基于3S技术的草原管理信息系统设计方案-课程设计

基于3S技术的草原管理信息系统设计方案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：作者学号：作者姓名：北京科技大学经济管理学院2013年6月27日北京科技大学经济管理学院 班级：工程管理112班 学号：41171071 姓名：黄寸 3基于3S技术的草原管理信息系统设计方案目录摘要11.引言21.1设计方案领域21.2设计方案背景31.3设计方案目的和意义42.问题定义与分析42.1待解决的具体问题42.2解决问题的重点和难点52.3解决问题的技术领域与技术路线53.参考文献综述63.1与拟解决问题相关的文献综述63.2与拟采用技术相关的文献综述74.设计方案的提出与构想94.1解决问题的方案94.2方案技术可行性分析124.3方案设计总体构架145.设计方案总体描述165.1方案综述165.2方案的技术内涵与逻辑175.3方案实现与实施的主要方法与步骤176.设计方案科学与技术原理解析196.1设计方案的技术原理196.2设计方案的数理模型206.2.1GIS的数据结构206.2.2GIS的空间模式217.设计方案关键技术实现与实证237.1关键技术原理的实现方法237.1.1技术实现的基本条件237.1.2技术实现方法论述247.2关键技术原理验证实验257.2.1实验目的257.2.2实验数据准备与说明257.2.3实验验证过程277.2.4实验验证结果及结论288.设计方案总括289.设计方案展望299.1设计方案的发展前景299.2设计方案的不足之处3010.参考文献3011.致谢30 30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, the situation of grassland degradation in our country is still serious. But the existing management patterns of grassland hard to deal with steppe ecosystem, because of its dynamics, uncertainty and complexity. I focus on this problem and put forward a viable solution. My plan depends on three technique, remote sensing technology (RS) and the global positioning system (GPS), geographic information systems (GIS), combines with modern technology of information collection and information communication, try to build a grasslands integrated information management platform. And it is possible to stay in one point but can monitor and manage multipoint grasslands. Remote sensing technology can collect the dynamic information of vegetation, global positioning system can collect the space features and geographic information system can process, analysis features, analysis out Prairie forage growth dynamic, forage production, the distribution, and Prairie dry infestations situation of Prairie. Then build up a digital Prairie resources dynamic monitoring information platform, timely accurately obtained Prairie resources changes of information, achieved Prairie resources real-time monitoring and warning. In the end, my purpose is that provides Prairie managers some actual accurate of Prairie resources information, so that help them to manage the grassland more effectively.Keywords: Remote sensing, Geographic information systems, Global positioning systems, grassland management.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，Geographic Information System）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”（Geographic Information Science）。近年来，也有称GIS为“地理信息服务”（Geographic Information service）。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 摘自中国环境网 。