【正文】 等）集成在一起。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 的基本原理是 測量 出已知位置的衛(wèi)星 到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的 數(shù)據(jù) 就可知道接收機(jī)的具體位置。 C/A碼頻率 ，重復(fù)周期一毫秒，碼間距 1微秒，相當(dāng)于 300m； P 碼 頻率 ，重復(fù)周期 天，基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 3 碼間距 ，相當(dāng)于 30m。 導(dǎo)航電文 每個主幀中包含 5個子幀每幀長 6s。當(dāng)用戶接受到 導(dǎo)航電文 時，提取出 衛(wèi)星 時間并將其與自己的時鐘 作對 比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的 衛(wèi)星 星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在 WGS84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。西藏、內(nèi)蒙古、新疆、青海、四川和甘肅 6省 (區(qū) )是我國的六大牧區(qū)，草原面積占全國草原總面積的 ％。特別是項(xiàng)目區(qū)草原生態(tài)狀況呈現(xiàn)區(qū)域性好轉(zhuǎn)，草地植被覆蓋度、草層高度、產(chǎn)草量較建設(shè)前均有大幅度提高。 草原面積逐年減少的主要原因是草原被墾為農(nóng)田 、 由 于草原退化 ； 植被覆蓋度降低到 5%以下，失去利用價值 ； 適宜造林的草原變成林地 ； 小城鎮(zhèn)、工礦及交通建設(shè)、旅游開發(fā)等占用草原。 地荒漠化和沙漠化使地表失去了綠色植被的覆蓋，導(dǎo)致地下水位下降，大氣降水減少。受草原生態(tài)環(huán)境變劣的影響，內(nèi)蒙古地區(qū)有些動、植物物種正在消失或減少。主要牧區(qū)草原超載率仍在 30％左右，部分地區(qū)的牲畜超載率甚至達(dá)到 80％。 設(shè)計方案 目的和意義 基于 課題背景中 提到的草原生態(tài)環(huán)境治理、草原管理工作復(fù)雜艱巨等問題，本課題研究目的就是運(yùn)用 3S技術(shù) ， 即遙感 (Remote Sensing)、地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System)和全球定位系統(tǒng) (Global Position System)，建立一個草原信息綜合 管理系統(tǒng)， 將草原管理模式改善為 定點(diǎn)多方面的 實(shí)時 監(jiān)測管理 ，有效解決草原管理工作復(fù)雜，草原生態(tài)環(huán)境治理艱難的草原難題。探討草原畜牧業(yè)信息化的有關(guān)問題，推進(jìn)草原畜牧業(yè)信息化，對于促進(jìn)內(nèi)蒙古草原畜牧業(yè)健康、持續(xù)、快速發(fā)展具有重要意義 [2]。特別是項(xiàng)目區(qū)草原生態(tài)狀況呈現(xiàn)區(qū)域性好轉(zhuǎn)，草地植被覆蓋度、草層高度、產(chǎn)草量較建設(shè)前均有大幅度提高。 內(nèi)蒙古自治區(qū)是全國草原資源大區(qū) ， 上世紀(jì) 80年代以前，總面積達(dá) 億畝，占自治區(qū)國土面積的 %。 內(nèi)蒙古草原以水草豐美著稱于世，但由于自然和人為因素的共同作用，草原退化呈快速蔓延趨勢。根據(jù)內(nèi)蒙古草勘院資料， 50年代內(nèi)蒙古草原平均產(chǎn)草量為 127公斤 /畝，到 80年代為 /畝， 30年來平均下降 %。土地荒漠化和沙漠化使地表失去了綠色植被的覆蓋，導(dǎo)致地下水位下降，大氣降水減少。呼倫貝爾草原上的克魯倫河 2021年主汛期出現(xiàn)斷流，烏爾遜河至下游斷流干涸，著名的達(dá)賚湖（呼倫湖）水面縮減500平方公里，水位下降 4 米以上，周邊小型湖泊 80%干涸，周圍近 300 平方公里的濕地消失，湖底泥沙裸露并嚴(yán)重威脅著湖邊的草原。如草原上優(yōu)良牧草中的羊草、黃花苜蓿、山厘豆等數(shù)量銳減；藥用價值較高的內(nèi)蒙古黃芪、草麻黃也在明顯減少。 五是，牧民生產(chǎn)和生活受到嚴(yán)重挑戰(zhàn) 。 從總體上看，內(nèi)蒙古 草原生態(tài)狀況仍不容樂觀，管理工作復(fù)雜，草原生態(tài)環(huán)境治理任務(wù)十分艱巨。 在 從地理地貌上看，內(nèi)蒙古高原東起 大興安嶺 和蘇克斜魯山，西至 甘肅省 河西走廊 西北端的馬鬃山，南沿長城，北接蒙古國。目前各個草原都是由該地區(qū)的相關(guān)部門管理，而這些管理部門管理方式 各異，相互之間的管理經(jīng)驗(yàn)交流較少。 這三者技術(shù)的集成運(yùn)用也隨著科技的發(fā)展逐漸完善和實(shí)用。