全 文 ：第 3 卷
V o l
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第 2 期
N o
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草 地 学 报
A C T A A G R E S T IA S IN ICA
1 9 9 5 年
1 9 9 5
我国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究
李 博
(中国农业科学院草原研究所 , 呼和浩特 01 0 0 1 0)
史培军
(北京师范大学地理系 , 北京 1 0 0 0 8 3 )
林小泉
(中国农业科学院草原研究所 , 呼和浩特 01 。。1 0 )
摘 要 : 本文讨论了我国温带草地放牧系统草畜平衡动态监测的原理与方法 , 设计了动态
监测的数据库与技术系统以及遥感测产和动态监测的有关模型 , 以期建立可运行的大范围草地
资源动态监测系统 , 为草地管理决策提供依据 。
关键词 : 中国温带草地 ; 草畜平衡 ; 遥感估产 ; 草地动态监测
1 前言
我国温带草地约 35 0 平方公里 , 它是重要的放牧畜牧业基地 , 这里四季分明 , 草地季节
动态明显 , 牧草生长呈单峰型 ,冬季漫长 , 枯草期达半年以上 。 由于年际间降水变率大因而导
致草地初级生产力的上下波动 , 一般波动幅度达 士 1 5 . 7 %以上 , 如遇极端年份达士 20 0 %或
更高 (李博等 , 1” o ) 。随着畜牧业的发展 ,放牧压力日增 , 导致大面积草地退化 , 生产力下降 、
草畜矛盾加剧 , 每遇早年则常因冬春缺草引起大量牧畜死 L- 因此 , 对草地生产力及草畜平
衡状态进行监测 , 对草地畜牧业宏观管理与调控具有重要意义 。由于地面观测资料的积累与
遥感技术的发展 , 使实现这一 目标成为可能 , 为此 , 我们在国家科委与农业部的支持下开展
了中国北方温带草地草畜平衡动态监测的研究 ,并将通过这项研究建立草地资源动态监测
的运行系统 。
2 原理与方法
对草地放牧系统中草畜平衡动态监测系统的研制 , 所依据的理论基础是 :
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1 生态系统原理 草地放牧系统是由环境一草一畜所构成的一个完整的生态系统 , 与环
境间能量与物质的的交换决定了其开放性 (即是一种耗散结构 ) , 其内部各子系统之间能量
与物质交换决定其组织特性 , 因而可以在远离平衡的状态下维持其相对的亚稳态结构 。各子
系统之间彼此影响密切相关 。 因此 , 对整体监测可从其中部分人手 , 反之对一些部分的监测
可从其整体性返演 。 因此 , 本监测系统是在查清环境 、植物生产与动物生产相互关系的基础
上实现的 。
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2 地带性原理 草地生态系统受水 、热 、地形等因素的影响 , 呈现出明显的地域分异规
律 , 这就决定了动态监测模型空间上的局限性 、一定范围的普适性与地域参数的差异性 。 此
外 , 草地生态系统还受地表物质 、地下水等隐域因素与人为干扰的影响 , 这增加了监测模型
的局限性及建立地域参数模型的必要性 。
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3 生物周期性与波动性原理 草地环境与初级生产力呈现明显 的季节性周期变化规
律 , 由于气候波动所引起的生产力的年际波动在一定空间范围内具一致性 , 且在一定的时间
范围内具持续性 , 以及波动引起的的生态效应顺链结构的放大性质 , 这使动态模型的建立具
有可能性及其分析结果的参照可比性 。另外 , 由于草地生态系统的突变和分岔导致其状态的
非决定论特点 , 也使得动态模型具时间上的局限性和分析的概率性 。
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4 尺度效应与等级组织理论 对草地生态系统进行监测 , 一个重要环节是尺度选择 。 而
尺度又与等级组织概念相关联 , 生物圈本身是一个多等级层次的有序整体 (Al len 等 , 1 9 8 2 ) ,
在各等级层次之间的任一等级 , 对上一级都是从属部分 , 对下一级则为整体 。因此 , 对每一等
级的局部干扰都会影响整体 。 我们对草地生态系统的监测是宏观尺度 , 即高级的等级层次 ,
但 却 从 中级 层次做 起 , 在行 政范 围 则 以 县 (旗 ) 为单元 , 自然 范 围则从 生 态 亚 区
(S u b e e o r e g io n )为单元 。
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5 不同因子的等值性与互补原则 在生态学上某一因子过多可弥补另一因子过少 的不