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(Remote Sensing)、地理信息系统(Geographic Information System)和全球定位系统(Global Position System)，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 陈智广.内蒙古草原畜牧业信息化初探J.前沿, 2007年(第11期).。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%。第三，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。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。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。在全球生态环境问题日益突出和可持续发展理念的背景下，生态服务功能及其评价的研究在全球得到了迅速的发展，国际和国内基于各种时空尺度的自然资源价值评估工作以草地、森林、湿地、农区、城市等不同类型的生态系统为研究对象，从生态系统服务、自然资本、生态资产、生物多样性等角度开展了大量研究，在相关理论、方法和应用的广度与深度上取得了前所未有的进展。其中，在草原生态系统服务功能和价值评估方面的研究，为人们认识草原生态系统服务的重要性，加强草原生态系统的保育、退化草原生态系统的恢复和生态资产的增值具有重要的作用。3.2 与拟采用技术相关的文献综述3S技术即利用GIS的空间查询、分析和综合处理能力，RS的大面积获取地物信息特征，GPS快速定位和获取数据准确的能力，三者有机结合形成一个系统，实现各种技术的综合。作为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，它们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，被广泛应用于资源与生态环境监测评价，例如对城市生态系统、农业生态系统、森林生态系统、草原和荒漠生态系统的环境监测中。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1 “3S”技术在生态环境监测中的应用J. 中国知网。GIS、RS和GPS三者集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了GIS的应用效率。在实际的应用中，较为常见的是3S两两之间的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，但是同时集成并使用3S技术的应用实例则较少。目前3S技术在环境动态监测与环境保护、城市规划与城市管理、车辆导航与监控系统、海洋渔业资源开发、土地研究等领域得到广泛应用。RS与GIS的集成是“3S”集成中最重要也最核心的内容。对于地理信息系统（GIS）而言，遥感技术（RS）是其重要的外部信息源，是其数据更新的重要手段。反之，地理信息系统亦可为遥感技术的图像处理提供所需要的一切辅助数据。两者结合的关键技术在于栅格数据和矢量数据的接口问题：遥感系统普遍采用栅格格式，其信息是以像元存储的，而地理信息系统主要是采用图形矢量格式，是按点、线、面（多边形）存储的。GPS和GIS集成是利用GIS中的电子地图结合GPS的实时定位技术为用户提供一种组合空间信息服务方式，通常采用实时集成方式。从严格的意义上说，GPS提供的是空间点的动态绝对位置，而GIS提供的是地球表面地物的静态相对位置，二者通过同一个大地坐标系统建立联系。通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上获得实时、准确而又形象的反映及漫游查询。GPS可以为GIS及时采集、更新或修正数据。GPS与RS集成的主要目的是利用GPS的精确定位解决RS定位困难的问题，GPS作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，直接获取各类大地模型信息，既可以采用同步集成方式，也可以采用非同步集成方式。GPS的快速定位为RS实时、快速进入GIS系统提供了可能，其基本原理是用GPS/INS方法，将传感器的空间位置（X，Y，Z）和姿态参数（，K）同步记录下来，通过相应软件，快速产生直接地学编码。GIS、RS、GPS的三者集成可构成高度自动化，实时化和智能化的地理信息系统，这种系统不仅能够分析和运用数据，而且能为各种应用提供科学的决策依据，以解决复杂的用户问题。按照集成系统的核心来分，主要有两种。一是以GIS为中心的集成系统，目的主要是非同步数据处理，通过利用GIS作为集成系统的中心平台，对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存贮和集成管理，存在数据、平台（数据处理平台）和功能三个集成层次，可以认为是RS与GIS集成的一种扩充。二是以GPS/RS为中心的集成，它以同步数据处理为目的，通过RS和GPS提供的实时动态空间信息结合GIS的数据库和分析功能为动态管理、实时决策提供在线空间信息支持服务。该模式要求多种信息采集和信息处理平台集成，同时需要实时通讯支持。GIS系统的常用数据结构有2种，即矢量数据结构和栅格数据结构，在矢量数据结构中，地理实体用一系列X，Y坐标作为位置标志符，用于描述各种地理要素。栅格数据结构采用格网单元的行和列作为位置标志符，以描述格网单元内的某些特性，一般包括DEM、遥感数据、航测数据、土地利用数据等。欧氏空间是对物理空间的一种数学理解与表达，是GIS中常用的一种重要空间。大多数空间实体在GIS中用二维方法描述，其关于距离以及方位的度量依赖于欧氏空间，许多地理信息模型均以欧氏空间为基础。欧氏（Euclidean）空间是欧氏几何所研究的空间，是对现实空间简单而确切的近似描述，分为平面和立体两种，可以看作是描述空间的坐标模型。其中平面通过一个简单的二维模型把空间特征转变成实数元组特征，该二维模型建立在包括一个固定原点和相交于原点的两条坐标轴的平面直角坐标框架下，对点、线、面特征的描述均有相关规定。