基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監測系統

王偉強+汪傳建+余曉平+文春雷+張雅+孫世澤

摘要：現有的牧群追蹤系統僅實現了牧群位置實時顯示、歷史軌跡查詢和圍欄報警功能，已無法滿足草地畜牧管理部門對于牧場放牧強度和牧群采食情況監測等功能的更高需求。針對上述問題，結合草地科學理論與空間分析方法，提出基于放牧時空軌跡數據的牧群采食量分布模型和牧場放牧強度監測方法。在已建立的物聯網位置服務平臺基礎上，集成WebGIS空間分析技術與可視化技術，建立了物聯網牧群軌跡數據采集與WebGIS時空數據分析的放牧監測系統。系統實現了牧群位置地圖顯示、牧場放牧強度監測、牧群采食量分布監測3個功能。以新疆天山北麓牧場為案例對系統進行了應用分析，結果表明，系統能有效地實現牧群位置信息、牧場放牧強度信息、牧群采食量分布信息的動態監測，可為相關管理部門對放牧信息的監測提供技術支持和數據支撐。

關鍵詞：放牧；監測；采食量；放牧強度；WebGIS；北斗/GPS；物聯網

中圖分類號： S127；S126；TP79文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0202-05

新疆是我國的五大牧場之一，擁有發展畜牧業得天獨厚的條件。目前，全疆有牧業縣和半牧業縣87個，從事牧業人口138萬人，占農村總人口12.6%；現有天然草場57萬km2，牧場130個[1]。但新疆天然草地資源利用情況很難被實時、有效地監測。新疆天然牧場大多位于高山、丘陵地帶，交通和通信設施非常落后。牧民和牧群進入牧場后，由于缺乏固定電話、移動電話和互聯網等通信聯絡方式，牧民與外界的聯系基本中斷，牧主與草地畜牧管理部門無法實時掌握和監控牧民的放牧行為。對于牧主來說，他們很難評估牧民的放牧行為是否合理，是否充分利用了牧場資源，是否及時轉場等；對于畜牧管理部門來說，牧民是否在規定的牧場放牧，是否越過了禁牧區，牧場的載畜量能否滿足放牧需求等，這些問題在很大程度上影響了畜牧管理部門實施劃區輪牧[2]、退牧還草、圍欄封育、草原生態補償等天然草地建設項目的科學決策。因此，研發一種放牧監測系統用于快速、大規模、低成本地監測牧民的放牧行為、牧場的放牧強度和牧群的采食情況，對促進畜牧業經濟與草地生態可持續發展有重要的意義和應用價值[3-4]。

20世紀90年代以來，學者們將全球定位系統（global positioning system，簡稱GPS）技術與計算機技術引入到草地畜牧業中，實現了位置信息的采集、分析和可視化。Kawamura等采用GPS項圈以一定時間間隔記錄牧群軌跡，并將軌跡數據存儲在內置存儲器上，待傍晚趕牲畜回畜圈時，取下定位項圈，再通過USB數據線將軌跡數據同步至計算機中[5-7]。該方法雖然可以滿足學者們對牧群軌跡數據采集的需求，但人工逐一同步數據不僅大大增加了信息采集人員的工作量，而且無法滿足畜牧管理部門與牧主對牧群實時定位的需求。

近年來，隨著地理信息系統（geographic information system，簡稱GIS）技術、無線通信技術和物聯網技術的發展，國內外學者們將通用分組無線服務（general packet radio service，簡稱GPRS）技術[8]、物聯網技術（internet of things）[9]、GIS技術與北斗/GPS技術結合，實現牧群軌跡數據的遠程傳輸、實時監測與可視化顯示[10-11]。Henkin等為了研究在丘陵地區中地形因素對牛覓食行為的影響，采用LOTEK 2200系列GPS項圈（Lotek Engineering，Newmarket，ON，Canada）以時間間隔為5min記錄牧群的軌跡信息，并對不同季節不同放牧強度下的放牧軌跡進行分析，發現牛群喜歡在地形平坦的地方采食，僅當放牧強度趨于飽和或牧草生物量較低時，才會在地形較為陡峭的區域采食[12]；Pérez-Barbería等采用GPS項圈（LOTEK GPS3300）1 h記錄1個綿羊群和馬鹿群位置數據，結合徑向基函數理論，提出1種同域物種運動行為驅動因素的狀態空間模型，以深入了解動物間相互影響及其復雜的合作與競爭行為[13]。陳俊研發1種基于GPS與GIS的衛星放牧系統，以實時接收、解析并存儲牧群位置數據，并結合WebGIS技術、Web Services技術與Ajax技術實現了牧群的位置實時顯示、歷史軌跡查詢和電子圍欄報警等功能[14]；成志龍通過Google Earth與Access 數據庫的二次開發研發了1種基于GPS/GPRS羊群定位追蹤系統，實現了牧群位置信息實時顯示與歷史軌跡查詢功能[15]。