足 , 不同事物之间可能有相同价值 。 在草地监测中绿色植物量可用光谱值表微 , 由于云雾阻
挡 , 缺少光谱值的地段可用地学模型替代 , 因此可以获得大范围同一瞬间的完整数据 。
在上述原理指导下 , 我们采取了地面考察 、统计资料与遥感信息结合 , 地学模型 、遥感模
型和生物学模型结合 , 以及数字输出与图像输出结合的技术路线与整体设计分别研制的工
作方法 。
3 监测信息与数据库
3. 1 信息类型
本监测系统是 G IS 的一种 , 其监测信息包括属性信息 (统计信息 ) 、地图信息与遥感信
息三大类 :
(1) 属性信息 :包括气象资料 、灾害统计 、畜牧业统计 、地面考实与观测资料 、人 口及社会
经济统计资料等 ;
(2) 地图信息 : 地图信息可表示空间格局 , 包括自然单元行政单元的信息图件 , 如地形
图 , 行政区划图 , 土地利用图 , 草地类型图 , 宏观生态分区图等 ;
(3) 遥感信息 : 主要信息源为 N O A A 气象卫星 , G M S 卫星 , 风云 1 号及地球资源卫星等
遥感信息 。
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2 数据结构
上述信息根据时间轴可分为历史的和实时的 。 与地理空间相复合可将这些信息归纳为
一种三维信息空间(如下 图所示 ) 。
属性坐标束 (A )
时间坐标轴(T)
空间坐标轴 (S)
第 2 期 李博等 :我国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究
对上述信息空间可作如下定义 :
{t + △t( 未来的 )
时间 :
地理位置 :
属性 :
A 一 n <属性 K , 值类型 K >
其数据模式结构可定义为 :
n m P
D = n n n ,
(S {
‘, , (属性盗‘, ‘, , , 值类型盗‘, ‘, , )>
数据记录定义 :
R 一平平梦‘值 ‘, ‘值{‘, , ‘值簇‘, ‘”” ’
动态监测模型
在草畜平衡动态监测系统的建立中 , 模型起着重要作用 , 它既是信息分析的工具 , 又是
建立可运行的监测系统的基础 , 本监测系统中所使用的模型有下列几类 :
4
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1 草地佑产的地学模型 (气候模型 )
W = f(P
,
T
,
L
,
H )
P = f(入, 中 , h )
T i= f(入, 中 , h )
T P = f(久, 中 , h )
式中 :
W 草群地上生物量
P 生长季降雨量
Tj 生长季 ) 10 ℃积温
T p 生长季月平均气温之和
入 纬度
中 经度
h 海拔
L 土壤状况
H 人类经营水平
在土壤状况 (L )一定 、人类经营水平 (H )一定时则有 :
W i= f(P
,
T i)
W P= f(P
,
T P )
4
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2 草地估产的光学模型 (遥感模型 )
地面实测 :
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9 1= fi(C h l
,
C h Z )
W g = f
i(9 1)
式中 :
1= 1
,
2 表示两种算法模式
C hl 地面实测光谱通道 1
C h Z 地面实测光谱通道 2
g , 是根据第 i种算法模式计算的地面实测光谱绿度值
w g 地面实测产草量
遥感光谱校正模型 :
G i= fi(9
1
)
式中 : Gi 是根据第 i种算法模式计算的卫星遥感光谱绿度值
遥感估产模型 :
W
s = fi(G i)
式中 : W s 根据第 i种算法模式估算的遥感产草量
模式判别 :
采用统计检验方法 , P < 0 · 05
4
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3 草地佑产的综合模型
地学模型作为草地生产力平均状况的反映 , 对微域性因素的影响表征不足 , 而遥感模型
易受天气 、植物生活型和植被盖度等生物因素的影响 , 将二者结合起来 (徐冠华等 , 1 9 8 8 ) , 会
提高草地遥感估产的精度 , 并符合于建立可运行的动态监测系统的需要 ,估产综合模型可用
下列概念式表达 :
P = a
I
W g + a
Z
W s
式中 : a l , a : 为权重系数
4
,
4 草地利用模型
为计算草畜平衡则需要计算草地生物量中的可利用部分 , 其中因牲畜种类 、草地类型 、
与利用季节的不同 , 此模型的概念表达式为 :
U :
,一 f(5 1 , A j, W : , U ij(m a x ))
式中 :
U :
J t 时刻 i种牲畜对 i种草地的利用率
