全 文 ：第 18 卷 第 1 期
Vol. 18 No. 1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 1 月
Jan. 2010
基于WebGIS的藏北草地生态信息系统构建
刘喆惠1, 2 , 游松财1*
( 1.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101; 2.中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘要: 草地畜牧业是藏北地区的重要经济基础。构建藏北草地生态信息系统, 以更好地满足草地生态学研究的需
要,并更好地为当地畜牧业发展服务, 系统依托功能强大的WebGIS 技术和遥感技术平台, 以先进的网络技术、数
据库技术为支撑,以相关生态学模型为核心, 实现对各种空间信息和属性查询浏览、统计图表制作、草地类型图、坡
度坡向图等专题图的制作,能够按照坡度对草地类型进行分析、提供辅助决策, 并以网站形式向社会发布。在系统
设计阶段,对系统的 4 层体系结构、系统的功能结构、系统的数据库进行了设计。系统模块主要包括信息概览、地
图浏览、属性查询、专题应用和系统管理。系统的数据库设计包括数据分析、总体结构设计和编码设计。在系统实
现阶段,基于关系数据库系统 SQL Server 2005 和WebGIS 平台 ArcGIS Server 9. 3 对系统各模块进行开发, 采用先
进的 ajax 技术、Web 服务技术和 flash 技术 ,最后对各模块进行集成和测试, 系统性能良好。
关键词:藏北草地; 生态信息系统;草地畜牧业; WebGIS; A rcGIS Serv er
中图分类号: T P311; S127 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 01-0042-08
Design and Construction of WebGIS-based Information System for
Grassland Management in Northern Tibet
LIU Zhe-hui
1, 2
, YOU Song-cai
1
( 1. Inst itute of Geographic S cien ces and Natural Resources Research, Chinese Academ y of S cien ces , Beijing 100101, Chin a;
2. Gradu ate School, C hinese Academy of S cien ces , Beijing 100049, China)
Abstract: In or der to better meet the needs of gr assland eco logical researches and assist in the development
of lo cal husbandry indust ry w hich is the econom ic foundat ion in Nor thern Tibet , the ecolog ical informat ion
system for the g rassland management in No rthern T ibet, based on the pow erful WebGIS and r emote sens-
ing technolo gy, suppo rted by advanced netw ork and database techno logy, and centered w ith related eco-
logical models, w as designed and const ructed in this study. T he funct ions of the system include quer ying
various spat ial and at t ribute info rmat ion, allow ing users to make statistic charts as desired, pr oviding the-
mat ic mapping such as grassland type and slope-aspect mapping etc. , analy zing gr ass- land types integrated
w ith the slope, and suppo rt ing for decision making in management . All these funct ions are accessible by
user s through internet . During the pro cedure of system design, the four framew ork lay ers, the funct ional
st ructure, and the database architecture o f the system w ere designed. Except for the core funct ions, the
system also consists of auxiliary funct ions such as map brow sing, att ribute querying, and system manage-
ment . The design of database is comprised of the data analysis, g ross structural design and coding design.
Each module w as developed based on relational database management sy stem of SQL Server 2005 and Web-
GIS platform o f ArcGIS Server 9. 3, involving ajax technolog y, w eb service technolog y and f lash technolo-
gy. The perfo rmance test ing of integ rated modules show s that the sy stem is reliable and pr act icable.