在民用方面，遙感技術(shù)廣泛用于地球資源普查、植被分類、土地利用規(guī)劃、農(nóng)作物病蟲害和作物產(chǎn)量調(diào)查、環(huán)境污染監(jiān)測、海洋研制、地震監(jiān)測等方面。地理信息系統(tǒng)處理、管理的對象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，從而為土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設(shè)計和規(guī)劃、管理決策服務(wù) 。其中地理信息系統(tǒng)（ GIS）負(fù)責(zé)信息存儲、分析和綜合處理，遙感技術(shù)（ RS）負(fù)責(zé)大面積獲取 草原牧草長勢動態(tài)、牧草產(chǎn)量及分布、草原旱蟲災(zāi)狀況等草原資源信息 ，全球定位系統(tǒng)（ GPS）負(fù)責(zé)快速定位和獲取草原某區(qū)域的空間數(shù)據(jù)，三者有機(jī)結(jié)合形成一個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的綜合。 近些年來 ， 受氣候干旱、草場開發(fā)、超載過牧等因素影響 ，內(nèi)蒙古草原沙化、鹽漬化、石漠化較為嚴(yán)重。但由于歷史與現(xiàn)實(shí)、自然和人為因素的干擾和影響，全區(qū)廣大草原的生態(tài)環(huán)境形勢仍然很嚴(yán)峻。據(jù) 2021年遙感調(diào)查資料，內(nèi)蒙古現(xiàn)有草原面積為 ，近年來草原的面積仍在減少。據(jù)資料顯示， 60年代中后期退化加速；到 80年代退化面積達(dá) 37555萬畝，占可利用草地面積的 %；到 90年代末，草地退化面積達(dá)草地總面積的 73%。本世紀(jì)初草原載畜能力平均 畝 /羊單位，與 80 年代相比下降 %，與 60 年代相比下降 %。與 50 年代相比，通遼市降水減少 102毫米，錫林浩特市減少 84毫米，巴音浩特減少 59毫米，而年平均氣溫分別上升 1度、 和 度。 第四， 草原生態(tài)功能降低 。又如阿拉善地區(qū)梭梭林已由 50 年 ，額濟(jì)納旗的胡楊林也由 5萬公頃減少到 。其中，在草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價值評估方面的研究，為人們認(rèn)識草 原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性，加強(qiáng)草原生態(tài)系統(tǒng)的保育、退化草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和生態(tài)資產(chǎn)的增值具有重要的作用。現(xiàn)代遙感技術(shù)主要包括信息的獲取、傳輸、存儲和處理等環(huán)節(jié)。它具有全天候、全覆蓋、三維定點(diǎn)定速定時高精度、快速、省時、高效率等特點(diǎn) ,且不受任何天氣的影響，應(yīng)用廣泛，可移動定位，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)勘測、車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)、道路施工等。在實(shí)際的應(yīng)用中，較為常見的是 3S兩兩之間的集成，如 GIS/RS 集成， GIS/GPS 集成或者 RS/GPS 集成等，但是同時集成并使用 3S 技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例則較少。反之，地理信息系統(tǒng)亦可為遙感技術(shù)的圖像處理提供所需要的一切輔助數(shù)據(jù)。通過 GIS系統(tǒng)，可使 GPS的定位信息在電子地圖上獲得實(shí)時、準(zhǔn)確而又形象的反映及漫游查詢。 GIS、 RS、 GPS 的三者集成可構(gòu)成高度自動化，實(shí)時化和智能化的地理信息系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅能夠分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，而且能為各種應(yīng)用提供科學(xué)的決策依據(jù)，以解決復(fù)雜的用戶問題。該模式要求多種信息采集和信息處 [1] “3S”技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 [J]. 中國知網(wǎng) 基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 9 理平臺集成，同時需要實(shí)時通訊支持。大多數(shù)空間實(shí)體在 GIS中用二維方法描述，其關(guān)于距離以及方位的度量依賴于歐氏空間，許多地理信息模型均以歐氏空間為基礎(chǔ)。 這三大技術(shù)在本方案中的應(yīng)用方法如下： 遙感技術(shù)（ RS） ， 它 的含義是遙遠(yuǎn)的感知，也就是不直接接觸物體，從遠(yuǎn)處通過探測儀器接收地物的電磁波信息一般是電磁波的反射、輻射，通過對信息的處理，從而識別地物。 