基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監(jiān)測系統(tǒng)

王偉強+汪傳建+余曉平+文春雷+張雅+孫世澤

摘要：現(xiàn)有的牧群追蹤系統(tǒng)僅實現(xiàn)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(jiān)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(shù)據(jù)的牧群采食量分布模型和牧場放牧強度監(jiān)測方法。在已建立的物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)牧群軌跡數(shù)據(jù)采集與WebGIS時空數(shù)據(jù)分析的放牧監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了牧群位置地圖顯示、牧場放牧強度監(jiān)測、牧群采食量分布監(jiān)測3個功能。以新疆天山北麓牧場為案例對系統(tǒng)進行了應用分析，結果表明，系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)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(tài)監(jiān)測，可為相關管理部門對放牧信息的監(jiān)測提供技術支持和數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：放牧；監(jiān)測；采食量；放牧強度；WebGIS；北斗/GPS；物聯(lián)網(wǎng)

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(fā)展畜牧業(yè)得天獨厚的條件。目前，全疆有牧業(yè)縣和半牧業(yè)縣87個，從事牧業(yè)人口138萬人，占農(nóng)村總人口12.6%；現(xiàn)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(jiān)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(lián)網(wǎng)等通信聯(lián)絡方式，牧民與外界的聯(lián)系基本中斷，牧主與草地畜牧管理部門無法實時掌握和監(jiān)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(guī)定的牧場放牧，是否越過了禁牧區(qū)，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(qū)輪牧[2]、退牧還草、圍欄封育、草原生態(tài)補償?shù)忍烊徊莸亟ㄔO項目的科學決策。因此，研發(fā)一種放牧監(jiān)測系統(tǒng)用于快速、大規(guī)模、低成本地監(jiān)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(yè)經(jīng)濟與草地生態(tài)可持續(xù)發(fā)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(tǒng)（global positioning system，簡稱GPS）技術與計算機技術引入到草地畜牧業(yè)中，實現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲在內(nèi)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(shù)據(jù)線將軌跡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集的需求，但人工逐一同步數(shù)據(jù)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(tǒng)（geographic information system，簡稱GIS）技術、無線通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，國內(nèi)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(lián)網(wǎng)技術（internet of things）[9]、GIS技術與北斗/GPS技術結合，實現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)的遠程傳輸、實時監(jiān)測與可視化顯示[10-11]。Henkin等為了研究在丘陵地區(qū)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(jié)不同放牧強度下的放牧軌跡進行分析，發(fā)現(xiàn)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(qū)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(shù)據(jù)，結合徑向基函數(shù)理論，提出1種同域物種運動行為驅(qū)動因素的狀態(tài)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(fā)1種基于GPS與GIS的衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，以實時接收、解析并存儲牧群位置數(shù)據(jù)，并結合WebGIS技術、Web Services技術與Ajax技術實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)研發(fā)了1種基于GPS/GPRS羊群定位追蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xiàn)牧群定位，并結合WebGIS技術研發(fā)牧群定位平臺來實現(xiàn)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(xiàn)有牧群位置服務平臺主要實現(xiàn)了上述3種位置服務功能，鮮有實現(xiàn)牧場的放牧強度監(jiān)測功能和牧群的采食情況監(jiān)測功能，因而無法滿足草地畜牧管理部門對牧場監(jiān)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(guī)模應用。為此，本研究在現(xiàn)有的研究基礎上，研發(fā)了1種基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監(jiān)測系統(tǒng)。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(shù)據(jù)的采集終端，以現(xiàn)有的EXLIVE超越位置服務平臺作為軌跡數(shù)據(jù)采集平臺。以放牧軌跡為研究對象，針對數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，結合ArcGIS Server服務發(fā)布和ArcGIS Javascript API等技術構建放牧監(jiān)測平臺，并以草地學為理論基礎，結合網(wǎng)格分析、緩沖區(qū)分析、疊加分析等空間分析方法實現(xiàn)牧場的放牧強度監(jiān)測和牧群的采食情況監(jiān)測等功能。

1系統(tǒng)組織結構

1.1基于物聯(lián)網(wǎng)的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)是在現(xiàn)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(fā)的位置服務平臺，其特點為多地圖多協(xié)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(shù)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(xiàn)對牧群位置信息的動態(tài)監(jiān)測，為基于WebGIS與北斗/GPS的放牧監(jiān)測平臺的研發(fā)提供了軌跡數(shù)據(jù)采集的基礎。

