基于GIS的牧場載畜量評估系統設計與實現

閔志強，蘇曉慧,吳保國,閆瑞瑞,張利飛

(1.北京林業大學信息學院 林業信息化研究所,北京 100083； 2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081)

我國北方草原區由于干旱、過度放牧等因素導致草地退化情況愈來愈嚴重，草地生態系統嚴重失衡[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系統的研究熱點[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管理模型結合計算機技術應用于實際牧場生產管理，如美國的Cowpacity模型[3]、荷蘭的Graze Vision模型[4-5]，能監測載畜量、優化牧場管理策略；SimSAGS作為模擬半干旱放牧系統的決策工具，可以提供長期生態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合用于畜牧業的管理研究起步較晚。在理論研究方面，國內學者普遍認為草地放牧系統模型的研究及其如何指導生產實踐已成為現代化草地畜牧業研究的重要方向[7]。李艷波和李文軍[8]從牧草產量預估方法、政策、牧民收入等方面對我國草畜平衡難以實現的原因進行了研究，提出草地管理中更應該側重生態系統的彈性管理，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、模型對國內外研究現狀進行了論述，并對今后放牧系統研究方向進行了探討，認為由于牧草養分的季節變化動態，放牧實踐中應采用兩種方法(家畜營養需求法和草地產量法)相結合估算草地載畜量，根據估算數較低者確定草地載畜量有利于草地可持續利用和保護。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動分析。在草地載畜量預估模型研究方面，國內學者利用遙感影像預測牧草產量及理論載畜量[11-13]，采用不同遙感數據和預測模型預估草地載畜量。傅新宇等[14]利用MODIS數據估算四川草原的草產量，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據，并利用此數據反演草地理論載畜量調查數據空間化方法及應用方法。這些方法在特定區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，研發草畜平衡計算軟件，該軟件引入了“牧草月產量動態系數”進行牧草產量預估。該軟件在牧場實際應用較好，但模型參數調節較為復雜。在數字化牧場方面，國內學者都對數字化牧場管理平臺進行研究和研建，探討了數字化牧場管理流程和功能結構[17-19]，如韓磊等[20]構建研發了半干旱半荒漠化地區縣一級牧業管理系統，但其牧場平臺大都側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。

綜合國內外研究現狀，目前我國基于GIS的牧場畜牧業信息管理尚處于研究階段，雖然已有學者在家畜放牧系統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并進行推廣使用。隨著牧場經營由家庭承包經營向家庭生態牧場經營的轉化，其經營規模加大，利用信息技術構建牧場管理信息系統加強牧場管理，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，以中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所在內蒙古自治區呼倫貝爾市謝爾塔拉牧場的試驗區為研究示范區域，建立基于GIS的牧場畜牧量評估系統，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存量的動態數據進行載畜量評估，實現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，保護生態環境健康可持續發展，提高牧場放牧的科學化管理水平。

1 系統設計

1.1 系統的體系結構

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

1.2 數據庫設計

根據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據庫中。

數據庫分為空間數據庫和屬性數據庫?？臻g數據庫主要存儲牧場基本地理數據(如道路、河流等數據)、土地利用現狀數據、草地分布矢量數據、牧場地塊圖斑數據等地理空間數據；屬性數據庫主要存儲坡度、坡向數據和不同時期地面的植被、土壤等數據。系統中建立的數據表較多，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，說明其關系結構。

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，模型利用關系數據庫進行存儲管理。

1.3 系統功能設計

牧場畜牧量評估系統主要以實現牧場管理經營可持續發展為目標，對牧場草地載畜進行平衡評估。系統除提供基本數據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，前者依據樣方測量數據及用戶設定的放牧方式和類型，預估在滿足牧場可持續發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，是否需要調整及如何進行調整。系統功能結構圖如圖1所示。

圖1 系統功能結構Fig. 1 System function structure

1.3.1數據管理功能 數據管理模塊實現數據與模型的更新、查詢管理，保證系統數據以及相關模型的時效性。該模塊由3個功能組成，分別為草地數據錄入、分類數據統計和模型庫管理。

草地數據錄入：數據需要保持時效性，就需要對系統數據庫里面的數據進行增刪查改；包括地塊和樣方的空間數據與屬性數據修改。該模塊對牧場數據庫進行數據更新，將采集到的基礎數據存儲到數據庫中。