本方案中運(yùn)用該技術(shù)對草原區(qū)域的地理位置信息進(jìn)行采集，并對這些原始數(shù)據(jù)初步處理后轉(zhuǎn)給地理信息系統(tǒng)。 草原空間的 信息 數(shù)據(jù)信息處理 GPS 數(shù)據(jù)庫 草 原 空間信息 圖 GPS技術(shù)作業(yè)流程圖 草原空間的 信息 基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 11 根據(jù)本系統(tǒng)的信息需求和使用，將 遙感技術(shù)（ RS）和地理信息系統(tǒng)（ GIS）、全球定位系統(tǒng)（ GPS）合理的集成，使之 轉(zhuǎn)化成 與 系統(tǒng) 相適應(yīng) 的技術(shù)。 下圖是三大技術(shù)組合 方式的圖解 。對于地理信息系統(tǒng)（ GIS）而言， 遙感技術(shù)（ RS）是其重要的外部信息源，是其數(shù)據(jù)更新的重要手段。 地理信息系統(tǒng)（ GIS） 全球定位系統(tǒng)（ GPS） 遙感技術(shù)（ RS） 提供實(shí)時草原動態(tài) 提供草原空間信息 反饋信息需求 反饋信息需求 草原動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)綜合處理 圖 RS、 GIS、 GPS組合方式圖解 反映草原空間數(shù)據(jù) 反映草原動態(tài)數(shù)據(jù) 基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 13 目前， RS 與 GIS 一體化的集成應(yīng)用技術(shù)漸趨 成熟，在植被分類、災(zāi)害估算、圖像處理等方面均有相關(guān)報道。通過 GIS系統(tǒng)，可使 GPS的定位信息在電子地圖上獲得實(shí)時、準(zhǔn)確而又形象的反映及漫游查詢。 在地形可視化這一領(lǐng)域 ， 著名的 LOD算法之一是微軟研究院 Hoppe提出的基于 TIN格網(wǎng)的 VDPM算法 ， 該算法涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 但它的最大優(yōu)勢在于對有分化的地形表面具有較強(qiáng)的表達(dá)能力 。 亞洲的網(wǎng)絡(luò)包括日本覆蓋全境的網(wǎng)絡(luò) ， 韓國 、 新加坡 、 馬來西亞和中國已建系統(tǒng)的大部分也都是選用的 VRS技術(shù) 。 GPS 的快速定位為 RS 實(shí)時 、 快速進(jìn)入 GIS 系統(tǒng)提供了可能 ， 其基本原理是用 GPS/INS方法 ， 將傳感器的空間位置 （ X， Y， Z） 和姿態(tài)參數(shù) （δ，ω， K） 同步記錄下來 ， 通過相應(yīng)軟件 ， 快速產(chǎn)生直接地學(xué)編碼 。 有關(guān)科學(xué)家 利用激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)對城市環(huán)境污染進(jìn)行時空分析 ， 對布拉格的Kobylisy 區(qū)域利用 LIDAR 掃描來獲取臭氧濃度數(shù)據(jù) ， 研究了空氣污染的分布狀況 ， 及其對生存環(huán)境的影響。 二是以 GPS/RS為中心的集成 ， 它以同步數(shù)據(jù)處理為目的 ， 通過 RS 和 GPS 提供的實(shí)時動態(tài)空間信息結(jié)合 GIS的數(shù)據(jù)庫和分析功能為動態(tài)管理 、 實(shí)時決策提供在線空間信息支持服務(wù) 。1997年瑞典隆德大學(xué)的 Jonas Ardo利用 “3S” 技術(shù)對位于捷德邊境由于森林破壞受到嚴(yán)重污染的 Krusne Hory山區(qū)的范圍、速率及空間特征進(jìn)行了研究 ， 對森林的破壞進(jìn)行了評估 ，探討了森林破壞與海拔高度和坡向的關(guān)系，森林破壞與林區(qū)相對于點(diǎn)污染源的距離和方向的關(guān)系，為環(huán)境監(jiān)測提供了依據(jù) [1]。 在具體設(shè)計分工中，地理信息系統(tǒng)（ GIS）為 該系統(tǒng)設(shè)計的 核心， 負(fù)責(zé)接收遙感系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)所采集的信息，結(jié)合相關(guān)知識和專家意見，對這些信息進(jìn)行儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。 遙感 技術(shù) 是指運(yùn)用傳感器 或 遙感器 對物體的 電磁波 的輻射、反射特性的遠(yuǎn)距離的探測 ， 并根據(jù)其特性對物體的性質(zhì)、特征和狀態(tài)進(jìn)行分析的理論、方法和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。