论草业科学的信息维

梁天刚,黄晓东,任继周

(农业部草地农业生态系统学重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

在草业科学内部，有4个学科具有维的性质，亦即这4个学科体现草业科学的多维性。它们是草原类型学，可称为类型维；草原生态化学，可称为化学维；草地农业生态系统学，可称为系统维；草业信息学，可称为信息维。它们各有独具的知识流，或多或少地，或迟或早地分别贯穿于草业科学的各个板块，因而也贯穿于全部草业科学。它们对草业科学既连缀又规整的作用至关重要[1]。其中信息维不仅是草业科学四维特征之一，也是草业科学现代化的神经网络[2]。随着计算机、网络和3S(遥感、地理信息系统和全球定位系统)等技术和管理信息系统、专家系统、决策支持系统和数字地球等综合集成系统的迅速发展，草业科学的信息维日显重要。草业科学的信息维是信息学针对草业科学管理程序的异化。因此，需要通过对草业信息学的阐述，来认知草业信息维特征。草业信息学是草业科学的重要分支学科，是探究草业各个因子群、各个界面、各个生产层而建立的众多板块之间的信息认知、采集、处理、流通、反馈、调控的科学[3-5]。它以信息学自身的特殊手段，将草原类型学、草原生态化学、草地农业系统学，以及草业科学内部各个分支学科所提供的信息加以整合，建立自身的学科系统，阐述草业科学内部的信息关联并加以调控。其集成表现之一就是草业专家系统。

草业信息学运用草原学、生态学、计算机与信息学、遥感、地理信息系统和全球定位系统等学科的理论与技术，研究草业信息的表达、处理、分析、集成和应用，对草业资源与环境的监测、评价和管理进行方法性研究，为草业信息的数字化、可视化管理提供理论和技术支撑。

1 信息是现代草业构建和发展的必要条件

信息(information)是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们或系统提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据(data)，而数据是一种未经加工的原始资料。数字、文字、符号、图像都是数据。数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释[6]。

草业科学由生产域、管理域、市场域构成(图1)。生产域包含与草业有关的专业农场、工厂、专业户，它们是草业生产的基本单元。产品由草业生产单元输出，经过管理域，而后进入市场域。而管理域的核心就是信息系统对草业的操控过程。如图1所示，在草业的管理域中，信息中心与服务中心居于枢纽地位，从这里向业务管理和行政管理发出指令并接受其反馈，以使草业系统在不断调整中运行不辍。

2 草业科学的信息维特征

草业科学的信息维是信息学针对草业科学管理程序的异化。因此，需要通过对草业信息学的阐述，来认知草业信息维特征。草业信息学在草业科学的基本理论与技术的基础上，对草业系统采用数据库技术、遥感技术、地理信息系统、专家系统、决策支持系统等现代信息技术的集成和应用，主要包括草业信息的数字化与可视化表达、处理、分析、集成和应用等方面。草业信息学主要包括草业信息采集、信息处理与模拟模型、草业信息基础数据库、草业资源管理信息系统、草业遥感技术、草业地理信息系统、草业决策支持系统、草业专家系统、精确草业与数字草业和草业信息网络与服务系统等12个部分，为定量研究草地生态系统中土-草-畜-市场之间的互作关系及草业生产、经营管理、科学研究和技术推广，提供新的管理技术和传播途径，促进草业的持续发展和数字化与可视化管理。

图1 信息系统在草业科学管理中的地位

草业信息学的基本结构体现其主要内容之间的关系(图2)。草业信息学是在重点介绍信息技术与信息科学基本内容的基础上，阐述草业信息的研究领域，数据库技术、三维可视化技术、草业信息遥感监测技术、草业空间信息管理技术、草业系统数理模拟技术、草业信息系统开发技术、基于人工智能的草业专家系统技术、草业决策支持系统技术、草业信息服务技术、数字草业技术等方面的关键技术，以及草业信息学的作用与应用。

图2 草业信息学主要研究内容及关系

3 草业信息学主要研究内容

草业信息学是草业科学的重要分支学科，它通过上述现代信息技术，对草业资源与管理系统加以数字化与可视化表达、处理、分析、集成和应用等。主要通过以下步骤达到对草业连缀与规整的作用。

3.1草业信息采集技术 依据草业信息的特点与类型，草业信息外业观测与采集技术主要包括地形与地貌信息的采集、基于全球定位系统(GPS)技术的地理位置信息的采集、气候信息的采集、土壤信息的采集、生物信息(草地及家畜等)的采集、人文信息(社会经济与人类活动等)的采集、其他草地生态环境监控信息的采集和基于互联网(internet)和遥感(RS)技术的草业信息采集技术等。

3.2草业信息统计分析 针对不同的数据类型及研究目标，通常需要采用不同的统计分析方法。这部分内容包括属性数据的常用统计分析方法、数据结构及软件(如SAS和SPSS等)，与地理位置相关的属性数据的地统计学方法，如整体空间插值分析方法和局部空间插值分析方法[7-9]，针对多目标规划的方法，如线性规划、非线性规划、多目标规划和不确定性多目标规划等[10-12]。