以上研究工作主要是通過購買國外的定位項圈終端實現牧群定位，并結合WebGIS技術研發牧群定位平臺來實現牧群實時位置顯示、歷史軌跡查詢和電子圍欄報警等功能。這些研究存在以下局限性：（1）現有牧群位置服務平臺主要實現了上述3種位置服務功能，鮮有實現牧場的放牧強度監測功能和牧群的采食情況監測功能，因而無法滿足草地畜牧管理部門對牧場監測的更高要求；（2）主要使用國外的GPS項圈，其設備成本與后期的服務費用高昂，難以大規模應用。為此，本研究在現有的研究基礎上，研發了1種基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監測系統。本研究選擇深圳谷米電子有限公司的GT03C定位跟蹤器作為畜群位置數據的采集終端，以現有的EXLIVE超越位置服務平臺作為軌跡數據采集平臺。以放牧軌跡為研究對象，針對數據分析環節，結合ArcGIS Server服務發布和ArcGIS Javascript API等技術構建放牧監測平臺，并以草地學為理論基礎，結合網格分析、緩沖區分析、疊加分析等空間分析方法實現牧場的放牧強度監測和牧群的采食情況監測等功能。

1系統組織結構

1.1基于物聯網的牧群軌跡數據采集

本系統是在現有的EXLIVE超越位置服務平臺基礎上構建的。EXLIVE平臺是由西安超越軟件有限公司研發的位置服務平臺，其特點為多地圖多協議、服務免費、開放平臺接口。截至目前已接入北斗/GPS位置采集終端總數約為275.84萬臺。將定位終端部署到牧群上，通過位置終端對牧群位置信息進行實時采集并遠程傳輸至服務平臺，實現對牧群位置信息的動態監測，為基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監測平臺的研發提供了軌跡數據采集的基礎。

基于物聯網的牧群軌跡數據采集架構采用物聯網的3層體系結構進行設計，3層體系結構依次為感知層、傳輸層、應用層（圖1）。

感知層解決牧群軌跡數據獲取問題。將北斗/GPS追蹤項圈部署到牧群中，對牧群的經緯度位置、時間、速度等信息進行定時采集，并按照數據傳輸標準進行封裝后傳送到傳輸層。其中，定位終端的選擇是實現牧群軌跡數據采集的重要前提條件之一，由于深圳谷米電子有限公司的GT03C定位跟蹤器具有價格經濟、功能實用和系統穩定等特點，并且該產品的續航能力、整機質量、工作模式與定位精度等指標滿足野外牲畜定位要求，所以選擇該設備作為牲畜位置數據的采集終端。

其終端指標詳細說明如下：該終端定位誤差小于10 m；在定位時間間隔分別為20 s、3 min工作模式下，可正常工作時間分別為72、120 h；機身尺寸為91.5 mm×57.0 mm×37.5 mm（長×寬×高），整機質量為202 g。Hulbert等研究表明，GPS設備的質量與羊的質量之比小于2.2%時，不會對羊的生理行為與采食行為造成影響[16]。Akasbi等研究表明，記錄時間間隔越短，所記錄軌跡越近似現實放牧軌跡[3]。本試驗權衡記錄軌跡和現實軌跡的擬合度與GPS設備續航能力2個因素，確定記錄時間間隔為3min。在部署終端時，將設置好的GPS定位跟蹤器裝入防雨袋內并固定在羊的脖頸上進行自動跟蹤，定位項圈如圖2所示。

傳輸層解決數據遠程異地傳輸問題。該層通過短信、GPRS/3G移動通信網和Internet實現軌跡數據遠程傳輸。

應用層解決信息處理和人機交互問題。該層由服務器等基礎架構平臺和Web應用程序等軟件平臺構成，主要功能是接受各個定位項圈獲取的牧群軌跡數據，并將數據信息解析后存入數據庫。本研究在應用層進行WebGIS空間分析技術的集成，以草地學為理論基礎，結合時空分析技術，建立牧場放牧強度監測方法、牧群采食量分布監測模型，實現對放牧信息的動態監測。

