韩磊1，展秀丽2，赵锦序3
（1宁夏大学新技术应用研究开发中心，银川750021；2宁夏大学资源环境学院，银川750021；3北京地拓科技发展有限公司，北京100084）
摘要：为科学管理畜牧业、合理利用草场资源，研究并建立畜牧业管理信息系统成为实现半干旱半荒漠地区畜牧业高效管理及可持续发展的迫切需要。本研究从防治草原荒漠化的角度出发，基于地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和全球定位系统(gps) “3S”技术提出了半干旱半荒漠地区县一级畜牧业管理信息系统开发与设计的原则与方法，着重对县一级畜牧业管理信息系统数据库的结构与功能进行了初步设计。目前“3S”技术支持下的草地畜牧业管理信息系统在国内畜牧业管理上的应用还处于研究阶段，至今还没有产生一套完善的系统可以推广使用，本研究对该系统的最终建立具有一定的理论指导意义。
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关键词 ：“3S”技术；管理信息系统；畜牧业；荒漠化
中图分类号：S812.5 文献标志码：A 论文编号：2013-0974
Preliminary Study on County Level Animal Husbandry MIS in Semi-arid and Semi-desert RegionHan Lei1, Zhan Xiuli2, Zhao Jinxu3
(1Research Center of New Technology Application and Development, Ningxia University, Yinchuan 750021,Ningxia，China;2School of Recourses and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China;3Beijing Datum science and Technology Development Co., Ltd., Beijing 100084, China)
Abstract: Developing an animal husbandry management information system for scientific management ofanimal husbandry and rational utilization of grassland resources has become an urgent need in achievingefficient management and sustainable development of animal husbandry in semi-arid and semi-desert region.In view of combating grassland-desertification, this paper proposed a technical route and a practical way fordeveloping the animal husbandry management information system (MIS) based on 3S technology. Theobjectives and principles for establishing the database of this system was elaborated. Meanwhile, the structure,technical feasibility of the system and system function was designed preliminarily. 3S technology developsrapidly, however, currently there was no developed MIS for the area of grassland animal husbandrymanagement, this study demonstrated a realistic significance for the final establishment of this animalhusbandry MIS in the future.
Key words: 3S Technology; Management Information System (MIS); Animal Husbandry; Desertification
0 引言