Key words: Grassland in Nor thern T ibet ; Ecolog ical informat ion system; Animal husbandr y; WebGIS;
ArcGIS Server
西藏是我国五大牧区之一, 草场面积 0. 83 亿
hm 2 ,约占全自治区土地总面积的 69%, 约占全国牧
区草场面积的 23% [ 1] ,是西藏农耕地 34. 93万 hm2
的 232倍[ 1, 2] 。西藏所处的特殊地理位置、复杂的自
然环境和气候条件造就了其草地类型的复杂性与多
样性, 为其畜牧业的发展提供了得天独厚的条件。
收稿日期: 2009-07-30;修回日期: 2009- 11-18
基金项目:科技支撑计划项目( 2007BAC06B01)资助
作者简介:刘喆惠( 1984- ) ,女,甘肃兰州人,硕士研究生, 研究方向为地理信息技术在资源环境中的应用、地理信息系统设计与开发, E-
mail: zhehuilook@ 163. com; * 通讯作者 Auth or for correspon dence: you sc@ igsn rr. ac. cn
第 1期 刘喆惠等:基于 WebGIS 的藏北草地生态信息系统构建
作为我国黄河、长江等主要水系发源地的青藏高原,
其高寒草甸草地在涵养水源、保持水土方面发挥着
重要的生态作用。高寒草甸草地植被也是世界第
三极地区重要的碳库, 对该地区生态系统的碳源-
碳库的平衡起着一定调节作用。可以说, 草原生态
系统是西藏高原最主要的生态系统 [ 3]。在全球气候
变化背景下,特别是人类活动日益增强造成的草地
超载、过牧,使高寒草甸草地生态系统遭到了不同程
度的干扰和破坏。2000年和 2001年的实地抽样调
查显示,退化草地面积约 2928. 55万 hm 2 ,占全自治
区草地总面积的 43. 18%, 其中地处西藏北部的那
曲地区的草地退化最为严重, 退化面积占草地总面
积的 51. 28% [ 4]。
畜牧业是藏北地区农业的主导产业,以那曲地
区为例, 2008年牲畜存栏数为 729 万头, 畜牧业产
值占农林牧渔服务业总产值的 52. 3%。本文以藏
北的那曲地区(包括尼玛县、班戈县、申扎县、安多
县、那曲县、聂荣县、巴青县、索县、比如县、嘉黎县)
和当雄县为研究区域(图 1)。藏北地区气候寒冷干
旱,是青藏高原内生态环境最恶劣的自然地域, 大部
分为无人区。由于研究区海拔在 4400 m 以上, 气
候严酷,数据获取困难,现有的各种来源的数据显得
来之不易,需要一个稳定可靠的平台实现数据的共
享和高效利用。构建一个面向当地的生态信息系
统,综合利用气象数据、草地数据、社会经济统计数
据等进行分析,基于地理信息技术和遥感技术, 可以
对草地利用现状进行评价,为当地管理部门提供辅
助决策支持,具有理论和实际意义。
图 1 研究区范围及地理位置
Fig . 1 Range and geog raphic lo cat ion of r esear ch ar eas
地理信息系统 ( Geographic informat ion sy s-
tem, GIS)是一种集数据采集、存储、管理、分析、显
示与应用地理信息于一体的计算机系统, 它将基于
地理坐标的空间信息与属性信息有机结合起来, 不
仅可以像通常的信息系统一样管理各种信息, 还可
以借助空间位置进行更复杂的分析。随着 Internet
技术的发展, 产生了地理信息系统的一种新形
式 WebGIS(网络地理信息系统)。WebGIS 使
全球的任何一个 WWW 节点上的 Internet 用户, 不
受客户端系统限制, 无需安装专业软件,只需要有一
个浏览器,就可以使用 WebGIS 服务器提供的各种
服务,进行各种空间检索和空间分析。WebGIS 使
GIS变得更加方便和大众化, 使全球范围内的地理
信息共享成为可能,使跨平台的特性发挥的淋漓尽
致[ 5~ 6]。3S技术应用于草地信息的监测和管理已
有许多成功的先例[ 7~ 12] , GIS 数据、遥感数据、GPS
定位数据结合实测数据作为数据源, 数据获取方便
及时且易于管理, GIS 平台将数据库技术与生态学
模型整合起来,可以对草畜平衡情况进行模拟, 使草
地管理向信息化、网络化、智能化方向发展。中国农
业科学院资源与区划研究所发布的牧草生产管理
网络化智能信息系统 [ 13] , 可以对生态、牧草生产、
经济数据进行查询和统计绘图, 但是其空间数据比
较单一,且分析、专家诊断等功能并不对公众开放。
