现代数字草业技术

辛晓平

数字草业技术本身只是个手段，通过促进草业产业发展来带动社会生产力进步、提高经济效益，才是草业信息化技术应用的最终目的，只有通过推广应用才能完成草业管理技术创新的整个过程。

一、数字草业

数字草业是数字农业的一个重要分支，是在数字农业的基本标准和规范框架下，利用数字化技术构建面向草地现代化管理的数字技术和理论框架，数字草业集成计算机技术、网络通讯技术、空间信息技术、草业科学与生态学等基础学科，对草地生态系统各要素（环境要素、生物要素、经济要素等）及其重要过程进行监测、模拟、管理与控制。数字草业，在宏观上进行区域草业生态、生产、经济的监测与评估，为草业可持续发展提供决策支持：在微观上通过专家系统和知识工程建设，进行草地生产过程的数字化管理与控制，最大限度地优化生产投入、产量和效益。

我国草地面积近400万平方公里，拥有世界上最丰富的草地类型和牧草品种资源。由于长期超载过牧、粗放经营以及气候和其他因素的影响，我国草原生态退化达90%以上，近20年来平均产草量下降了20%～50%，导致了大面积的沙尘暴、水土流失等生态环境问题。近年来虽然启动了退牧还草、天然草原保护等重大工程，但由于草地信息难以准确实时获取，草地生产过程缺乏科学管理和动态调控，草地保护和建设工程缺乏技术支撑，因此草地退化形势仍相当严峻。数字草业技术是现阶段提高我国草业经营效率、保持草地畜牧业可持续发展的技术保障。

二、国际数字草业技术发展

数字草业的发展可以追溯到20世纪50年代，以信息化为标志的第三次产业革命给各行业提供了创新的契机，信息技术的应用不仅改变了传统的草地生态系统管理思想，而且引发了以知识为基础的草业产业技术革命。近半个世纪以来，欧美发达国家在其现代化草畜生产体系基础上，建立了完善的数字草业技术体系。总的来说大致经历了三个阶段：20世纪50～60年代以科学统计计算为主的计算机应用阶段：70～80年代以数据处理、模型模拟和知识处理为主的研究阶段：90年代以来以网络技术、“3S”技术、智能控制等应用为主的智能草业信息化管理阶段。

草地生态系统模拟是数字草业的基础，包括草业统计模型、系统生长模型和区域仿真模型。草业统计模型主要包括根据草地农业及其集约化管理相关经验建立的草地生产/经济模型及附属数据库系统。草地生态系统生长模型根据土壤一大气一植物一动物相互作用的生理生态学原理，研究草地生态系统结构、生产力和经济效益，如应用人工草地产量模拟的EPIC模型，以及用于天然草地和永久性人工草地的GrassGro等。区域仿真模型如CENTURY草地生态系统模型，把植物生长看成环境因子的函数，描述区域草地植被生理生态功能、物理环境与植物之间的物质循环，可以与大气环流模式（GCM）相耦合，有利于开展区域或全球尺度生态系统结构与功能的动态研究。作为主要的陆地生态系统，区域尺度草地生态系统模拟技术也得到了长足发展，为数字草业奠定了理论基础。

草地生态系统动态监测是数字草业的核心内容，包括草地资源调查，草地环境信息动态更新，草地生产、生态、灾害信息监测与评估等。20世纪中叶，苏联和欧美等发达国家就基于航空遥感开展了国家和洲际尺度的土地资源调查。20世纪70年代后，国际自然保护监测中心（CMC）、全球环境监测系统（GEMS）等全球性自然资源监测网络在全球范围内开展了植被资源调查、监测与评价。随着遥感技术和地理信息技术的发展与应用，草地生态系统动态监测技术实现了从传统地面监测到数字化监测的飞跃，利用不同遥感平台、不同类型的传感器开展了大量草地生产力估算、灾害监测、退化监测等方面的理论研究与技术探索。伴随着传感器制造技术的发展，传感器识别能力迅速提高，草地监测指标由生物量、覆盖度等简单绿度表观指标转向草地质量、健康状况诊断等“质量”指标，特别是在草地遥感监测技术方面，过去在低分辨率遥感数据影像上影迹模糊、监测困难的细小植株，在新一代“高分”遥感数据的影像上变得清晰可见，大大拓宽了草地资源监测的范围。

草业管理专家系统与决策支持是数字草业技术的集成应用，是在丰富的知识积累、科学统计方法、系统模拟与仿真技术基础上，针对实用草地生产管理问题开发的管理应用信息系统（MIS）、专家系统（ES）和决策支持系统（DSS）等。据统计，美国目前正在使用或准备使用的农牧业专家系统超过1000个，美国48%的农牧民拥有互联网接入技术，专家系统是日常生产中的主要应用技术；澳大利亚、新西兰等畜牧业发达的国家，数字化技术应用已深入到草业生产、管理、市场经营的各个环节，澳大利亚40%以上的家庭牧场应用专家决策支持系统来进行草地放牧系统管理和生产经营。随着草业管理专家系统和软件技术的发展，各种用于科研和生产的草地数字化管理、决策支持硬件技术产品也得以迅速发展，如草地群体盖度无损伤测量仪器First Growth，草地生产速率无损伤测量仪器Raising Plate，以及装载了各种决策支持信息的掌上电脑等。