1.2基于WebGIS的牧群軌跡數據分析

基于WebGIS的牧群軌跡數據分析的結構設計由系統數據庫服務器、WebGIS應用服務器、Web服務器以及運行其上的Web應用程序組成（圖3）。系統數據庫包括地理數據庫、牧場數據庫、氣象數據庫等。其中，地理數據庫記錄牧群軌跡點數據、軌跡線數據、牧場邊界面數據、Lansat-8影像柵格數據、歸一化差分植被指數（NDVI）柵格數據、研究區高程柵格數據、放牧強度專題圖面數據、采食量分布柵格數據等。牧場數據庫主要記錄地面實測牧草生物量樣方數據等。WebGIS應用服務器則是系統實現牧群軌跡數據地圖顯示、牧場放牧強度分布專題圖制作、牧群采食量分布專題圖制作等各種空間數據檢索與分析功能的核心組成，以Web Service空間數據接口性提供應用服務[9，17-18]。當用戶使用放牧監測平臺時，服務器針對用戶服務請求調用相應功能模塊與數據進行處理操作，并將處理結果在監測系統界面上以專題圖或表的形式顯示。

2系統功能設計

2.1系統總體功能模塊

基于WebGIS的放牧監測系統在功能上主要分為放牧行為監測、牧場放牧強度監測和牧群采食量分布監測3個部分。WebGIS技術在系統各個功能模塊的實現上都起到了非常重要的作用。放牧行為監測功能即實現牧群位置的實時顯示、歷史回放、圍欄報警，牧場放牧強度與牧群采食量分布的監測，是本系統的核心功能部分。其中，放牧強度分布是通過網格分析方法對牧群軌跡點數據處理創建而成的[3- 5]；牧群采食量分布的監測是基于放牧軌跡所記錄的時間和空間屬性數據，根據放牧過程的空間分布特征，采用緩沖區與網格分析方法生成放牧分布，同時利用模擬采食量計算方法計算各個局部放牧區域的采食量信息，進而得到牧群的采食量分布[11]。

2.2放牧強度分析

放牧強度是單位草地面積在一定時間內放牧家畜的數量（頭），以單位可食牧草面積上放牧家畜數量（頭）表示[19]。Kenward研究表明，在對不同樣本個體數據的空間分布進行分析時，網格分析方法是非常有效的手段[20]。因此，采用網格法對定位項圈以3 min為記錄時間間隔獲得的軌跡點數據進行分析，進而生成牧場的放牧強度分布圖[5]。具體方法如下：首先，對研究區牧場進行網格劃分，其單元格大小需綜合考慮放牧強度分布結果的細節信息與宏觀模式2個因素，本研究設定單元格大小為50 m×50 m；其次，對每個單元格內牧群位置點進行計數，進而生成牧群位置點的頻數分布；最后，計算給定時間范圍的放牧強度（grazing intensity，簡稱GI），計算方法如下：

式中：DGI為放牧強度，單位為1 km2羊單位（sheep units，簡稱SU）個數，SU/km2，其中，1只綿羊為1個羊單位，1匹馬為6個羊單位，1頭牛為5個羊單位，1只山羊為0.6個羊單位[21]；C為單元格內位置點的總數，個；N為每個GPS終端代表羊單位的個數，例如100只綿羊羊群里面放10臺定位項圈，則N為10；S為單元格面積，km2。

由于ArcGIS Desktop具有強大的空間分析能力，借助模型構建器（model builder）可以以流程化的方式構建放牧強度分析模型，建模過程如圖4所示。首先采用“創建漁網工具”對研究區進行網格劃分，再利用“空間連接工具”對給定時間范圍軌跡點數據與格網進行處理，得到給定時間范圍內放牧軌跡點頻數的空間分布圖，最后使用“添加字段工具”與“計算字段工具”用公式（1）計算每個單元格的放牧強度，進而生成牧場的放牧強度分布。2.3牧群采食量分布生成

牧群采食量分布的建模過程主要分為2個部分：（1）如何根據放牧軌跡生成放牧分布；（2）如何計算各個局部放牧分布的采食量。

放牧分布的生成：如圖5所示，用1個格網代表研究區，放牧軌跡由軌跡段Li組成。根據現實放牧場景中放牧空間分布呈帶狀區域特點，采用緩沖區方法對牧群的軌跡數據進行分析，進而生成緩沖區，并通過將其與網格進行疊置處理，最后得到相應軌跡段的局部放牧分布，其中R是與牧群移動方向垂直的方向上的距離。