查詢統計：查詢統計模塊實現不同類型的牧草產量統計?？砂丛路?、地塊、牧草類型等進行統計，并以圖表進行顯示。查詢類型包括由屬性查詢空間數據和由空間位置查詢屬性數據。

模型庫管理：對系統所需模型進行更新管理，能夠實現利用新模型替換已經不適用的模型，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，輸入放養牲畜日食量及其牧草利用率，系統在模型庫中獲取草地載畜量(理論載畜量)模型，依據系統內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及牲畜日食量，系統在模型庫中獲取牲畜需草量模型，依據系統內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，然后根據需草量從數據庫中選擇適宜放牧的地塊。當沒有適宜的地塊時，系統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，為牧場經營管理者合理調整放牧空間格局提供決策支持；牧草產量專題圖顯示各地塊牧草產量信息的空間分布。

2 載畜量模型

2.1 載畜量預估模型

根據呼倫貝爾草原的情況，為了驗證系統，每塊草地能負載多少牲畜，是依據草地產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。在系統的實際使用過程中，用戶可以根據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。

2)牲畜需草量模型：牲畜需草量依據牲畜數量(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為每公頃可產牧草產量，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為牲畜的數量，t為牲畜的放牧天數。

模型結果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平衡，放牧草地生態系統可持續利用；當BM<0時，表示草地載畜量超載，草地呈退化狀態，不能滿足家畜需求，需要補充飼料。

3 系統核心模塊的實現

3.1 載畜量預估計算

3.1.1以草定畜功能實現流程 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用Python語言的IronPython的接口函數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，牧草產量從地塊基本因子表中獲取單個地塊牧草產量(或多個地塊牧草產量、全牧場牧草產量)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量總和作為模型預估的牧草產量進行計算。以草定畜功能具體實現流程如圖2所示。

3.1.2以畜定草功能實現流程 輸入一頭牲畜每天需要的采食量、牲畜的數量、牲畜的放牧天數和月份，從模型庫中調取牲畜需草量模型經模型解析后得到所需牧草總量，然后系統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。如果輸入的天數接近1年，系統按年計算。系統也同時提供選取多個地塊來滿足給定采食量、牲畜的數量、牲畜的放牧天數的功能可供選擇。以畜定草功能的具體實現流程如圖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據庫中獲取牧場草產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方法實現評價地塊選擇，然后用戶輸入牧草可利用率、放牧牲畜頭數、日食量、放牧天數和月份/年共5個參數，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。數據流程圖如圖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 系統運行與結論

4.1 系統運行

牧場載畜量評估系統的開發語言采用C#，GIS組件采用ArcEngine。系統實現了牧場數據采集、分類統計、載畜量預估、載畜平衡評價等功能。

系統運行的主界面如圖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)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，輸入不同牲畜的數量、日食量、放牧天數和牧草利用率，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18個地塊90 hm2放養羊300頭、按年進行的載畜平衡評價結果為充足。

4.2 結論

本系統結合牧場管理經營實際需求，基于GIS技術，以呼倫貝爾謝爾塔拉國營農牧場試驗區為示范區域，完成了牧場畜牧量評估原型系統的設計與開發，通過功能設計、數據庫設計確定了系統框架，實現了牧場載畜量預估和載畜平衡評價等功能。為實現系統通用性以及模型動態更新，采用關系型數據庫構建模型庫管理載畜量模型、載畜平衡模型等系統所需模型；利用ArcEngine二次開發技術實現地塊定位、專題圖制作等地圖操作；基于.NET開發平臺，實現了牧場地塊載畜量預估與載畜平衡評價等核心功能，構建了牧場畜牧量評估系統。系統能夠滿足牧場數字化牧場經營需要，對草地資源管理和合理開發利用具有實踐意義。

后續研究將優化載畜平衡理論，在進行評價時考慮牧草生長周期、輪牧等影響因子；在牧草產量預估時構建牧草生長模型，豐富GIS技術在牧場經營管理中的應用。Web GIS+專家系統+決策支持系統是未來數字牧場的發展趨勢，即“互聯網+”牧場管理，這也是后續研究內容之一，以便實現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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