4. 设计方案的提出与构想4.1 解决问题的方案针对本课题研究的草原生态问题发现不及时、草原管理工作复杂等现实问题，我经过研究相关文献和技术后提出相应的解决方案如下：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。这三大技术在本方案中的应用方法如下：遥感技术（RS），它的含义是遥远的感知，也就是不直接接触物体，从远处通过探测仪器接收地物的电磁波信息一般是电磁波的反射、辐射，通过对信息的处理，从而识别地物。本方案中运用该技术对草原的牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息进行实时的监测和采集，并对这些原始数据初步处理后转给地理信息系统。草原动态的原始数据信息数据信息初步处理和提取RS数据库所需草原动态信息图4.1 RS技术作业流程图全球定位系统（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。本方案中运用该技术对草原区域的地理位置信息进行采集，并对这些原始数据初步处理后转给地理信息系统。草原空间的信息数据信息处理GPS数据库草原空间信息图4.2 GPS技术作业流程图草原空间的信息地理信息系统（GIS），是在计算机软件和硬件的支持下，对各类空间数据进行输入、存储、检索、显示和综合分析的应用技术系统。简单地说，就是综合处理与分析空间数据的一种技术系统。该信息系统是本方案设计的核心，它接收遥感系统和全球定位系统所采集的信息，结合相关知识和专家意见，对这些信息进行储存、管理、运算、分析、显示和描述。草原综合信息RS数据库GPS数据库草原动态信息草原空间信息GIS系统信息处理中心图4.3 GIS技术作业流程图根据本系统的信息需求和使用，将遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）合理的集成，使之转化成与系统相适应的技术。在此之前要明确系统目的，本系统需要采集草原实时动态信息，并对这些信息进行储存、管理、运算、分析、显示和描述，最后根据所得信息进行草原的维护和改善。因此在本方案设计中，这三大技术的组合形式可形象描述为“一个大脑，两只眼睛”，即以地理信息系统（GIS）为核心，遥感技术（RS）和全球定位系统（GPS）作为辅助，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。下图是三大技术组合方式的图解。地理信息系统（GIS）全球定位系统（GPS）遥感技术（RS）提供实时草原动态提供草原空间信息反馈信息需求反馈信息需求草原动态信息数据库数据综合处理图4.4 RS、GIS、GPS组合方式图解反映草原空间数据反映草原动态数据4.2 方案技术可行性分析本方案以遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）等三大技术的相互集成作为技术依据。目前3S集成技术已经较为成熟，集成技术模式包括成遥感技术（RS）与地理信息系统（GIS）的集成、地理信息系统（GIS）与全球定位系统（GPS）的集成、遥感技术（RS）与全球定位系统（GPS）的集成和三者整体集成模式。（1）RS与GIS集成RS与GIS的集成是“3S”集成中最重要也最核心的内容。对于地理信息系统（GIS）而言，遥感技术（RS）是其重要的外部信息源，是其数据更新的重要手段。反之，地理信息系统亦可为遥感技术的图像处理提供所需要的一切辅助数据。两者结合的关键技术在于栅格数据和矢量数据的接口问题：遥感系统普遍采用栅格格式，其信息是以像元存储的，而地理信息系统主要是采用图形矢量格式，是按点、线、面（多边形）存储的。因而由于数据结构的差异，图像数据库和图形数据库之间的集成也是两者集成的难点，现阶段其解决方式如下图4.5所示。栅格结构矢量结构图像数据库属性数据库（RDB）图形数据库（SDB）元数据SDE（SDBRDB）图4.5 矢量和栅格数据结构的融合目前，RS与GIS一体化的集成应用技术渐趋成熟，在植被分类、灾害估算、图像处理等方面均有相关报道。1998年高志强等利用RS与GIS技术对中国土地利用和土地覆盖的现状进行研究，得出：中国植被值的大小分布同中国植被类型分布密切相关，其值的大小分布也反映了中国水热的空间分布格局，中国的东部湿润、半湿润地区的平原、盆地、河冲击扇区是我国土地利用程度最高的地区；1994年吴炳方、黄绚等应用RS与GIS技术进行了植被制图，分析了地理信息系统模型在改善植被分类中精度问题，并得出结论：单纯对遥感数据进行监督分类或非监督分类的精度低于50%，而通过结合辅助数据和应用地理信息系统模型，其精度将大大提高1 马莉；宋庆.“3S”集成技术研究现状的综述J.中国知网,2009年(第2期)。（2）GPS与GIS集成GPS和GIS集成是利用GIS中的电子地图结合GPS的实时定位技术为用户提供一种组合空间信息服务方式，通常采用实时集成方式。从严格的意义上说，GPS提供的是空间点的动态绝对位置，而GIS提供的是地球表面地物的静态相对位置，二者通过同一个大地坐标系统建立联系。通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上获得实时、准确而又形象的反映及漫游查询。GPS可以为GIS及时采集、更新或修正数据。两者集成的主要内容有多尺度的空间数据库技术，金字塔和LOD空间数据库技术，真四维的时空GIS和实时数据库更新等。GIS数据库的实时更新技术包括实时动态测量RTK技术（Real-Time Kinematic）和虚拟参考站VRS技术（Virtual Reference Stations）等。在地形可视化这一领域，著名的LOD算法之一是微软研究院Hoppe提出的基于TIN格网的VDPM算法，该算法涉及到的数据结构复杂，但它的最大优势在于对有分化的地形表面具有较强的表达能力。VRS技术在国外很早就得到了广泛的推广和运用。丹麦覆盖全国的VRS网络是全球第一个VRS网络,1999年就已建成。经过7年的发展，VRS网络几乎覆盖了整个欧洲。