這三大技術(shù)是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯管理、更新、分析和應(yīng)用的三大支撐技術(shù)，是現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展、資源合理 規(guī)劃利用、城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理、自然災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測與防治等的重要技術(shù)手段，也是地學(xué)研究走向定量化的科學(xué)方法之一。 用戶界面主要是面向管理層的，草原管理部門需要了解草原的各個區(qū)域 牧草長勢動態(tài)、牧草產(chǎn)量及分布、草原旱蟲災(zāi)狀況等草原資源信息 ， 因此 該界面 需要 提供 信息查詢、信息結(jié)果顯示和一些基本的反饋的功能；應(yīng)用軟件、基本功能軟件、標(biāo)準(zhǔn)軟件共同擔(dān)負(fù)著草原各種信息的管理、運(yùn)算、分析和描述等過程，是整個系統(tǒng)的核心工作內(nèi)容；系統(tǒng)庫負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù)信息的存儲；操作系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)板塊之間聯(lián)系的操作平臺，控制其他程序的運(yùn)行并為用戶提供交互操作界面。 用戶界面 應(yīng)用軟件 功能 軟件 標(biāo)準(zhǔn)軟件 （圖形、數(shù)據(jù)庫等） 系統(tǒng)庫 （編程語言、數(shù)學(xué)庫等） 操作系統(tǒng) （系統(tǒng)調(diào)用、設(shè)備運(yùn)行、 網(wǎng)絡(luò)等） 3S 軟件 基礎(chǔ)軟件 系統(tǒng)軟件 3S 軟件結(jié)構(gòu) 圖 3S技術(shù)的軟件結(jié)構(gòu)圖 基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 19 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實(shí)現(xiàn) 由于草原面積的遼闊特征，決定了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是一個大型工程，主要包括監(jiān)測塔和管理基地的建設(shè)，在實(shí)際施工過程可參照以下三個步驟進(jìn)行，也可三部分并行施工。當(dāng)建立多個管理平臺時，還應(yīng)建立相應(yīng)通訊設(shè)備和信息交流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個管理 平臺的信息相互交流。遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)分別對草原的動態(tài)數(shù)據(jù)信息和地理數(shù)據(jù)信息輸入設(shè)備 專用 設(shè)備 常規(guī)設(shè)備 GPS 全數(shù)字?jǐn)z影 測量工作站 解析和數(shù)字 攝影測量儀器 遙感與遙感 圖象處理系統(tǒng) 全站儀 掃描儀 數(shù)字化儀 鍵盤、鼠標(biāo) 處理設(shè)備 工作站 服務(wù)器 硬盤陣列 存儲設(shè)備 活動硬盤 光盤機(jī) 磁帶機(jī) 輸出設(shè)備 繪圖儀 終端 打印機(jī) 圖 方案 實(shí)現(xiàn)的硬件基本配置 基于 3S 技術(shù)的草原管理信息 系統(tǒng)設(shè)計方案 20 進(jìn)行采集并傳輸給地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)后續(xù)的數(shù)據(jù)信息處理、存儲 和數(shù)據(jù)信息的輸出等操作。 通常矢量數(shù)據(jù)的基本單元定義為點(diǎn)、線、面 3種目標(biāo)形式。數(shù)據(jù)按圖幅或按區(qū)域存放，文件結(jié)構(gòu)包括文件頭和數(shù)據(jù)體，文件頭包括對數(shù)據(jù)的各種描述信息 (如行數(shù)、列數(shù)、格網(wǎng)間距、坐標(biāo)等 )，數(shù)據(jù)體依次記錄基本單元信息。二者的一體化上是邏輯上的疊加 。基于上述原因，矢量與柵格數(shù)據(jù)在疊加之前必須進(jìn)行匹配，否則會出現(xiàn) 2種數(shù)據(jù)套合偏差，匹配方式有如下方式： 對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之與矢量數(shù)據(jù)匹配。大多數(shù)空間實(shí)體在 GIS中用二維方法描述，其關(guān)于距離以及方位的度量依賴于歐氏空間，許多地理信息模型均以歐氏空間為基礎(chǔ)