基于3S技术的草原管理信息系统设计方案课程设计.docx

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基于3S技术的草原管理信息系统设计方案课程设计

《信息资源管理》

课程设计报告

基于3S技术的草原管理信息系统设计方案

报告题目：

北京科技大学经济管理学院

摘要

目前我国草原退化形势依然严峻，而现有的草原管理模式难以应付草原生态系统的动态性、不确定性等复杂性特征。

本文针对现今草原的难以管理问题提出了可行的解决方案。

方案以遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）等三大技术的相互集成作为技术依据，结合现代先进的信息采集和信息通讯技术，建立一个草原信息综合管理平台，实现定点对多点的实时监测管理。

借助遥感技术的植被动态信息采集功能、全球定位系统的空间数据采集功能和地理信息系统的数据信息处理分析功能，分析出草原牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息，构建数字化草原资源动态监测信息平台，及时准确获得草原资源变化的信息，实现草原资源实时监测与预警，提供草原管理者实际准确的草原资源信息，使草原生态治理具有针对性和实效性。

关键字：

遥感技术、地理信息系统、全球定位系统、草原管理信息化

Abstract：

Currently,thesituationofgrasslanddegradationinourcountryisstillserious.Buttheexistingmanagementpatternsofgrasslandhardtodealwithsteppeecosystem,becauseofitsdynamics,uncertaintyandcomplexity.Ifocusonthisproblemandputforwardaviablesolution.Myplandependsonthreetechnique,remotesensingtechnology（RS）andtheglobalpositioningsystem（GPS）,geographicinformationsystems（GIS）,combineswithmoderntechnologyofinformationcollectionandinformationcommunication,trytobuildagrasslandsintegratedinformationmanagementplatform.Anditispossibletostayinonepointbutcanmonitorandmanagemultipointgrasslands.Remotesensingtechnologycancollectthedynamicinformationofvegetation,globalpositioningsystemcancollectthespacefeaturesandgeographicinformationsystemcanprocess,analysisfeatures,analysisoutPrairieforagegrowthdynamic,forageproduction,thedistribution,andPrairiedryinfestationssituationofPrairie.ThenbuildupadigitalPrairieresourcesdynamicmonitoringinformationplatform,timelyaccuratelyobtainedPrairieresourceschangesofinformation,achievedPrairieresourcesreal-timemonitoringandwarning.Intheend,mypurposeisthatprovidesPrairiemanagerssomeactualaccurateofPrairieresourcesinformation,sothathelpthemtomanagethegrasslandmoreeffectively.

Keywords:

Remotesensing,Geographicinformationsystems,Globalpositioningsystems,grasslandmanagement.

1.引言

1.1设计方案领域

空间定位系统（目前主要指遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS），简称3S技术）是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的三大支撑技术，是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，也是地学研究走向定量化的科学方法之一。

这三大技术有着各自独立、平行的发展成就：

遥感（RS）是指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的远距离的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。

目前该技术遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域，在资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。

例如航空摄影就是一种遥感技术。

人造地球卫星发射成功，大大推动了遥感技术的发展。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。

完成上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取信息的遥感器。

遥感器的种类很多，主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。

传输设备用于将遥感信息从远距离平台（如卫星）传回地面站。

信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。

地理信息系统（GIS）是指对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。

该技术被各行各业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统，向用户提供着多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策的功能。

地理信息系统（GIS，GeographicInformationSystem）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（GeographicInformationScience）。

近年来，也有称GIS为“地理信息服务”（GeographicInformationservice）。

GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。

GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。

GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

全球定位系统GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。

该技术被用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台（车、船、飞机、卫星等）的空间位置，具有的全天候、高精度和自动测量的特点，目前作为先进的测量手段和新的生产力融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：

当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。

C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。

而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。

导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。

它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。

导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。

前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。

后两帧共15000b。

导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

1.2设计方案背景

我国是一个草原大国，拥有各类天然草原近4亿公顷，约占陆地国土面积的2/5，是我国面积最大的绿色生态屏障，也是干旱、高寒等自然环境严酷、生态环境脆弱区域的主体生态系统。

我国草原分布广泛，遍布各个省（区、市）。

内蒙古、广西、云南、西藏、青海、新疆、陕西、甘肃、宁夏、重庆、四川和贵州西部12省（区、市）有草原面积约3.3亿公顷，占全国草原总面积的84.4％；辽宁、吉林和黑龙江东北3省有草原面积约0.17亿公顷，占全国草原总面积的4.3％；其他省（市）有草原面积约0.45亿公顷，占全国草原总面积的11.3％。