草畜资源的协调发展一直以来都是草畜平衡研究的核心，长期以来，由于草畜平衡发展上各因素间的不协调，造成畜牧业的不稳定发展，掠夺式的经营又导致了土地沙漠化加剧、生态环境恶化升级、载畜能力不断下降[1-2]。为有效改变这种恶性循环，实现草畜资源的协调发展，必须建立一套切实可行的管理系统对草地资源进行科学准确的分析，根据不同类型草场的不同生产潜力，合理调度、配置牲畜的数量和种类[3-4]。畜牧业管理信息系统，就是综合利用GIS 软件，遥感、GPS定位等高新技术手段，同时也吸收传统调查、监测以及管理的长处，将地理、气象、人文、土壤、植被、畜牧、自然灾害等信息，统一到计算机系统之中，通过对信息的分类、加工、评价、分析，得到一系列用来指导畜牧业管理决策的信息或知识[5]。因此开发建立畜牧业管理信息系统，不仅可以为半干旱半荒漠地区畜牧业的管理和决策提供技术支持，同时信息数据库的建立对干旱半干旱荒漠地区合理利用草场资源、维护荒漠草原生态平衡具有重要意义。
从功能上来讲，畜牧业管理信息系统是GIS 与MIS（管理信息系统）在畜牧业上的综合应用。目前“3S”技术支持下的草地畜牧业管理信息系统在国内畜牧业管理上的应用还处于研究阶段，至今还没有产生一套完善的系统可以推广使用。最早卫亚星等[6]提出了用Visual Basic 语言建立草地畜牧业管理系统的方法；吴全等[7]开发出“中国西部草地资源信息系统”，该系统具有草地分类和载畜量估算2 个主要功能，但是没有考虑到畜牧业管理的需要，而且不适于在小尺度上的应用；张学俭等[8]基于“3S”技术对宁夏重点风沙区生态环境综合治理项目信息管理系统进行了开发与设计，为草地畜牧业管理系统的功能设计提供了重要参考；随后王庆[9]2008 年利用ArcGis 9.0 Desktop 建立了宁夏盐池县草畜资源基础数据库，并分析和估算了草场载畜量以及草地畜牧业管理需求。畜牧业是农业发展的重要内容，目前，中国农业和农村经济的发展正处于升级换代的阶段，畜牧业信息化对促进荒漠化地区经济发展具有深远的意义。基于此，本研究根据畜牧业信息化管理的需求，初步设计了半干旱半荒漠地区县一级畜牧业管理信息系统的结构与功能，为今后该系统的最终建立提供了理论依据，给改造传统畜牧业、开拓现代畜牧业提供参考。
1 畜牧业信息化管理的需求
（1）以GIS为开发平台，将与畜牧业管理相关的属性数据和空间数据输入计算机，建立项目区的图形图像数据库、小班（地块）档案数据库以及遥感动态监测体系，为项目建设提供空间信息和属性信息查询、更新、统计分析，科学管理和辅助决策支持，实现畜牧业全过程数字化和可视化管理。
（2）最大可能地满足县一级畜牧业综合管理的业务要求，系统采用面向对象的语言开发，在窗口中实现各种业务的统计分析处理，结果通过图标和专题图的形式表现。
（3）系统设计与开发过程中，在确保系统实用的同时，充分利用信息技术发展的最新成果，使系统具有较强的可扩展性和对需求变化的自适应能力，以适应将来系统数据增加和功能扩展的变化。
2 系统结构与功能设计
2.1 系统结构设计
整个系统采用Client/Sever 结构，客户端为基于GIS软件开发的应用程序，服务器端采用SQL Sever 管理各类数据库，系统主要由数据库编辑、数据查询、地形分析、专题图制作、资源评价、管理决策、效益评价及灾害监测8个子系统组成[10-11]，其组成结构见图1。2.2 数据库数据组织与加工
根据数据库系统和地理信息系统各自的特点，通过属性数据管理和GIS 的集成，结合各种评价方法与数学模型，实现对畜牧业数据信息的动态管理[7]，如图2所示。
2.2.1 数据组织
（1）基础数据的获取。建立一个能满足研究目标服务的信息数据库最基本的工作首先就是基础数据的选取，一般可分为下列6 个类型：社会经济状况、耕地及农作物播种情况、林业建设情况、草场及其建设情况、畜牧业生产情况及气象气候资料等[12]。
（2）地图及影像资料的收集。地图资料包括地形图、土地利用现状图、草场类型图、土壤类型图等；利用不同时期的遥感资料可以进行动态比较分析。
2.2.2 资料加工处理
（1）地形图及专题图矢量化。应用GPS进行地理坐标的数据测定，使用扫描仪或数字化仪将纸质地形图扫成栅格图片，利用北京54 坐标系统的文件配准方法对栅格图片进行配准，利用矢量化软件如R2V对地图资料进行矢量化，将结果导入GIS系统。
（2）数据表连接。本系统的空间数据以图层为基本单位，图层数据包括2 种，一种是空间分布的目标（用实体图形表达），一种是目标属性数据（用属性表或属性库表达）。图层目标和目标属性数据是通过目标关键字紧密相联的，这样便于空间查询、管理和分析，这种关联既可以满足从图形到属性的查询，又可以从属性到图形进行查询。