3.3草业信息模拟模型 主要内容有草业模拟模型的特征与功能,包括草业模拟模型的概念、特征、草业模拟模型的功能；草业系统模拟的原理与技术,包括系统分析方法、机理性与经验性的关系、模拟研究的尺度、析因方法与系数化、遗传参数、模型开发环境与工具、构件化程序设计等；草业模拟模型的研制步骤，包括模型选择与系统定义、资料获取与算法构建、模块设计与模型实现、模型检验与改进；草业模拟模型基本算法构建，包括牧草生长发育的模拟、草地净初级生产力的模拟、草地生物量与可食牧草产量的模拟、草地生态服务价值的模拟、草地生态补偿价值的模拟、草地养分效应的模拟、草地水分效应的模拟、草畜平衡动态的模拟等；草业模拟模型的应用，包括草业模拟模型的应用领域、模拟模型与其他技术的耦合。

3.4草业信息基础数据库建设 主要内容有草业数据库的概念与特征；草业数据库建设与应用，包括草业信息基础数据库的设计、数据内容、分类及编码、数据库的建立方法(如关系型数据库标准语言SQL、MicroSoft Access等)；数据库的维护与更新；数据标准化与规范化；现有草业数据库简介以及草业数据库的应用等。

3.5草业遥感技术 内容为草业遥感原理与发展动态，包括草业遥感的定义、草业遥感的作用、草业遥感的发展动态。草业遥感原理，包括电磁波和电磁波谱、太阳辐射与大气窗口、地物波谱特征、彩色合成原理、物候学与遥感最佳时相的选择等；草业遥感方法，包括地面遥感试验研究、空间遥感数据处理方法、植被指数模型等；草业遥感应用，包括草业资源遥感调查、草地植被长势监测与估产、草业灾害监测与评估等。

3.6草业地理信息系统 主要内容有地理信息系统(GIS)的基本概念与特征；地理信息系统的构成与功能；地理信息系统的基本原理与软件，包括地理信息系统的基本原理、地理信息系统软件、GIS与RS及GPS的集成技术；草业地理信息系统的研制，包括草业地理信息系统的研制流程、地理信息系统平台、草业地理信息系统的二次开发、草业地理信息系统研制实例；草业地理信息系统的应用，包括草业地理信息系统应用领域、草业地理信息系统与其他技术的结合[6-9]。

3.7草业资源管理信息系统 主要内容有草业管理信息系统的概念与特征，包括管理信息系统的概念、草业管理信息系统的组成、草业管理信息系统的发展、草业管理信息系统的特征；草业管理信息系统的研制与应用，包括草业管理信息系统的开发流程、草业管理信息系统的设计与实施、草业管理系统的应用实例[13]。

3.8草业决策支持系统 主要内容有决策支持系统的概念与功能，包括决策支持系统的基本概念、决策支持系统的产生、发展及功能；草业决策支持系统的类型与结构,包含草业决策支持系统的类型、基于牧草生长模型的决策支持系统、基于知识规则的草地管理决策支持系统、基于知识模型的草地管理决策支持系统、基于知识模型和生长模型的草畜管理决策支持系统等；草业决策支持系统的开发技术,包括草业决策支持系统开发的关键技术、草业决策支持系统的设计与开发；主要草业决策支持系统及其应用，包括基于生长模型、知识规则、知识模型的草地管理系统，专家系统与生长模型、知识模型相结合的草地管理决策支持系统等[14-15]。

4 信息维对草业科学的连缀与规整

信息维是草业系统的神经网络。通过上述草业信息学方法，将草业的各个生产板块加以连缀，构建草业系统并置于有序运转轨道。在其系统连缀和系统运转流程中，不断进行信息的收集和处理，对系统发出指令、依据信息反馈加以调控。

这一复杂过程的前提是草业数字化。在草业数字化的基础上，结合全球定位系统和遥感技术、数字地球的草业响应、智能化草业机械装备技术、数字草业技术体系等，最终构建草业专家系统。其中包括草业知识获取、表达、知识库与模型库的构建、系统调试与修改等。专家系统一旦形成，草业系统就纳入信息维的全盘监护之下。其主要功能为草业信息的咨询服务，包括草业资源信息检索、牧草病害诊断、草地类型信息处理与鉴别、智能学习与远程教学、草业物流服务(物流信息发布与物流管理、电子商务)、草地长势监测与估产信息服务(草业信息咨询服务(专家咨询、在线服务)、草地自然灾害监测与预警信息服务、草畜平衡决策支持和技术咨询服务、草地生态环境污染监测与评价信息服务等。

专家系统是信息技术与草业系统交互融合的最高形态。它使人们能够精密掌控草业系统各个分量，对系统内部各个板块运行实时监测，发出指令，删除其冗余，补充其不足，调控其结构[14-16]。信息维对草业系统的整合作用无所不在。在对草业科学信息维认知基础上，采用草业信息学手段，研究草业信息的获取、表达、处理、分析、综合集成等方法，实现草业信息的数字化、可视化与集成化管理系统，对促进草业科学的连缀与规整具有重要意义。

5 结束语

信息维不仅是草业科学四维特征之一，也是草业科学现代化的神经网络。信息维是信息学针对草业科学管理程序的异化。通过明晰草业信息学的体系结构、主要研究内容及其之间的关系，对认知草业信息维特征具有重要意义。

信息是现代草业构建和发展的必要条件。草业信息学是草业科学的重要分支学科，是探究草业各个因子群、各个界面、各个生产层而建立的众多板块之间的信息认知、采集、处理、流通、反馈、调控的科学。草业信息学主要研究内容包括草业信息采集技术、草业信息统计分析、草业信息模拟模型、草业信息基础数据库建设、草业遥感技术、草业地理信息系统、草业资源管理信息系统、草业决策支持系统等。专家系统是信息技术与草业系统交互融合的最高形态，信息维对草业科学具有重要的连缀与规整作用。

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