西藏、内蒙古、新疆、青海、四川和甘肃6省（区）是我国的六大牧区，草原面积占全国草原总面积的75.1％。

近年来，我国出台了一系列政策措施，不断强化草原保护，大力推进草原重大生态工程建设，集中治理生态脆弱和严重退化草原。

重大生态工程区内植被组成发生显著变化，多年生牧草增多，可食鲜草产量提高，有毒有害杂草数量下降，生物多样性明显好转，区域生态显著改善。

通过实施京津风沙源治理工程，天然草原保护和建设工程、退牧还草工程等生态建设项目，以及建立和完善基本草原保护、草畜平衡、禁牧休牧轮牧等制度，草原生态环境的保护和建设取得了明显成效。

特别是项目区草原生态状况呈现区域性好转，草地植被覆盖度、草层高度、产草量较建设前均有大幅度提高。

但由于历史与现实、自然和人为因素的干扰和影响，全区广大草原的生态环境形势仍然很严峻。

目前处在改善与恶化并存，局部好转、但整体恶化的趋势还没有得到根本性转变。

主要表现在以下几个方面：

第一，草原数量逐年减少。

草原面积逐年减少的主要原因是草原被垦为农田、由于草原退化；植被覆盖度降低到5%以下，失去利用价值；适宜造林的草原变成林地；小城镇、工矿及交通建设、旅游开发等占用草原。

第二，草原质量不断下降。

草地退化，造成草地质量下降，主要表现在草群中优良牧草的种类和数量大幅度减少，有毒有害及不可食的植物种类和数量增多，草群平均高度和覆盖度下降，草原的单位面积产草量大幅度降低.。

第三，草原生态环境变劣。

地荒漠化和沙漠化使地表失去了绿色植被的覆盖，导致地下水位下降，大气降水减少。

由于大气干旱，降水减少，气候干燥造成河水断流，湖泊缩减或干涸。

第四，草原生态功能降低。

草原退化、植被覆盖度下降，稀疏的植被减少了对二氧化碳的吸收能力，增强了大气的温室效应，使草地调节气候、防风固沙、保持水土、净化空气的功能明显减退。

受草原生态环境变劣的影响，内蒙古地区有些动、植物物种正在消失或减少。

第五，牧民生产和生活受到严重挑战。

长期以来，内蒙古草原畜牧业的增长不顾草原承载力过分依赖牲畜头数的增加，致使草原严重透支，人口和牲畜超载，致使草原畜牧业维系困难，牧区和广大牧民正面临生产和生活方式转变的严峻挑战。

总体看，全国退牧还草、京津风沙源治理、西南岩溶地区草地治理工程覆盖面仍然较低，70％以上的草原没有得到有效保护。

主要牧区草原超载率仍在30％左右，部分地区的牲畜超载率甚至达到80％。

与20世纪80年代相比，草原沙化、盐渍化、石漠化依然严重。

草原生态呈现“点上好转、面上退化，局部改善、总体恶化”的态势。

我国草原生态状况仍不容乐观，管理工作复杂，草原生态环境治理任务十分艰巨[1]。

1.3设计方案目的和意义

基于课题背景中提到的草原生态环境治理、草原管理工作复杂艰巨等问题，本课题研究目的就是运用3S技术，即遥感（RemoteSensing）、地理信息系统（GeographicInformationSystem）和全球定位系统（GlobalPositionSystem），建立一个草原信息综合管理系统，将草原管理模式改善为定点多方面的实时监测管理，有效解决草原管理工作复杂，草原生态环境治理艰难的草原难题。

本课题研究意义在于能够定点监测草原牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息，构建数字化草原资源动态监测信息平台，及时准确获得草原资源变化的信息，实现草原资源实时监测与预警，有效解决草原复杂性导致管理工作艰巨的难题。

草原管理信息化将成为内蒙古国民经济信息化的重要组成部分，它将会把内蒙古草原畜牧业推进到其发展的最高阶段，它是通过知识、信息技术的大量注入，使草原畜牧业基础设施装备现代化，草原畜牧业技术操作自动化，草原畜牧业经营管理信息网络化。

我们要迎接世界信息经济时代的挑战，开展新的草原畜牧业科技革命，发展信息草原畜牧业，推进草原畜牧业信息化进程。

探讨草原畜牧业信息化的有关问题，推进草原畜牧业信息化，对于促进内蒙古草原畜牧业健康、持续、快速发展具有重要意义[2]。

2.问题定义与分析

2.1待解决的具体问题

近些年来，受气候干旱、草场开发、超载过牧等因素影响，内蒙古草原沙化、盐渍化、石漠化较为严重。

国家相继出台了一系列政策措施，不断强化草原保护，大力推进草原重大生态工程建设，集中治理生态脆弱和严重退化草原。

总体看近年来通过实施京津风沙源治理工程，天然草原保护和建设工程、退牧还草工程等生态建设项目，以及建立和完善基本草原保护、草畜平衡、禁牧休牧轮牧等制度，草原生态环境的保护和建设取得了明显成效。