（3）属性编码。对地图属性要素进行编码，是规范管理、利用数据库，减少数据存储的有效途径之一。根据有关国家标准对地图属性要素进行编码，可以为其他单位、系统所接受。与GIS 有关的标准有：GB2260—80《中华人民共和国行政区划代码》，GB/T13923—92《国土基础信息数据分类与代码》，GB14804—93《1:500、1:1000、1:2000 地形图要素分类与代码》，GB/T 5660—1995《1:5000、1:10000、1:25000、1:100000地形图要素分类与代码》等[5]。
2.2.3 系统数据库的建立
（1）栅格数据库。包括遥感影像类数据库和地图栅格数据库。遥感图像经图像处理软件处理后，在GIS 软件中建库；地图栅格数据在扫描配准后同样在GIS中建库。
（2）矢量数据库。包括基本地形图的矢量数据库、土地利用现状图、草场分布图矢量数据库等。
（3）属性数据库。包括地形数据，如数字地面高程数据以及由此产生的坡度、坡向数据等；地面测试数据，如不同时期地面植被、土壤、气象、水文等数据；现状数据，如土地利用类型、分布、植被类型等。
（4）报表文档数据库。包括各种统计报表、管理文档、规划设计报告等，另外可以添加各种模型如效益评估模型等。
2.3 系统功能设计
本研究设计的畜牧业管理信息系统具备8 个子系统，图1 中前4 个子系统为该管理信息系统的基本功能，后4 个为系统的拓展功能，需要以GIS 作为开发平台，采用符合工业标准编程语言如C++、VBA、Delphi等开发工具进行二次开发实现[5]。
（1）数据的输入与输出。数据输入功能是整个系统的基础部分，它主要目的是把经过数据采集整理好的图形属性数据以图形的形式在系统中显示出来，为其他功能模块的使用提供数据来源。此外，系统提供项目信息的多方面和多形式输出。输出内容包括项目区的图形、图像、图表、文本等各种信息。输出形式包括屏幕显示、打印图表、绘制地图、数据文件等。
（2）查询检索。本系统在专题数据库与图形数据库之间建立了密切联系，因而可以对图形数据和属性数据进行一体化信息查询，查询方式可分为图形查询、属性查询和数据库查询3 种方式，通过这几种方式把经过数据采集和变更调查输入的图形数据和属性数据，按照各种给定的查询条件进行查询。
（3）数据统计。在数据库中进行查询检索时，可以将查询到的具有指定专题值的数据记录或者具有指定专题值某一范围的记录进行统计。比如可以对所有地类面积进行统计，可以对2 年数据进行对比统计，也可以就各个乡镇的面积进行统计等。
（4）专题地图制作。专题图包括现状专题图和规划专题图。直接从地理空间数据库中筛选有关某一专题现状的属性数据，以不同的颜色、图案表示，如土地利用现状图、草场类型图等。还可以根据不同专题的需要，把规划的内容表现在地图上，例如土地利用规划图、畜牧业发展规划图等。
3 系统功能的拓展
3.1 畜牧管理
畜牧业管理信息系统就是要为决策服务，一般流程如下：
（1）确定草场类型。通过系统查询可得到该地块的土壤类型、土地利用类型、坡度、水分条件、光温条件，由这些因素决定地块利用方向，立地条件好的可以作为人工草场经营，否则作为天然草场。
（2）牧草品种的选择。根据立地条件和牧草的适宜性来选择牧草品种，原则上选择对环境适宜性好、适口性好、产量高的牧草品种，在天然草场更新和人工草场建设中推广。
（3）估测牧草产量。主要依据往年统计资料和环境因子对牧草生长的影响。估产的方法有：根据遥感资料估产；建立数学模型，计算环境因子（光热、水土等）生产潜力、牧草在此环境下生产能力；样地调查可以作为验证。
（4）放牧方式确定。根据草场条件选择放牧方式，如草场条件较好，可以自由放牧或轮牧，而对于生态环境破坏比较严重的草场、已经荒漠化或者有潜在荒漠化危险的草场，就应该禁牧，对草场进行封育保护。
（5）确定放牧的牲畜品种。为了合理、充分利用草场资源，主要依据草场的质量，例如牧草品质、适口性、饮水范围等，确定放牧牲畜品种、搭配比例。
（6）确定载畜量。根据牧草产量和质量，以及饲养标准需要量来确定草场适宜的载畜量。同时根据统计资料计算实际载畜量，适当调整，具体方法见农业部《天然草地合理载畜量的计算》(NY/T 635—2002)。
3.2 草场灾害的监测与防治
利用遥感技术与畜牧业管理信息系统，可以对草地自然灾害进行及时的监测和预报。根据监测预报信息，及时预防，救灾减灾，减少损失。
（1）依据卫星雪盖资料提取积雪范围、面积、厚度等信息建立雪灾资料库，包括雪灾发生的地区、时间、降雪、积雪、牲畜死亡数、牲畜受灾数、成畜死亡率、受灾牧户数、受灾人数、持续时间、交通中断、仔畜成活率、死亡人数、电力损失等[13]，利用遥感资料MODIS数据与GIS 空间分析技术，可准确评估和预报雪灾害程度及时为抗灾保畜提供依据。