通过中国草业网, 用户可以链接到草原管理信息系
统[ 1 4]和草原地理信息系统[ 15] , 可以分别查询到相关
的属性信息和空间信息, 后者能够对全国尺度的草
地类型的面积和理论载畜量进行查询。针对西藏自
治区,尽管已经建立了西藏资源环境信息系统 [ 16]和
西藏自治区资源环境数据库[ 17] , 但是面向藏北的草
地生态信息、尤其是基于 B/ S 模式的信息系统还很
少见。本研究在探索生态学、自然地理学、地理信息
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草 地 学 报 第 18卷
科学、社会科学的多学科交叉融合的基础上建立藏
北草地生态信息系统, 作为一个运行在网络环境中
的地理信息系统,将使更多的用户共享信息和服务,
为管理者提供辅助决策功能, 具有广阔的应用空间。
1 系统设计
1. 1 系统体系结构
根据数据、知识、技术应用的综合程度, 将系统
分为以下 4个层次(图 2)。每个层次的左侧为实际
的物理组成,右侧为实现的一些功能,下层功能是上
层实现的基础和前提, 同时上层产生的知识、成果、
数据可以应用于下层, 最后保存在数据层中。
数据层:系统中用于地图显示、查询的空间数
据,比如各种矢量数据、高程数据作为地图图层, 存
储为具有相同空间参考系的 A rcM ap的 mxd文件,
这样可以保存各图层的符号样式, 而且被 ArcGIS
Server加载起来也非常方便。属性数据保存在关系
型数据库 SQ L Server 2005中,它与 M icr osof t Vis-
ual Studio、Microsoft Of fice Sy stem 的紧密集成,为
数据输入和开发过程提供许多便捷。
图 2 系统体系结构
Fig. 2 F ramew ork o f the sy stem
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第 1期 刘喆惠等:基于 WebGIS 的藏北草地生态信息系统构建
应用层: 系统的许多 GIS 功能都是依托 A rc-
GIS Server 平台实现,比如服务发布、地图浏览、图
文互查等。区别于传统的地理信息系统的构建,
ArcGIS Serv er 是一个基于Web的企业级GIS解决
方案为创建和管理基于服务器的 GIS 应用提供了
一个高效的框架平台。Ar cGIS Server 是一个分布
式系统,由分布在多台机器上的各个角色协同工作。
模型层:考虑研究和实际需要,系统包括若干生
态学模型,对当地生态环境状况进行分析和评价。
比如草地载畜量评价模型, 选择适合当地的模型和
参数,通过对已有草地类型、气象、地形以及统计数
据的综合分析, 借助 GIS 中空间分析方面的优势,
针对某一类型草地或者某一行政区域, 得出理论载
畜量和实际载畜量信息。
决策层:基于模型计算的结果, 借鉴往年数据,
综合考虑当年的气候、经济、政策等各方面因素的影
响,为辅助决策提供支持,指导生产。
1. 2 系统功能结构
藏北草地生态信息系统的主要功能模块包括:
信息概览: 包括系统介绍、区域概况、当地自然
资源、人文景观和气候条件的介绍。图文并茂,以生
动直观的方式展示当地自然和社会经济状况。
地图浏览: 由于空间信息是地理信息系统区别
于其他信息系统的主要特征, 因此这也是本系统的
核心模块,提供对各种空间对象查询、可视化和制作
专题图的功能。可以从 3种不同模式鸟瞰同一地理
区域,即地图模式、遥感影像和地形拓扑。
属性查询: 该模块可以查询存储在数据库中的
各类属性信息, 并在网页上显示查询结果,在此基础
上用户可以根据需要的记录和字段,制作统计图并
显示。
专题应用: 草地类型专题图、土壤类型专题图、
坡度坡向图、由坡度范围查询草地类型、各县草地载
畜量评价和试验站点信息。
系统管理, 主要指用户管理以及针对系统中数
据和系统性能的维护。本系统作为藏北草地生态信
息的共享平台, 用户在注册后根据权限的不同,可以
使用不同级别的功能和服务。大致可以将终端用户
分为 3个级别, 即公众级、企业级和政府级, 对应的
权限如下:
普通用户(公众级) , 指广大的注册用户或未注
册用户。用户具有浏览大部分空间信息和属性信息
的权限,能够进行图文互查,使用专题应用模块中的
前 3项子功能。注册用户还可以提交评论,提出自
己的需求和建议。系统的重要消息, 比如进行了数
据更新或者升级, 会发送电子邮件通知注册用户。
中级用户(企业级) , 主要针对草场使用者和管