9 1 1种草地的面积 (i= l , 2 , ⋯ , n )
A i j种动物的数量 (j 一 1 , 2 , ⋯ , m )
t 季节或时间
W : t 时间 i种草地的地上生物量
ui j(m ax ) j种牲畜对 i种草地的最大利用率
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5 草畜平衡模型
B = f(W
,
R
,
t )一 f(U , A , t )
式中 :
B 草畜平衡
第 2 期 李博等 : 我国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究
W 产草量
R 饲草再生强度
U 草食家畜对饲草的利用数量 (包括冬季饲草存贮量 )
A 草食家畜的数量
t 时间
4
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6 多元信息复合运算模型
多元信息处理的模型链模式
4. 7 系统管理和控制模式
(l ) 操作指令系统
(2 ) 系统动态监测
(3 ) 系统模拟
(4) 变量及参数的校正
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8 系统智能模型
(1 ) 自动识别专家系统
(2) 草地环境质量评价专家系统
(3) 草地水土保持专家系统
5 动态监测的技术系统
我们设计的中国北方温带草地草畜平衡的监测系统 , 结构如图 1 所示 。
5
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1 指令控制中心
系统运行由指令中心进行控制 、操作 , 它根据下达的任务确定目标分析的指令流程 , 对
各子系统实现操作和控制 , 同时还要承担对系统的运行状态进行监测 、记录及维护的任务 。
它采用灵活而方便的人机界面和计算机网络系统来实现 。
5
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2 信息获取子系统
根据信息来源 、形式和获取方式 , 可分为三部分 :
(l ) 地面监测
地面监测主要包括气象观测 、物候观测 、生产力观测 、生态环境监测 (土地沙化 、退化 、水
土流失 、水分变化 ) 、资源利用现状监测和灾害监测等 。
(2) 统计数据及专题图
专题图主要包括 : 行政区划图 、草地类型图 、生态分区图 、土地利用图和地形图等 。 统计
数据主要包括 : 生产统计数据 (生产资料 、畜群结构及数量等 ) 、社会经济统计数据和灾害统
计数据等 。
(3) 遥感信息
包括气象卫星接收系统和图像处理系统 。
图像处理系统按照指令中心发出的要求和操作指令 , 接收由卫星接收系统传来的原始
光谱信息 , 并从分析工具箱中提取所需要的分析算法 , 必要时还要通过数据库管理子系统检
索必要的属性信息 , 对原始光谱信息进行运算处理 , 整理出相应的遥感信息交送数据库管理
子系统 。
5
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3 信息管理子系统
1 0 0 草 地 学 报 1 9 9 5 年
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· 人 一一机界面系统控制操作目标分析指令
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图 l 草地动态监测技术系统
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T h e t e e h n i e a l s ys t e m o f th e dy n a m ie m o n it o r in g
注 :结构框图中 , 粗实线为指令流 , 细实线为数据流 , 细线方框为功能模块 , 桶形为库或分析工具箱 。
N o t e : 今m e a n s o r d e r flo w , ~ m e a n s d a t a flo w , 口 m e a n s f u n e t io n m o d e l, 合 m e a n s ba s e o r t o o l bo x
第 2 期 李博等 : 我国温带草地草畜平衡动态监测系统的研究 10 1
信息管理子系统 (或称数据库管理子系统 )的主要任务是将信息获取子系统得到的信
息 , 按规定的数据模式结构装人已设计好的数据库结构框架中 , 形成统一记录格式的数据
库 , 另一方面 , 以文件形式将遥感信息按时相 、位置 、属性装人遥感图库 。此外 , 信息管理子系
统可提供多种方式 (包括逻辑方式 )方便地对记录和图件进行查询 、检索 、删除 、修改 、补充和
一般统计运算等操作 , 并能灵活地进行属性数据与图像的交互运算 。
5
.