（2）遥感监测草地火灾发生位置、过火面积、预测火灾发展动态可起到减灾效果，并且为救灾提供信息支持。草原火灾预警以数理统计和过程模拟为主，分别从火源、地理因素、可燃物类型与特征、气象条件等方面构建草原、森林火险预报指标体系和预报模型，构造火灾危险指数[14]。Brillinger 等[15]利用Logistic 回归模型预测森林野火发生的概率，均得到了理想的预测结果。此外，美国Lawrence Livermore 国家实验室和Los Alamos国家实验室开发的野火自动气候火险预测模型NWPP，可以对火行为进行动态预测，并为扑火和灭火等提供技术支持[16]。
（3）干旱导致牧草减产，严重时会使牲畜缺少饮用水，遥感影像与气象数据结合，确定草地旱灾的范围及程度，绘制旱情分析图，便于多方面采取措施抗旱保畜保苗。采用MODIS陆地表面温度数据和MODIS植被指数数据，建立干旱指数模型，反演其温度植被干旱指数(TVDI)；用植被供水指数(VSWI)监测草原旱情的发生、发展和加重过程[17]。
（4）遥感技术对鼠虫害的宏观监测可及时预报鼠虫灾危害面积及迁移方向，可建立早期预警体系。目前，可满足草地鼠害监测要求的有TM 和SPOT、Quick等[18]卫星遥感资料，配合地形地势图、土壤类型图、植被类型图、水系分布图、优势种害鼠区域分布图等建成空间数据库，把鼠害的发生、危害程度、各种气象因子等建成属性数据库，利用GIS 的空间数据库操作和图形处理分析等功能，就可产生关于害鼠暴发、危害等信息，从而制定相应的管理决策措施[19]。
3.3 工程规划
工程规划以空间数据库为基础，结合分析和评价模型，争取经济效益、社会效益、生态效益达到最佳组合。传统的规划，需要做大量的地面调查和基础测量工作，而且资料不容易更新，利用信息系统做工程规划，不仅具有数据库数据容易更新的优势，而且可以结合预测模型、效益评价，给出最佳方案。
3.4 效益评价
效益评价的方法一般可采用投入产出分析法，将生产过程中的投入和产出数据列在一个表格上，即投入产出表，建立数学模型，研究投入与产出之间的数量关系。李新文等[20]针对草原建设工程项目构建了效益评价指标体系共包括5 个准则层指标（生态效益、经济效益、环境效益、社会效益、景观效益）、15 个指标层指标和68 个分指标层指标，能够为进行草场建设效益评价提供基本参照。张艳荣等[21]基于模糊综合评价法构建了畜牧业效益评价模型，克服了单指标评价、人为等因素对评价结果的影响，能较好地结合效益评价中的定量指标和定性指标，全面综合地分析和评价畜牧业效益，分析结果具有可靠性、客观性。
4 结论
本研究主要面向县级畜牧管理部门，以防治草原荒漠化的角度出发，基于“3S”技术、数据库技术和管理信息系统等技术，对县一级畜牧业基础信息数据库和管理信息系统进行了功能设计。通过对相关数据进行采集、管理、分析、评价、模拟和显示，本研究基于“3S”技术初步设计的畜牧业管理信息系统具有以下4个特点：
（1）能够及时向用户提供动态的空间地理信息。
（2）根据查询到的全部基础数据和专业数据，可以迅速产生、输出相关的专题图。
（3）通过建立数学模型，可以实现草场估产、草场质量等级评价、灾情预报等功能，从而为草场利用规划、畜牧经营管理提供信息和手段。
（4）畜牧业管理信息系统可以产生很多过去只有通过大面积调查才能得到的数据，例如土地利用类型及面积、植被类型及分布状况等。这些数据主要通过3S 技术获得，特别是实时变动的数据，与常规统计数据相比，更为精确，而且利用这些数据，可以对现有的统计数据进行科学的验证。
由于管理信息系统的建设本身就是一项复杂的系统工程，笔者研究的县一级草地畜牧业管理信息系统仅仅对其结构与功能进行了初步设计，并对今后该系统功能的拓展内容进行了研究综述，应用到实际生产中，其功能也有待进一步完善。
5 讨论
畜牧业管理信息系统将实现草地资源管理的自动化，可以通过遥感监测反映出草地退化、土地利用变更等信息，以便及时采取对策。应用该系统，可以根据草地资源的变化、实地调查数据以及气候因素（主要是降水），实时反映出指定草场在一定时期内的合理载畜量，评估草地承载潜力或超载率，以此作为草畜平衡管理的依据。此外，通过遥感、GPS定位等高科技手段获得大面积测量数据，避免了耗费大量人力、物力进行地面调查，随着科技的发展和测量精度的提高，会逐渐减少对地面调查的依赖，同时能及时对系统数据库进行更新；利用GIS 的信息指导管理MIS 的知识库支持决策，畜牧业管理信息系统实现了畜牧业的科学化、现代化管理；利用计算机管理，操作便捷，实用性强，既吸收了传统管理的长处，又弥补了传统方法的不足，具有实际的应用价值。
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