理者或相关企业。在普通用户权限的基础上,中级
用户可以根据需要制作专题图表, 满足用户的个性
化需求。对于专题应用模块,可以使用其中的前四
项子功能。
高级用户(政府级) , 主要针对政府机关和相关
部门。用户可以浏览每日气象数据、草地数据、经济
社会统计信息等各类数据;并可以综合利用这些数
据,基于系统提供的应用模型, 将业务数据用于规
划、预测,提供辅助决策支持。
系统维护人员:对系统的空间数据库、属性数据
库及模型库进行更新、备份并在系统数据异常情况
下实施数据恢复; 同时保证系统的安全性及稳定可
靠性等。
系统管理员:负责对所有类别的用户授权及管理。
1. 3 系统数据库设计
藏北草地生态信息系统的数据库设计, 从概念
设计的基本原则出发, 要求达到以下目标:提供一个
便于理解的数据库系统结构框架;包含藏北草地生
态信息系统数据库内的所有数据结构类型,完整地
描述数据库系统的复杂性;所设计的概念模型能够
很好地转换成系统实施相关的模型, 以便系统能够
顺利地设计和实施。
1. 3. 1 数据分析 系统中数据主要分为 2大类:
空间数据:空间数据是多源、多尺度、多种类型
的,相比属性数据,它们的数据类型更加复杂,数据
量更大,需要考虑的问题也更多,空间数据预处理包
括定义统一的投影和地理参考系并将数据进行转
换,对多幅遥感数据的镶嵌和图像处理,为改善系统
性能建立空间索引、缓存、影像金字塔等。数据预处
理主要利用 ArcGIS 9. 3 desktop软件平台和遥感处
理软件 Envi 4. 5完成。系统中主要的空间数据包括:
基础地理数据、藏北草地类型图、藏北土壤类型图、
气象站点分布图、地形数据、试验站点分布、遥感影
像等,空间参考系统一为 WGS84 经纬度坐标, 将需
要加载的矢量数据和栅格数据保存为 ArcGIS的 mxd
文件格式,图层数据和图层样式可以同时被加载。
属性数据: 统计和属性数据主要来自于2008
西藏统计年鉴、西藏那曲地区土地资源、中国草
地资源数据、西藏草地等。对它们的处理包括属
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草 地 学 报 第 18卷
性数据质量审核、属性表规范化、数据录入等。
1. 3. 2 数据库总体结构 按照数据的不同服务目
的,将数据库分为专题信息数据库、社会经济统
计信息数据库、草地资源数据库、地理信息数据
库等大类(图 3) ,如草地资源数据库包含与研究
藏北草地密切相关的空间数据和属性数据, 以及与
项目有关的试验数据, 它们将为藏北草地退化研究、
模型的选择使用提供直接支持。而地理信息数据
库中的数据多作为地图底图,也可作为空间分析中
的辅助数据使用。再按照数据的专题性, 将每个大
类划分为若干个次类。比如, 专题信息数据库具
体包括气象数据、土壤数据、植被数据等子类。
图 3 数据库总体结构
Fig. 3 Architecture o f the database
1. 3. 3 数据编码设计 要素分类和编码标准是制
定统一的地理信息数据(包括空间数据和属性数据)
分类原则、方法及代码[ 18] , 而数据编码规则设计是
管理信息系统方案设计的基础, 是最重要而且难度
最大的工作之一[ 19] 。本系统中的数据编码工作参
照以下原则进行: 与国家、行业现有标准相一致, 尽
量通用;编码具有唯一性、简单性、稳定性,同一级别
的编码应长度相等; 编码具有可扩充性。
以本系统中草地类型编码为例(表 1为编码系
统的一部分) ,该草地类型编码与中国天然草地类
型系统相一致, 一级编码长度为两位,二级编码长度
为 3位,基于上一级的编码进行扩展,保证了较好的
继承性和易用性,且留有空间以备今后扩展的需要。
2 系统实现
系统基于关系数据库系统 SQL Server 2005和
WebGIS 平台 Ar cGIS Ser ver 9. 3 Enter prise fo r
Window s,在 Microsoft . NET 2. 0框架下,构建B/ S
模式的信息交互平台; 以 M icrosof t v isual studio
2005为开发环境,采用 C# 、ASP. NET、HTML 等
语言进行开发,适于网络环境中的发布;采用了 ajax
技术、Web服务技术、flash 技术,在增强用户体验的
同时提高了系统性能。
2. 1 系统主界面
友好的系统界面可以使用户的操作更加容易,
实现更好的用户体验。根据界面友好性以及功能实
用性的原则,为本系统的主界面即藏北草地生态信