特别是项目区草原生态状况呈现区域性好转，草地植被覆盖度、草层高度、产草量较建设前均有大幅度提高。

但由于历史与现实、自然和人为因素的干扰和影响，全区广大草原的生态环境形势仍然很严峻。

目前处在改善与恶化并存，局部好转、但整体恶化的趋势还没有得到根本性转变。

主要表现在以下几个方面：

一是，草原数量逐年减少。

内蒙古自治区是全国草原资源大区，上世纪80年代以前，总面积达13.2亿亩，占自治区国土面积的74.38%。

据2001年遥感调查资料，内蒙古现有草原面积为11.249亿亩，近年来草原的面积仍在减少。

草原面积逐年减少的主要原因：

一是草原被垦为农田，80年代以前经历了3次大开垦，80年代再一次开垦；二是由于草原退化，植被覆盖度降低到5%以下，失去利用价值；三是适宜造林的草原变成林地；四是小城镇、工矿及交通建设、旅游开发等占用草原。

二是，草原质量不断下降。

内蒙古草原以水草丰美著称于世，但由于自然和人为因素的共同作用，草原退化呈快速蔓延趋势。

据资料显示，60年代中后期退化加速；到80年代退化面积达37555万亩，占可利用草地面积的39.37%；到90年代末，草地退化面积达草地总面积的73%。

草地退化，造成草地质量下降。

主要表现在草群中优良牧草的种类和数量大幅度减少，有毒有害及不可食的植物种类和数量增多，草群平均高度和覆盖度下降，草原的单位面积产草量大幅度降低.。

根据内蒙古草勘院资料，50年代内蒙古草原平均产草量为127公斤/亩，到80年代为71.25公斤/亩，30年来平均下降45.08%。

本世纪初草原载畜能力平均27.79亩/羊单位，与80年代相比下降38.03%，与60年代相比下降55.19%。

三是，草原生态环境变劣。

据统计，本世纪初内蒙古荒漠化土地面积达6224万公顷，占全区土地总面积的52.6%；沙化土地面积4159万公顷，占全区土地总面积的35.1%。

土地荒漠化和沙漠化使地表失去了绿色植被的覆盖，导致地下水位下降，大气降水减少。

与50年代相比，通辽市降水减少102毫米，锡林浩特市减少84毫米，巴音浩特减少59毫米，而年平均气温分别上升1度、1.4度和0.9度。

由于大气干旱，降水减少，气候干燥造成河水断流，湖泊缩减或干涸。

与80年代相比河流水量减少三分之一。

呼伦贝尔草原上的克鲁伦河2007年主汛期出现断流，乌尔逊河至下游断流干涸，著名的达赉湖（呼伦湖）水面缩减500平方公里，水位下降4米以上，周边小型湖泊80%干涸，周围近300平方公里的湿地消失，湖底泥沙裸露并严重威胁着湖边的草原。

四是，草原生态功能降低。

草原退化、植被覆盖度下降，稀疏的植被减少了对二氧化碳的吸收能力，增强了大气的温室效应，使草地调节气候、防风固沙、保持水土、净化空气的功能明显减退。

受草原生态环境变劣的影响，内蒙古地区有些动、植物物种正在消失或减少。

如草原上优良牧草中的羊草、黄花苜蓿、山厘豆等数量锐减；药用价值较高的内蒙古黄芪、草麻黄也在明显减少。

又如阿拉善地区梭梭林已由50年113.3万公顷减少到目前的38.6万公顷，额济纳旗的胡杨林也由5万公顷减少到2.95万公顷。

绿色植物的减少，必然导致动物种类的衰败和减少。

野马已在草原上消失，野岩羊、青羊、野骆驼数量锐减。

五是，牧民生产和生活受到严重挑战。

长期以来，内蒙古草原畜牧业的增长不顾草原承载力过分依赖牲畜头数的增加，致使草原严重透支，人口和牲畜超载，致使草原畜牧业维系困难，牧区和广大牧民正面临生产和生活方式转变的严峻挑战。

