現代數字草業技術

辛曉平

數字草業技術本身只是個手段，通過促進草業產業發展來帶動社會生產力進步、提高經濟效益，才是草業信息化技術應用的最終目的，只有通過推廣應用才能完成草業管理技術創新的整個過程。

一、數字草業

數字草業是數字農業的一個重要分支，是在數字農業的基本標準和規范框架下，利用數字化技術構建面向草地現代化管理的數字技術和理論框架，數字草業集成計算機技術、網絡通訊技術、空間信息技術、草業科學與生態學等基礎學科，對草地生態系統各要素（環境要素、生物要素、經濟要素等）及其重要過程進行監測、模擬、管理與控制。數字草業，在宏觀上進行區域草業生態、生產、經濟的監測與評估，為草業可持續發展提供決策支持：在微觀上通過專家系統和知識工程建設，進行草地生產過程的數字化管理與控制，最大限度地優化生產投入、產量和效益。

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、粗放經營以及氣候和其他因素的影響，我國草原生態退化達90%以上，近20年來平均產草量下降了20%～50%，導致了大面積的沙塵暴、水土流失等生態環境問題。近年來雖然啟動了退牧還草、天然草原保護等重大工程，但由于草地信息難以準確實時獲取，草地生產過程缺乏科學管理和動態調控，草地保護和建設工程缺乏技術支撐，因此草地退化形勢仍相當嚴峻。數字草業技術是現階段提高我國草業經營效率、保持草地畜牧業可持續發展的技術保障。

二、國際數字草業技術發展

數字草業的發展可以追溯到20世紀50年代，以信息化為標志的第三次產業革命給各行業提供了創新的契機，信息技術的應用不僅改變了傳統的草地生態系統管理思想，而且引發了以知識為基礎的草業產業技術革命。近半個世紀以來，歐美發達國家在其現代化草畜生產體系基礎上，建立了完善的數字草業技術體系。總的來說大致經歷了三個階段：20世紀50～60年代以科學統計計算為主的計算機應用階段：70～80年代以數據處理、模型模擬和知識處理為主的研究階段：90年代以來以網絡技術、“3S”技術、智能控制等應用為主的智能草業信息化管理階段。

草地生態系統模擬是數字草業的基礎，包括草業統計模型、系統生長模型和區域仿真模型。草業統計模型主要包括根據草地農業及其集約化管理相關經驗建立的草地生產/經濟模型及附屬數據庫系統。草地生態系統生長模型根據土壤一大氣一植物一動物相互作用的生理生態學原理，研究草地生態系統結構、生產力和經濟效益，如應用人工草地產量模擬的EPIC模型，以及用于天然草地和永久性人工草地的GrassGro等。區域仿真模型如CENTURY草地生態系統模型，把植物生長看成環境因子的函數，描述區域草地植被生理生態功能、物理環境與植物之間的物質循環，可以與大氣環流模式（GCM）相耦合，有利于開展區域或全球尺度生態系統結構與功能的動態研究。作為主要的陸地生態系統，區域尺度草地生態系統模擬技術也得到了長足發展，為數字草業奠定了理論基礎。

草地生態系統動態監測是數字草業的核心內容，包括草地資源調查，草地環境信息動態更新，草地生產、生態、災害信息監測與評估等。20世紀中葉，蘇聯和歐美等發達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查。20世紀70年代后，國際自然保護監測中心（CMC）、全球環境監測系統（GEMS）等全球性自然資源監測網絡在全球范圍內開展了植被資源調查、監測與評價。隨著遙感技術和地理信息技術的發展與應用，草地生態系統動態監測技術實現了從傳統地面監測到數字化監測的飛躍，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力估算、災害監測、退化監測等方面的理論研究與技術探索。伴隨著傳感器制造技術的發展，傳感器識別能力迅速提高，草地監測指標由生物量、覆蓋度等簡單綠度表觀指標轉向草地質量、健康狀況診斷等“質量”指標，特別是在草地遙感監測技術方面，過去在低分辨率遙感數據影像上影跡模糊、監測困難的細小植株，在新一代“高分”遙感數據的影像上變得清晰可見，大大拓寬了草地資源監測的范圍。

草業管理專家系統與決策支持是數字草業技術的集成應用，是在豐富的知識積累、科學統計方法、系統模擬與仿真技術基礎上，針對實用草地生產管理問題開發的管理應用信息系統（MIS）、專家系統（ES）和決策支持系統（DSS）等。據統計，美國目前正在使用或準備使用的農牧業專家系統超過1000個，美國48%的農牧民擁有互聯網接入技術，專家系統是日常生產中的主要應用技術；澳大利亞、新西蘭等畜牧業發達的國家，數字化技術應用已深入到草業生產、管理、市場經營的各個環節，澳大利亞40%以上的家庭牧場應用專家決策支持系統來進行草地放牧系統管理和生產經營。隨著草業管理專家系統和軟件技術的發展，各種用于科研和生產的草地數字化管理、決策支持硬件技術產品也得以迅速發展，如草地群體蓋度無損傷測量儀器First Growth，草地生產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、我國數字草業技術進展

我國數字草業起步較晚。在草地生態系統模擬和決策支持方面，我國學者開發了一批草業生產模型，包括草地生物量和生產力的估算模型、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仿真和優化管理模型、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開發了一批專家系統和決策支持系統，進行天然和人工草地生長、生產及田間管理系統模擬和決策支持。草地遙感監測技術從“六五”開始起步，也取得了一系列的研究進展，特別是近10多年來在草地生產力估算、災害監測、生態退化監測等方面已經取得了很多成果，使得草地資源遙感技術在準確性、實用性方面取得了很大的進展。