息网的首页,设计了框架结构(图 4) ,主要分为以
下 3部分:
标题栏:在醒目的位置标识了网站名称,同时提
供用户登录、注册的入口。
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第 1期 刘喆惠等:基于 WebGIS 的藏北草地生态信息系统构建
表 1 草地类型编码示例
Table 1 Example o f gr assland type coding
草地类 Grassland type
一级编码
Fir st-order code
名称
Name
草地亚类 Grassland sub typ e
二级编码
Second- order code
名称
Name
00
非草地类型
Non-grass land types
- -
01
温性草甸草原类
Temperate meadow steppe type
011
平原丘陵草甸草原亚类
Temperate meadow steppe type at hills and plain s
012
山地草甸草原亚类
Temper ate meadow steppe type at m ountain s
013
沙地草甸草原亚类
T emperate steppe type at sandy lands
02
温性草原类
T em perate step pe ty pe
021
平原丘陵草原亚类
T em perate steppe type at hill s and plains
022
山地草原亚类
T em perate steppe type at mountains
023
沙地草原亚类
T emperate steppe type at sandy lands
图 4 系统主界面示意图
Fig . 4 H omepage of the system
菜单栏:菜单由 8个菜单项组成, 包括网站首
页、系统介绍、生态风光、地图浏览、属性查
询、用户留言和动态信息。专题应用菜单对
应于系统的专题应用功能模块, 后文会对其中的几
项应用进行详细介绍;在用户留言中,注册用户可
以对网站提出自己的意见和建议,以进行进一步的
改进; 动态信息中,网站会随时发布、更新一些信息。
主体部分: 网页依次呈现世界地图、中国地图和
藏北地图。
快速链接: 方便用户快速达到自己感兴趣的内
容。另外,网页呈现了一些反映当地草原风光、风土
人情、湖光山色、珍稀动物的图片,点击后可以进入
该类型进行浏览。
2. 2 属性查询
该模块服务器端采用 C# 语言进行开发, 客户
端利用 ASP. NET、JavaScript 脚本语言进行开发,
通过 ADO. NET 连接 SQL SERVER数据库,首先
通过对系统数据库进行查询,找到表所在的数据库
信息,然后对数据库中的表进行查询检索,并显示在
网页上。系统提供了 2种属性表查询的方式:
查询目录:属性表按类别组织成目录树的形式,
用户可以根据自己感兴趣的类别逐级检索下去, 直
到找到需要的数据表;
快速导航:这种方式下,数据表按照主题进行了
分类, 包括行政区划和自然资源、人口、农业、各县
(市、区)主要统计指标、气象、草地等主题,当用户选
择了某主题后,表名列表框中会显示该主题下的所
有属性表。这两级列表框利用了 ajax 技术进行联
动,第一个列表框的变化会引起第二个列表框内容
的更新,但是这种更新只是局部页面的更新,避免了
整个页面更新带来的闪烁问题。选择 确定按钮
后,相应的属性表会显示在网页上,图 5显示的是人
口主题中的分县人口数表, 表头是各字段名,每一行
代表一条记录。
在该属性表上, 用户可以选择需要的记录和字
段来制作统计图。首先选择所需记录, 只需要在该
记录前面的多选框中打勾即可, 若想选中全部记录,
选中全选框, 若想撤销选择, 点击取消按钮即
可。作为实例, 选中了 region _name 分别为 拉萨
市和当雄县的两条记录,点击制作统计图按钮
来进入下一步。
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草 地 学 报 第 18卷
图 5 属性查询结果示意图
F ig . 5 Results o f query ing the attr ibute table
在制作统计图页面上, 用户可以选择需要的
统计图类型和字段。左侧列表框中会出现上一步的
表中适合做统计图的所有字段名,即所有数值类型
的字段,在其中选中某字段后,该字段就会出现在右