据自治区农牧业经管站统计，近几年我区牧民人均纯收入的增速落后农民增速，目前有不少牧民负债经营。

草原畜牧业、牧区和牧民等“三牧”问题突出。

从总体上看，内蒙古草原生态状况仍不容乐观，管理工作复杂，草原生态环境治理任务十分艰巨。

2.2解决问题的重点和难点

尽管国家出台一系列政策措施，鼓励和加强草原生态治理，但是由于草原覆盖面大、生态环境复杂、草原管理工作不完善等因素，我国草原生态状况仍不容乐观。

要解决草原生态问题，就要先解决草原生态实时监测、草原管理统一化、草原问题及时发现及时解决等问题，这是现今草原治理过程的重点和难点。

内蒙古草原广袤无垠，很难统一管理。

在从地理地貌上看，内蒙古高原东起大兴安岭和苏克斜鲁山，西至甘肃省河西走廊西北端的马鬃山，南沿长城，北接蒙古国。

海拔1000多米，地势起伏微缓，有明显的季相变化。

内蒙古自治区内的大草原主面积8666.7万公顷，其中有效天然牧场6818万公顷，占全国草场面积的27%，是我国最大的草场和天然牧场。

内蒙古草原大体上分为七大部分，呼伦贝尔、锡林郭勒、科尔沁、乌兰察布、鄂尔多斯和乌拉特6大著名草原和阿拉善荒漠草原。

目前各个草原都是由该地区的相关部门管理，而这些管理部门管理方式各异，相互之间的管理经验交流较少。

2.3解决问题的技术领域与技术路线

欲有效地解决草原生态问题，需要借助遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）等三大技术。

这三大技术是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。

他们是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的3大支撑技术，是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，也是地学研究走向定量化的科学方法之一。

这三者技术的集成运用也随着科技的发展逐渐完善和实用。

遥感技术（RS）是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线目标进行探测和识别的技术。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。

遥感技术广泛用于军事侦察、导弹、预警、军事测绘、海洋监视、气象观测和互剂侦检等。

在民用方面，遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测等方面。

全球卫星定位系统（GPS）是一种结合卫星及通讯发展的技术，GPS用于各类信息的空间定位，利用导航卫星进行测时和测距。

它具有全天候、全覆盖、三维定点定速定时高精度、快速、省时、高效率等特点,且不受任何天气的影响，应用广泛，可移动定位，现在已经广泛应用于农业勘测、车辆调度、监控系统、道路施工等。

地理信息系统（GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。

技术路线：

运用遥感技术对物体的电磁波的辐射、反射特性的远距离的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析，运用全球定位系统实时获取草原空间数据，再由地理信息系统对多种来源的草原动态数据进行综合处理、集成管理、动态存取。

通过遥感技术、全球定位系统、地理信息系统的联合工作和相互补充，建立一个草原信息化管理系统，实现定点多方面对草原进行监测管理。

地理信息系统（GIS）为系统核心技术，遥感技术（RS）和全球定位系统（GPS）作为辅助技术，建立一个草原信息管理系统。

其中地理信息系统（GIS）负责信息存储、分析和综合处理，遥感技术（RS）负责大面积获取草原牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息，全球定位系统（GPS）负责快速定位和获取草原某区域的空间数据，三者有机结合形成一个系统，实现各种技术的综合。

3.参考文献综述

3.1与拟解决问题相关的文献综述

参考的相关文献中提到了现今草原生态系统的动态性、不确定性和区域差异性等复杂性特征导致草原管理效率低、调控不及时等管理问题。

造成草原退化、沙化和荒漠化的最主要原因就是对草地资源的管理失当，而考究我国草地管理中采取了一些措施，如土地承包、草畜平衡、划区轮牧、休牧禁牧等等依然存在着诸多问题。

面对当下形势，适合我国国情的草原管理理论与模式迫切需要完善和创新。

近些年来，受气候干旱、草场开发、超载过牧等因素影响，内蒙古草原沙化、盐渍化、石漠化较为严重。

国家相继出台了一系列政策措施，不断强化草原保护，大力推进草原重大生态工程建设，集中治理生态脆弱和严重退化草原。

总体看近年来通过实施京津风沙源治理工程，天然草原保护和建设工程、退牧还草工程等生态建设项目，以及建立和完善基本草原保护、草畜平衡、禁牧休牧轮牧等制度，草原生态环境的保护和建设取得了明显成效。

特别是项目区草原生态状况呈现区域性好转，草地植被覆盖度、草层高度、产草量较建设前均有大幅度提高。

但由于历史与现实、自然和人为因素的干扰和影响，全区广大草原的生态环境形势仍然很严峻。

目前处在改善与恶化并存，局部好转、但整体恶化的趋势还没有得到根本性转变。

主要表现在以下几个方面：

第一，草原数量逐年减少。

内蒙古自治区是全国草原资源大区，上世纪80年代以前，总面积达13.2亿亩，占自治区国土面积的74.38%。

据2001年遥感调查资料，内蒙古现有草原面积为11.249亿亩，近年来草原的面积仍在减少。

草原面积逐年减少的主要原因：

一是草原被垦为农田，80年代以前经历了3次大开垦，80年代再一次开垦；二是由于草原退化，植被覆盖度降低到5%以下，失去利用价值；三是适宜造林的草原变成林地；四是小城镇、工矿及交通建设、旅游开发等占用草原。

第二，草原