亚洲的网络包括日本覆盖全境的网络，韩国、新加坡、马来西亚和中国已建系统的大部分也都是选用的VRS技术。澳洲的新西兰、澳大利亚，非洲的南非，美洲的美国、加拿大等国也有大片区域为VRS网络所覆盖。（3）GPS与RS集成两者集成的主要目的是利用GPS的精确定位解决RS定位困难的问题，GPS作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，直接获取各类大地模型信息，既可以采用同步集成方式，也可以采用非同步集成方式。GPS的快速定位为RS实时、快速进入GIS系统提供了可能，其基本原理是用GPS/INS方法，将传感器的空间位置（X，Y，Z）和姿态参数（，K）同步记录下来，通过相应软件，快速产生直接地学编码。李德仁等于80年代末就开始了GPS在RS中的定位研究。在他们的研究中，应用GPS技术，结合惯性导航系统（INS），探讨了空地定位模式，即根据测出的空中遥感器的位置和姿态直接求解地面目标点的位置，实现了采用少量的地面控制点或无需控制点而生成DEM。将GPS、INS和激光测距技术进行集成得到机载扫描激光地形系统已成为国内外遥感界研究的热点。有关科学家利用激光雷达获取数据对城市环境污染进行时空分析，对布拉格的Kobylisy区域利用LIDAR扫描来获取臭氧浓度数据，研究了空气污染的分布状况，及其对生存环境的影响。（4）RS、GPS、GIS整体集成GIS、RS、GPS的三者集成可构成高度自动化，实时化和智能化的地理信息系统，这种系统不仅能够分析和运用数据，而且能为各种应用提供科学的决策依据，以解决复杂的用户问题。按照集成系统的核心来分，主要有两种。一是以GIS为中心的集成系统，目的主要是非同步数据处理，通过利用GIS作为集成系统的中心平台，对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存贮和集成管理，存在数据、平台（数据处理平台）和功能三个集成层次，可以认为是RS与GIS集成的一种扩充。二是以GPS/RS为中心的集成，它以同步数据处理为目的，通过RS和GPS提供的实时动态空间信息结合GIS的数据库和分析功能为动态管理、实时决策提供在线空间信息支持服务。该模式要求多种信息采集和信息处理平台集成，同时需要实时通讯支持。“3S”集成在环境监测和分析、水利工程、公路自动测绘、土地利用动态监测等方面也有了许多成功的经验。1997年印度遥感研究院的S.K.Bhan在对印度南部热带雨林地区研究的过程中建立了遥感地理信息模型，为利用“3S”技术对可持续发展的研究提供了范例。1997年瑞典隆德大学的Jonas Ardo利用“3S”技术对位于捷德边境由于森林破坏受到严重污染的Krusne Hory山区的范围、速率及空间特征进行了研究，对森林的破坏进行了评估，探讨了森林破坏与海拔高度和坡向的关系，森林破坏与林区相对于点污染源的距离和方向的关系，为环境监测提供了依据1 马莉；宋庆.“3S”集成技术研究现状的综述J.中国知网,2009年(第2期).。4.3 方案设计总体构架方案以遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）等三大技术的相互集成作为技术依据，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。因此该方案总体框架包括遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）之间的集成框架和相应的建筑设施总体框架。1、各种来源的信息集成处理框架RS、GPS、GIS整体集成GPS与GIS集成RS与GIS集成RS与GPS集成RS数据库GPS数据库GIS数据库图4.6 各种来源的信息集成处理框架2、建筑设施总体框架RS雷达GPS雷达信息综合管理平台GIS系统信息处理注：红线表示草原地理位置信息流；黑线表示草原动态信息流。图4.7 建筑设施总体框架5. 设计方案总体描述5.1 方案综述方案以遥感技术（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。在具体设计分工中，地理信息系统（GIS）为该系统设计的核心，负责接收遥感系统和全球定位系统所采集的信息，结合相关知识和专家意见，对这些信息进行储存、管理、运算、分析、显示和描述。遥感技术（RS）和全球定位系统（GPS）作为辅助系统，其中遥感技术负责对草原的牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息进行实时的监测和采集，并对这些原始数据初步处理后转给地理信息系统；全球定位系统则是对草原区域的地理位置信息进行采集，并对这些原始数据初步处理后转给地理信息系统。遥感技术和全球定位系统的协同工作实现草原区域地理位置与该区域的草原动态信息的对应关系。方案设计中还包括必需的草原信息监测塔、建筑设施等硬件设施。遥感技术是指运用传感器或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。因此需要在草原区域内安置一定数量草原监测塔，覆盖整个草原区域，用于采集各个区域牧草长势动态、牧草产量及分布、草原旱虫灾状况等草原资源信息。5.2 方案的技术内涵与逻辑方案以遥感技术（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。这三大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。这三大技术中地理信息系统（GIS）对各类空间数据进行输入、存储、检索、显示和综合分析，是方案设计的核心系统；而遥感技术和全球定位系统作为辅助技术系统，分别用于采集草原区域动态信息和对应地理空间信息。5.3 方案实现与实施的主要方法与步骤方案的实现需要软件技术条件、硬件设备以基础设施建设等条件的完备。1、软件技术条件的实现本系统通过采集草原数据信息，对信息进行储存、管理、运算、分析、显示和描述，并最终反馈给管理层，因此其软件结构包括用户界面、应用软件、基本功能软件、标准软件、系统库和操作系统等。用户界面主要是面向管