析器對模型進行解析計算得到該地塊的載畜量。

2)以畜定草功能：通過用戶輸入的放牧牲畜頭數(shù)及牲畜日食量，系統(tǒng)在模型庫中獲取牲畜需草量模型，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型解析器對牲畜需草量模型進行解析計算得到需草量，然后根據(jù)需草量從數(shù)據(jù)庫中選擇適宜放牧的地塊。當沒有適宜的地塊時，系統(tǒng)將選取一個接近滿足需草量的地塊，并給出需要補充的草料量。

3)載畜平衡評價：計算地塊的可食牧草產(chǎn)量與家畜采食牧草量的差值，從而判定牧草與家畜的平衡關系。

1.3.3專題圖生成 該功能模塊提供載畜平衡和牧草產(chǎn)量兩種專題圖。載畜平衡專題圖顯示牧場各地塊載畜平衡等級，通過對地塊進行載畜平衡評估，對整個研究區(qū)域進行載畜平衡專題圖的生成制作，對牧場放牧空間格局進行分析評測，為牧場經(jīng)營管理者合理調(diào)整放牧空間格局提供決策支持；牧草產(chǎn)量專題圖顯示各地塊牧草產(chǎn)量信息的空間分布。

2 載畜量模型

2.1 載畜量預估模型

根據(jù)呼倫貝爾草原的情況，為了驗證系統(tǒng)，每塊草地能負載多少牲畜，是依據(jù)草地產(chǎn)草量與牲畜日食牧草量計算而來的。按月計算時，先計算出草地一個月所能產(chǎn)出的草量，然后除以每頭牲畜每月所需的牧草量即為該草地一個月所能負載的牲畜數(shù)量；按年計算時，時間在每天的基礎上乘以365即可；以此類推。在系統(tǒng)的實際使用過程中，用戶可以根據(jù)自己的需要將模型庫中的計算模型換成自己的模型，并且更換模型后，系統(tǒng)不需要進行二次編碼，直接使用即可。

1)草地載畜量模型：草地載畜量模型采用計算機程序可識別的表達式，如下：

w×s×k/(c×d) 。

(1)

式中：w為每公頃的牧草產(chǎn)量，s為地塊面積，k為牧草可利用率，c為標準家畜單位日食量，d為利用天數(shù)。

2)牲畜需草量模型：牲畜需草量依據(jù)牲畜數(shù)量(A)、每頭牲畜每天采食量(D)和采食時間(t)計算得來，模型采用計算機程序可識別的表達式，如下：

D×A×t 。

(2)

如果每頭牲畜每天采食量為D，需要放牧天數(shù)為兩個月，則A頭牲畜的需草量為D×A×60,以此類推。

2.2 載畜平衡評價模型

載畜平衡評價主要是計算牲畜需草量與草地可供草量的差值，計算結(jié)果用BM表示。模型采用計算機程序可識別的表達式，如下：

w×s×k-D×A×t 。

(3)

式中：w為每公頃可產(chǎn)牧草產(chǎn)量，s為草地面積，k為牧草可利用率,D為牲畜每天需要的采食量，A為牲畜的數(shù)量，t為牲畜的放牧天數(shù)。

模型結(jié)果BM有3種情況：當BM>0時，表示草地載畜量尚有潛力，能滿足家畜需求，不需要補充飼料；當BM=0時，表示草畜之間達到動態(tài)平衡，放牧草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)利用；當BM<0時，表示草地載畜量超載，草地呈退化狀態(tài)，不能滿足家畜需求，需要補充飼料。

3 系統(tǒng)核心模塊的實現(xiàn)

3.1 載畜量預估計算

3.1.1以草定畜功能實現(xiàn)流程 選擇地塊，該地塊高亮度顯示，輸入月份，通過ArcEngine的IFeatureClass接口的search方法從地塊牧草月份明細表中獲取該地塊當月的單位面積牧草產(chǎn)量，從地塊牧草明細表中獲取地塊面積。從模型庫中取出草地載畜量模型通過調(diào)用Python語言的IronPython的接口函數(shù)val()編寫的模型解析器對模型解析成計算機程序可識別的表達式，利用輸入的牧草可利用率、家畜單位日食量和天數(shù)進行草地載畜量計算；如果計算單個地塊(或多個地塊、全牧場)的年草地載畜量，牧草產(chǎn)量從地塊基本因子表中獲取單個地塊牧草產(chǎn)量(或多個地塊牧草產(chǎn)量、全牧場牧草產(chǎn)量)進行計算；如果選擇了多個地塊和月份，從地塊牧草月份明細表中獲取這些地塊和給定月的牧草產(chǎn)量總和作為模型預估的牧草產(chǎn)量進行計算。以草定畜功能具體實現(xiàn)流程如圖2所示。