4 信息处理子系统
信息处理是根据提出的任务 (目标 ) , 将信息经过机械运算模型或智能模型的处理 , 得到
管理决策部门或其他用户所需要的结果 , 并经过整理交送信息通讯发布子系统 , 同时存人数
据库 。 其中目标是由用户规定的 。 目前该系统可提供三个分析目标 : ¹ 草地生产力评估 ; º
草地放牧地草畜平衡评估 ; » 草地灾害评估 .
如上所述 , 信息处理可分为两种方式 :
( l) 机械模型处理方式 :
根据分析目标 , 模型管理子系统向模型库调用有关的分析模型 。这些模型由模型管理子
系统采用数据库中有关属性数据并调用相应的分析工具通过建模确定的 。除建模外 , 模型管
理子系统按前面关于模型 的分类和定义进行管理 , 提供模型的检索 、查询 、删除 、修改 、补充
等操作 。 模型库中不仅提供数值运算的解析模型 , 也提供可变边界 、可变参数等非数值运算
的逻辑模拟模型 。
(2) 智能分析处理方式 :
主要由各类专家系统所组成 (徐冠华等 , 198 8 ) , 例如 : 草地类型 自动识别专家系统 、草地
环境质量评价专家系统 、草地水土保持专家系统等等智能模式辅助分析 , 以便解决一些涉及
因素较多 、关系较复杂以及整体综合性庞杂等其它分析手段难以凑效的问题 .
5
.
5 信息通讯 、发布子系统
将 目标分析结果进行整理 , 按规定的格式及形式 (图 、文 、表格等 ) , 通过微波通讯设备
(传真 、 电传 )或卫星通讯技术发送到管理决策部门或其他用户 。
6 结束语
上述模型与技术系统经过在内蒙古锡林郭勒草原试验后证明是成功的 。利用 N O A A 卫
星 A v H R R 资料及有关模型进行草地估产其精确度可达 95 % , 因此 , 利用这一系统进行大
范围草地动态监测是可行的 。
参 考 文 献
李 博主编 , 19 9。 , 中国的草原 , 北京 :科学出版社
陈述彭 , 19 9 0 , 自然环境变迁的遥感监测与预报 , 地学的探索 (第三卷 ) : “遥感应用 ” , 北京 : 科学出版社 ,
P 1 24一 12 9
徐冠华 , 鞠洪波 , 张志清 , 19 8 8 , 遥感图像判读的专家系统及其应用 , 再生资源遥感研究 , 北京 : 科学出版
社 , P 38 一 47
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ba s is fo r g r a s sla n d m a n a g e m e n t
K ey w o r d s : C h in e se te m p e r a te g r a ss la n d ; F o ra g e a n d a n irn a l ba la n ee ; R e m o te s en sin g e stim a tio n ; D y
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