我國數字草業技術研究在基礎數據信息化、草業資源環境調查與動態監測、草地生產系統模擬與決策支持等方面取得了迅猛發展，但與發達國家相比差距仍然較大，集中表現在數字草業技術市場化程度低、不規范，產品級的技術開發薄弱等，這些都直接或間接地影響到我國草業科學化、產業化發展和草業生產經營效益的提高。針對中國草業發展的需求，中國農業科學院資源區劃所等自1998年開始現代數字草業理論與技術的研究、推廣與示范，研制了“中國數字草業技術平臺”，完成了草地信息采集、更新、監測和決策服務等一套完整的理論和技術集成體系。

“中國數字草業技術平臺”是在新興學科背景下科學問題驅動的技術研究，是在新興信息技術及其理論指導下，緊密結合當前主流信息技術、草業管理專業理論的最新進展，將先進的理論和技術應用到我國草業產業化發展和生產實踐中，探索草業數字化監測和管理關鍵技術、相關科學問題與假設，提煉出我國現代數字草業理論與技術框架，可歸納為草業數據與信息、數字草業理論與技術，以及不同目標的技術應用等三個層面。

數據與信息層面，“中國數字草業技術平臺”制定了草業資源信息數據庫元數據標準：分析了草業科學數據采集、保存、處理、質量管理等方面的特征，建立了草業基礎數據系統數據結構，完成了天然草地科學觀測、人工草地科學實驗、草業生產經濟動態、草原區生態背景、草業信息動態監測數據等五個主體數據庫69個數據集的整理與標準化：借鑒開放網格服務體系OGSA標準，提出了適合草地數字化管理應用的數據構架方式，結合現代數據庫管理技術、網絡技術，構建了草地科學數據中心和網絡管理系統。

理論與技術層面，“中國數字草業技術平臺”針對天然草地、人工草地在管理上存在的問題與需求，在草地數字化管理理論與方法研究的基礎上，對草業生產流程不同環節的監測、管理問題進行抽象和歸納，提煉出了草地農業系統（人工草地、天然草地、草地一家畜系統）數字化管理的理論、方法與模型，并通過專業理論與信息技術集成開發了一批數字草業技術應用軟件、網絡系統和硬件產品。

天然草地監測管理應用方面，建立了高精度草地生產力遙感監測模型、多尺度草畜平衡動態監測與診斷模型、草地一家畜生產系統動態模型研究：通過擴展草地監測空間數據模型，設計了草地動態監測與管理的AO模型，完成了天然草地監測與管理技術平臺開發，實現了草地生產力、長勢、產草量、旱災的動態監測、草畜平衡動態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品級定制服務。

人工草地管理決策應用方面，構建了人工草地生長與產量管理模型、牧草適宜性評價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上，采用全組件式的軟件結構體系設計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、病蟲害診斷與防治、水分診斷與灌溉決策、生長過程模擬、產量與效益預測等方面，全方位進行人工草地生產管理的智能決策，并支持應用系統定制、數據分發，能夠與專業分析模塊和其他應用系統集成；同時，基于移動存儲技術，開發了人工草地引種與智能管理掌上平臺。

草畜動態模擬與管理應用方面，建立了中國溫帶草原一家畜模擬和動態管理系統，實現了非牧狀態下草地生產力和群落結構動態精確模擬，評估不同載畜壓力、不同利用模式（輪牧、休牧）對草地生產力和群落結構的影響，進行家庭牧場尺度的草畜生產、生態、經濟的優化管理和動態調控。

我國在草業信息化技術研究方面已經取得了很多進展，為我國草業信息化、科學化、現代化發展奠定了技術基礎。但數字草業技術本身只是個手段，通過促進草業產業發展來帶動社會生產力進步、提高經濟效益，才是草業信息化技術應用的最終目的，只有通過推廣應用才能完成草業管理技術創新的整個過程。

四、數字草業前景展望

目前，國際信息技術進入以網絡化、空間化、智能控制為主的全面信息化階段，數字化技術趨于硬件化、實用化、產品化，根據我國國情和草業生產發展水平，數字草業理論與技術表現出空間化、精確化、自動化、集成化的發展趨勢。

草地監測技術空間化：我國草地生態系統區域遼闊、自然條件復雜，草業生產問題具有多時間、多空間尺度變化特點，基于多平臺遙感的監測技術是滿足草地實時數據獲取的必要手段。

草業生產過程精確化：不同尺度上草畜過程管理決策支持的要求不同，但結合植被生長發育過程、草地一家畜相互作用機理的生產系統動態模型是草業數字技術的前沿領域，結合遙感定量反演、數據與模型同化，為實現可控尺度上的精確化生產控制提供工具。

草業生產管理控制自動化：人工智能是信息領域最前沿的技術之一，應用人工智能進行田間管理參數的獲取與識別，將大大提高草業生產管理的自動化和實時化程度。

草業信息技術集成化：信息技術對草業發展重要的幫助之一是遠程信息通訊。具有網絡支持的移動存儲平臺將彌補電信基礎設施條件帶來的不便，提供更加便捷的服務。

責任編輯：周立新 馬莉莎