3.1.2以畜定草功能實現(xiàn)流程 輸入一頭牲畜每天需要的采食量、牲畜的數(shù)量、牲畜的放牧天數(shù)和月份，從模型庫中調(diào)取牲畜需草量模型經(jīng)模型解析后得到所需牧草總量，然后系統(tǒng)從地塊牧草月份明細表中，通過給定月份查詢選擇大于或等于需草量的地塊進行高亮度展示，并給出所需牧草總量和給定月份的地塊草產(chǎn)量。如果沒有滿足的地塊，則對接近需草量的地塊進行高亮度顯示，并給出需要補充的牧草量。如果輸入天數(shù)大于1個月、小于 2個月，按 2個月計算，選擇地塊時，從地塊牧草月份明細表中選擇輸入當前月份和下一個月份的牧草重量合計計算牧草量，以此類推。如果輸入的天數(shù)接近1年，系統(tǒng)按年計算。系統(tǒng)也同時提供選取多個地塊來滿足給定采食量、牲畜的數(shù)量、牲畜的放牧天數(shù)的功能可供選擇。以畜定草功能的具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

3.2 載畜平衡評價

載畜平衡評價分為牧場載畜平衡評價和地塊載畜平衡評價，牧場載畜平衡評價從數(shù)據(jù)庫中獲取牧場草產(chǎn)量和放牧信息通過載畜平衡評價模型進行評價。地塊載畜平衡通過ArcEngine的IFeatureClass接口的search方法實現(xiàn)評價地塊選擇，然后用戶輸入牧草可利用率、放牧牲畜頭數(shù)、日食量、放牧天數(shù)和月份/年共5個參數(shù)，通過模型解析器解析載畜平衡模型進行載畜平衡評價，并給出相關評價結(jié)果。用戶也可以選擇整個牧場或者若干地塊，按年或者月份進行平衡評估。數(shù)據(jù)流程圖如圖4 所示。

圖2 以草定畜功能流程Fig. 2 Set livestocks with grass yield function process

圖3 以畜定草功能流程Fig. 3 Set grass demand with livestocks function process

圖4 載畜平衡評價流程Fig. 4 Process evaluation of stocking balance

4 系統(tǒng)運行與結(jié)論

4.1 系統(tǒng)運行

牧場載畜量評估系統(tǒng)的開發(fā)語言采用C#，GIS組件采用ArcEngine。系統(tǒng)實現(xiàn)了牧場數(shù)據(jù)采集、分類統(tǒng)計、載畜量預估、載畜平衡評價等功能。

系統(tǒng)運行的主界面如圖5所示。當用戶選擇某個地塊查詢該地塊的草產(chǎn)量以及理論載畜量，選中的地塊用粗線標識(如圖5粗線標識的地塊)，在彈出載畜量預估對話框，輸入牧草利用率、牲畜日食量、放牧天數(shù)后，單擊“理論載畜量”按鈕得到該地塊的理論載畜量。圖中顯示的是編號0102地塊在每只羊日采食量4 kg、7月份放牧30 d(用戶自定義當月實際放牧天數(shù))情況下的理論載畜量。

如果選擇載畜平衡評價功能，在地圖上選擇相應地塊，輸入不同牲畜的數(shù)量、日食量、放牧天數(shù)和牧草利用率，即可得到地塊理論載畜量和載畜平衡狀況。圖6顯示了全牧場試驗區(qū)18個地塊90 hm2放養(yǎng)羊300頭、按年進行的載畜平衡評價結(jié)果為充足。

4.2 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合牧場管理經(jīng)營實際需求，基于GIS技術，以呼倫貝爾謝爾塔拉國營農(nóng)牧場試驗區(qū)為示范區(qū)域，完成了牧場畜牧量評估原型系統(tǒng)的設計與開發(fā)，通過功能設計、數(shù)據(jù)庫設計確定了系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了牧場載畜量預估和載畜平衡評價等功能。為實現(xiàn)系統(tǒng)通用性以及模型動態(tài)更新，采用關系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模型庫管理載畜量模型、載畜平衡模型等系統(tǒng)所需模型；利用ArcEngine二次開發(fā)技術實現(xiàn)地塊定位、專題圖制作等地圖操作；基于.NET開發(fā)平臺，實現(xiàn)了牧場地塊載畜量預估與載畜平衡評價等核心功能，構(gòu)建了牧場畜牧量評估系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠滿足牧場數(shù)字化牧場經(jīng)營需要，對草地資源管理和合理開發(fā)利用具有實踐意義。

后續(xù)研究將優(yōu)化載畜平衡理論，在進行評價時考慮牧草生長周期、輪牧等影響因子；在牧草產(chǎn)量預估時構(gòu)建牧草生長模型，豐富GIS技術在牧場經(jīng)營管理中的應用。Web GIS+專家系統(tǒng)+決策支持系統(tǒng)是未來數(shù)字牧場的發(fā)展趨勢，即“互聯(lián)網(wǎng)+”牧場管理，這也是后續(xù)研究內(nèi)容之一，以便實現(xiàn)遠程化的牧場地塊信息與載畜量計算的管理，利用專家知識輔助牧場經(jīng)營管理決策。

圖5 載畜量預估運行實例Fig. 5 Implementation example of carrying capacity

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