現(xiàn)代數(shù)字草業(yè)技術(shù)

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、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)測與評估，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。由于長期超載過牧、粗放經(jīng)營以及氣候和其他因素的影響，我國草原生態(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)階段提高我國草業(yè)經(jīng)營效率、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)庫系統(tǒng)。草地生態(tài)系統(tǒng)生長模型根據(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)測與評估等。20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達(dá)國家就基于航空遙感開展了國家和洲際尺度的土地資源調(diào)查。20世紀(jì)70年代后，國際自然保護(hù)監(jiān)測中心（CMC）、全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（GEMS）等全球性自然資源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)開展了植被資源調(diào)查、監(jiān)測與評價(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)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)地面監(jiān)測到數(shù)字化監(jiān)測的飛躍，利用不同遙感平臺、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、退化監(jiān)測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，傳感器識別能力迅速提高，草地監(jiān)測指標(biāo)由生物量、覆蓋度等簡單綠度表觀指標(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、市場經(jīng)營的各個(gè)環(huán)節(jié)，澳大利亞40%以上的家庭牧場應(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。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量儀器First Growth，草地生產(chǎn)速率無損傷測量儀器Raising Plate，以及裝載了各種決策支持信息的掌上電腦等。

三、我國數(shù)字草業(yè)技術(shù)進(jìn)展

我國數(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、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、生態(tài)退化監(jiān)測等方面已經(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、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)市場化程度低、不規(guī)范，產(chǎn)品級的技術(shù)開發(fā)薄弱等，這些都直接或間接地影響到我國草業(yè)科學(xué)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和草業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益的提高。針對中國草業(yè)發(fā)展的需求，中國農(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“中國數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺”，完成了草地信息采集、更新、監(jiān)測和決策服務(wù)等一套完整的理論和技術(shù)集成體系。

“中國數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺”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，“中國數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺”制定了草業(yè)資源信息數(shù)據(jù)庫元數(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、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)測數(shù)據(jù)等五個(gè)主體數(shù)據(jù)庫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，“中國數(shù)字草業(yè)技術(shù)平臺”針對天然草地、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，對草業(yè)生產(chǎn)流程不同環(huán)節(jié)的監(jiān)測、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)測管理應(yīng)用方面，建立了高精度草地生產(chǎn)力遙感監(jiān)測模型、多尺度草畜平衡動(dòng)態(tài)監(jiān)測與診斷模型、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)測空間數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)了草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測與管理的AO模型，完成了天然草地監(jiān)測與管理技術(shù)平臺開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了草地生產(chǎn)力、長勢、產(chǎn)草量、旱災(zāi)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、草畜平衡動(dòng)態(tài)診斷與多方案管理決策支持，也可以針對不同類型、不同層次的最終用戶提供專門的產(chǎn)品級定制服務(wù)。

人工草地管理決策應(yīng)用方面，構(gòu)建了人工草地生長與產(chǎn)量管理模型、牧草適宜性評價(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，平臺可從品種選擇、栽培技術(shù)、病蟲害診斷與防治、水分診斷與灌溉決策、生長過程模擬、產(chǎn)量與效益預(yù)測等方面，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)存儲技術(shù)，開發(fā)了人工草地引種與智能管理掌上平臺。

草畜動(dòng)態(tài)模擬與管理應(yīng)用方面，建立了中國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，評估不同載畜壓力、不同利用模式（輪牧、休牧）對草地生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行家庭牧場尺度的草畜生產(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)我國國情和草業(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。

草地監(jiān)測技術(shù)空間化：我國草地生態(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)，基于多平臺遙感的監(jiān)測技術(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)存儲平臺將彌補(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