侧列表框中,左侧列表框中不再出现,也可以进行相
反的操作。按要求填写图名, 点击确认按钮,网页
上就会出现对应的统计图, 如图 6所示。系统默认
表的主键作为统计图中的 X轴,在图中是行政区的
编码。
图 6 查询结果制作统计图
Fig . 6 Char ts making for the queried result
2. 3 地图浏览
地图浏览模块基于 ArcGIS Server 9. 3 Web
ADF( Web ADF 的全称是Web A pplicat ion Deve-l
op Fr amew or k) . NET 平台进行构建, 采用 Web
Serv ice技术、ajax 技术,利用 C# 语言进行开发, 实
现了地图操作(放大、缩小、漫游、测量距离等) ,图层
控制,图文互查等 GIS 功能。可以以 3种不同的模
式 地图模式、遥感影像和地形拓扑鸟瞰同一地理
区域。地图是以各种符号及其多种组合, 有选择地
突出区域空间内地理事物与现象 [ 20] ,所以通过地图
可以看到行政区划、道路、水体等地物, 实际上它们
只存在于人头脑中或者在较小比例尺时是不可见
的。而遥感影像反映了地表的实际覆被情况,接近
于人眼所见,通过不同的波段组合可以反映不同地
物特征, 是非常直观有效的表达方式。地形拓扑方
式表达了地形的高低起伏,而不包括实际的地表状
况,是一种更高层次的抽象。
2. 4 专题应用
专题应用模块是根据藏北草地研究的需要,提
供了草地类型、土壤类型、地形、载畜量等方面的专
题图,为应用服务; 并使用各类信息进行综合分析,
辅助决策。这里以两个子功能为例, 进行说明: 1)藏
北草地类型图,将研究区内的草地进行分类和渲染,
进行地图整饰,配以图例、比例尺、指北针后,输出为
ArcM ap的 Layout 格式, 再作为 PageLayout 控件
加载到网页上,如图 7所示。2)坡度坡向图,即在一
副地图上同时表达坡度和坡向信息, 坡向由色调来
区别,而坡度大小由饱和度来表示,越陡的地方颜色
越亮[ 21]。首先将原始高程数据 DEM 进行坐标转
换,由经纬度坐标转换为平面坐标,保证单位与高程
单位一致, 分别提取坡度图和坡向图; 然后, 利用
ArcToolbox 中的 Reclassify 工具对坡度图和坡向
图进行重分类:坡度图中将 0- 5、5- 20、20- 40、
大于 40四类分别赋予像元值 10、20、30和 40, 同
理,将坡向图按每 45划分一类,共分为 8类;接着将
分类得到的坡度图和坡向图进行地图代数的相加操
作,得到的栅格图中像元值的十位代表了坡度所属
类别,而个位代表了坡向类别;最后对栅格图进行分
类,并分别赋予不同颜色[ 22] ,就得到了结果图(图 8)。
图 7 藏北草地类型图
Fig. 7 T hematic map of g rassland types of Nor thern T ibet
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第 1期 刘喆惠等:基于 WebGIS 的藏北草地生态信息系统构建
图 8 坡度坡向图
Fig . 8 An aspect- slope map simultaneously show s the
aspect ( direction) and deg ree ( st eepness)
of slope fo r a ter rain
3 结语
通过基于 WebGIS 的藏北草地生态信息系统
的设计与开发, 为藏北草地信息共享提供了平台。
系统在需求分析和数据分析的基础上, 依托功能强
大的地理信息技术和遥感技术平台,以先进的网络
技术、数据库技术为支撑,实现了对大量空间数据和
属性数据的规范化、集成化管理;系统以相关生态学
模型为核心,集成多源数据,可以进行草地利用现状
分析等生态学研究, 从而为草地科学管理、藏北草地
生态保护等提供辅助决策支持。此外, 系统以网站
的形式向外发布, 满足了多层次, 多用户应用的需
要。在研究和开发建设中也发现一些问题, 如藏北
地区数据的稀缺,如何将地理信息技术与生态学需
求更好的结合, 如何更好地满足当地畜牧业的需要,
以及不同网络带宽下数据传输的效率问题需要进一
步研究和完善。
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(责任编辑 李 扬 米 佳)
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