基于物聯(lián)網(wǎng)的牧群軌跡數(shù)據(jù)采集架構采用物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)獲取問題。將北斗/GPS追蹤項圈部署到牧群中，對牧群的經(jīng)緯度位置、時間、速度等信息進行定時采集，并按照數(shù)據(jù)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(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)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(jīng)濟、功能實用和系統(tǒng)穩(wěn)定等特點，并且該產(chǎn)品的續(xù)航能力、整機質(zhì)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(shù)據(jù)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(zhì)量為202 g。Hulbert等研究表明，GPS設備的質(zhì)量與羊的質(zhì)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(xiàn)實放牧軌跡[3]。本試驗權衡記錄軌跡和現(xiàn)實軌跡的擬合度與GPS設備續(xù)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(nèi)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(shù)據(jù)遠程異地傳輸問題。該層通過短信、GPRS/3G移動通信網(wǎng)和Internet實現(xiàn)軌跡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息解析后存入數(shù)據(jù)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(jiān)測方法、牧群采食量分布監(jiān)測模型，實現(xiàn)對放牧信息的動態(tài)監(jiān)測。

1.2基于WebGIS的牧群軌跡數(shù)據(jù)分析

基于WebGIS的牧群軌跡數(shù)據(jù)分析的結構設計由系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括地理數(shù)據(jù)庫、牧場數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫等。其中，地理數(shù)據(jù)庫記錄牧群軌跡點數(shù)據(jù)、軌跡線數(shù)據(jù)、牧場邊界面數(shù)據(jù)、Lansat-8影像柵格數(shù)據(jù)、歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）柵格數(shù)據(jù)、研究區(qū)高程柵格數(shù)據(jù)、放牧強度專題圖面數(shù)據(jù)、采食量分布柵格數(shù)據(jù)等。牧場數(shù)據(jù)庫主要記錄地面實測牧草生物量樣方數(shù)據(jù)等。WebGIS應用服務器則是系統(tǒng)實現(xiàn)牧群軌跡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)檢索與分析功能的核心組成，以Web Service空間數(shù)據(jù)接口性提供應用服務[9，17-18]。當用戶使用放牧監(jiān)測平臺時，服務器針對用戶服務請求調(diào)用相應功能模塊與數(shù)據(jù)進行處理操作，并將處理結果在監(jiān)測系統(tǒng)界面上以專題圖或表的形式顯示。

2系統(tǒng)功能設計

2.1系統(tǒng)總體功能模塊

基于WebGIS的放牧監(jiān)測系統(tǒng)在功能上主要分為放牧行為監(jiān)測、牧場放牧強度監(jiān)測和牧群采食量分布監(jiān)測3個部分。WebGIS技術在系統(tǒng)各個功能模塊的實現(xiàn)上都起到了非常重要的作用。放牧行為監(jiān)測功能即實現(xiàn)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(jiān)測，是本系統(tǒng)的核心功能部分。其中，放牧強度分布是通過網(wǎng)格分析方法對牧群軌跡點數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建而成的[3- 5]；牧群采食量分布的監(jiān)測是基于放牧軌跡所記錄的時間和空間屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)放牧過程的空間分布特征，采用緩沖區(qū)與網(wǎng)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(qū)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(nèi)放牧家畜的數(shù)量（頭），以單位可食牧草面積上放牧家畜數(shù)量（頭）表示[19]。Kenward研究表明，在對不同樣本個體數(shù)據(jù)的空間分布進行分析時，網(wǎng)格分析方法是非常有效的手段[20]。因此，采用網(wǎng)格法對定位項圈以3 min為記錄時間間隔獲得的軌跡點數(shù)據(jù)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(qū)牧場進行網(wǎng)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(jié)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(nèi)牧群位置點進行計數(shù)，進而生成牧群位置點的頻數(shù)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(shù)，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(nèi)位置點的總數(shù)，個；N為每個GPS終端代表羊單位的個數(shù)，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(chuàng)建漁網(wǎng)工具”對研究區(qū)進行網(wǎng)格劃分，再利用“空間連接工具”對給定時間范圍軌跡點數(shù)據(jù)與格網(wǎng)進行處理，得到給定時間范圍內(nèi)放牧軌跡點頻數(shù)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(jù)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(wǎng)代表研究區(qū)，放牧軌跡由軌跡段Li組成。根據(jù)現(xiàn)實放牧場景中放牧空間分布呈帶狀區(qū)域特點，采用緩沖區(qū)方法對牧群的軌跡數(shù)據(jù)進行分析，進而生成緩沖區(qū)，并通過將其與網(wǎng)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。