三、我国数字草业技术进展

我国数字草业起步较晚。在草地生态系统模拟和决策支持方面，我国学者开发了一批草业生产模型，包括草地生物量和生产力的估算模型、草地利用模型和载畜量与草畜平衡模型、天然草地一家畜系统仿真和优化管理模型、栽培牧草生长过程模型研究等，并基于模型研究和软件技术开发了一批专家系统和决策支持系统，进行天然和人工草地生长、生产及田间管理系统模擬和决策支持。草地遥感监测技术从“六五”开始起步，也取得了一系列的研究进展，特别是近10多年来在草地生产力估算、灾害监测、生态退化监测等方面已经取得了很多成果，使得草地资源遥感技术在准确性、实用性方面取得了很大的进展。

我国数字草业技术研究在基础数据信息化、草业资源环境调查与动态监测、草地生产系统模拟与决策支持等方面取得了迅猛发展，但与发达国家相比差距仍然较大，集中表现在数字草业技术市场化程度低、不规范，产品级的技术开发薄弱等，这些都直接或间接地影响到我国草业科学化、产业化发展和草业生产经营效益的提高。针对中国草业发展的需求，中国农业科学院资源区划所等自1998年开始现代数字草业理论与技术的研究、推广与示范，研制了“中国数字草业技术平台”，完成了草地信息采集、更新、监测和决策服务等一套完整的理论和技术集成体系。

“中国数字草业技术平台”是在新兴学科背景下科学问题驱动的技术研究，是在新兴信息技术及其理论指导下，紧密结合当前主流信息技术、草业管理专业理论的最新进展，将先进的理论和技术应用到我国草业产业化发展和生产实践中，探索草业数字化监测和管理关键技术、相关科学问题与假设，提炼出我国现代数字草业理论与技术框架，可归纳为草业数据与信息、数字草业理论与技术，以及不同目标的技术应用等三个层面。

数据与信息层面，“中国数字草业技术平台”制定了草业资源信息数据库元数据标准：分析了草业科学数据采集、保存、处理、质量管理等方面的特征，建立了草业基础数据系统数据结构，完成了天然草地科学观测、人工草地科学实验、草业生产经济动态、草原区生态背景、草业信息动态监测数据等五个主体数据库69个数据集的整理与标准化：借鉴开放网格服务体系OGSA标准，提出了适合草地数字化管理应用的数据构架方式，结合现代数据库管理技术、网络技术，构建了草地科学数据中心和网络管理系统。

理论与技术层面，“中国数字草业技术平台”针对天然草地、人工草地在管理上存在的问题与需求，在草地数字化管理理论与方法研究的基础上，对草业生产流程不同环节的监测、管理问题进行抽象和归纳，提炼出了草地农业系统（人工草地、天然草地、草地一家畜系统）数字化管理的理论、方法与模型，并通过专业理论与信息技术集成开发了一批数字草业技术应用软件、网络系统和硬件产品。

天然草地监测管理应用方面，建立了高精度草地生产力遥感监测模型、多尺度草畜平衡动态监测与诊断模型、草地一家畜生产系统动态模型研究：通过扩展草地监测空间数据模型，设计了草地动态监测与管理的AO模型，完成了天然草地监测与管理技术平台开发，实现了草地生产力、长势、产草量、旱灾的动态监测、草畜平衡动态诊断与多方案管理决策支持，也可以针对不同类型、不同层次的最终用户提供专门的产品级定制服务。

人工草地管理决策应用方面，构建了人工草地生长与产量管理模型、牧草适宜性评价GI S模型、田间管理诊断模型等研究。在上述模型与方法基础上，采用全组件式的软件结构体系设计了人工草地管理与智能决策平台，平台可从品种选择、栽培技术、病虫害诊断與防治、水分诊断与灌溉决策、生长过程模拟、产量与效益预测等方面，全方位进行人工草地生产管理的智能决策，并支持应用系统定制、数据分发，能够与专业分析模块和其他应用系统集成；同时，基于移动存储技术，开发了人工草地引种与智能管理掌上平台。

草畜动态模拟与管理应用方面，建立了中国温带草原一家畜模拟和动态管理系统，实现了非牧状态下草地生产力和群落结构动态精确模拟，评估不同载畜压力、不同利用模式（轮牧、休牧）对草地生产力和群落结构的影响，进行家庭牧场尺度的草畜生产、生态、经济的优化管理和动态调控。

我国在草业信息化技术研究方面已经取得了很多进展，为我国草业信息化、科学化、现代化发展奠定了技术基础。但数字草业技术本身只是个手段，通过促进草业产业发展来带动社会生产力进步、提高经济效益，才是草业信息化技术应用的最终目的，只有通过推广应用才能完成草业管理技术创新的整个过程。

四、数字草业前景展望

目前，国际信息技术进入以网络化、空间化、智能控制为主的全面信息化阶段，数字化技术趋于硬件化、实用化、产品化，根据我国国情和草业生产发展水平，数字草业理论与技术表现出空间化、精确化、自动化、集成化的发展趋势。

草地监测技术空间化：我国草地生态系统区域辽阔、自然条件复杂，草业生产问题具有多时间、多空间尺度变化特点，基于多平台遥感的监测技术是满足草地实时数据获取的必要手段。

草业生产过程精确化：不同尺度上草畜过程管理决策支持的要求不同，但结合植被生长发育过程、草地一家畜相互作用机理的生产系统动态模型是草业数字技术的前沿领域，结合遥感定量反演、数据与模型同化，为实现可控尺度上的精确化生产控制提供工具。

草业生产管理控制自动化：人工智能是信息领域最前沿的技术之一，应用人工智能进行田间管理参数的获取与识别，将大大提高草业生产管理的自动化和实时化程度。

草业信息技术集成化：信息技术对草业发展重要的帮助之一是远程信息通讯。具有网络支持的移动存储平台将弥补电信基础设施条件带来的不便，提供更加便捷的服务。

责任编辑：周立新 马莉莎