沈貝貝，侯路路，丁 蕾，范蓓蕾，毛平平，徐大偉，閆瑞瑞，辛?xí)云?，陳金?qiáng)※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京100081；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院杭州310058；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京100081；4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)/國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心，江蘇南京210095）

0 引言

草原作為中國面積最大的綠色生態(tài)屏障，不僅是牧民賴以生存的基本生產(chǎn)資料，而且是我國少數(shù)民族的主要聚居區(qū)［1］。中國牧區(qū)占國土面積的45.1%，多處于干旱、半干旱地區(qū)，水資源短缺，水土資源不匹配，草畜平衡矛盾突出，草原生態(tài)環(huán)境十分脆弱［2］。傳統(tǒng)的放牧方式存在管理粗放、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益低等問題，伴隨著信息時(shí)代的到來，智能技術(shù)與畜牧業(yè)的深度融合，為傳統(tǒng)畜牧業(yè)的快速發(fā)展提供了條件。數(shù)字化在1998年美國總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”后越來越受到普遍重視，人們對數(shù)字化也有了更深入的理解和需求，相繼提出數(shù)字城市、數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字林業(yè)、數(shù)字草業(yè)等。將信息技術(shù)的最新進(jìn)展運(yùn)用到草原生態(tài)監(jiān)測和牧場管理是牧場現(xiàn)代化的必經(jīng)之路。數(shù)字牧場是數(shù)字地球的理論和知識在牧場管理上的拓展和深化，是數(shù)字農(nóng)業(yè)和數(shù)字草業(yè)在牧場應(yīng)用場景下的集成，運(yùn)用數(shù)字化信息技術(shù)，對牧場進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)、設(shè)計(jì)、控制和管理，將數(shù)據(jù)分析、模型分析、計(jì)算機(jī)模擬與智能判斷結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在牧場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、過程優(yōu)化、智能控制和信息追溯等方面的數(shù)字化管理，具有在畜牧信息管理基礎(chǔ)上分析動(dòng)物行為、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測預(yù)警、質(zhì)量安全管理等功能［3］。

生態(tài)學(xué)研究越來越重視“top—down”的研究方法，在放牧生態(tài)系統(tǒng)中，不僅要在大尺度上進(jìn)行植被、土壤等生態(tài)監(jiān)測，具體到家畜的體況監(jiān)測、行為監(jiān)測也顯得尤為重要，牧場中的家畜行為監(jiān)控是畜牧業(yè)集約化、智能化管理的一個(gè)基本條件，家畜的行為也是反應(yīng)草原狀況的重要指標(biāo)之一。數(shù)字牧場主要涉及牧場背景信息數(shù)字化獲取、草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測、家畜信息數(shù)字化監(jiān)測、系統(tǒng)過程分析和決策應(yīng)用等方面內(nèi)容，常用的數(shù)字化技術(shù)包括：遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［4］、渦度相關(guān)技術(shù)、RFID技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［5］等。

雖然我國在數(shù)字牧場研究中取得了相關(guān)進(jìn)展，但研究水平仍處于積累階段，尚有很多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題需要解決。基于此，文章對相關(guān)研究和應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行梳理，為數(shù)字牧場研究發(fā)展提供參考。

1 草原信息獲取與監(jiān)測評估

數(shù)字草業(yè)是數(shù)字牧場的前提，草原生態(tài)系統(tǒng)要素監(jiān)測是數(shù)字草業(yè)的核心內(nèi)容之一，快速準(zhǔn)確地采集草原基礎(chǔ)背景信息是開展精準(zhǔn)畜牧業(yè)的先決條件，信息采集技術(shù)是草原信息化管理不可缺少的重要環(huán)節(jié)。隨著地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，草原生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)從傳統(tǒng)地面監(jiān)測快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字化監(jiān)測［6］。

1.1 草原環(huán)境要素獲取

水熱條件、土壤、大氣等監(jiān)測是草原環(huán)境要素監(jiān)測的重要組成部分，遙感科學(xué)以地物與電磁波相互作用表現(xiàn)出的反射、吸收和發(fā)射特點(diǎn)為物理基礎(chǔ)，分為光學(xué)遙感、熱紅外遙感和微波遙感。通過遙感技術(shù)可以獲取大面積長時(shí)間的草原水文、土壤背景、地表溫度、地形等信息。航天、航空和地面協(xié)同的多時(shí)空分辨率全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水文、生態(tài)和環(huán)境研究中，提高了在獲取參量類型和數(shù)據(jù)反演中的精度［7］。利用遙感技術(shù)提取生態(tài)—水文過程中降水、蒸發(fā)、土壤水分等多種監(jiān)測指標(biāo)使定量表達(dá)區(qū)域水文過程及時(shí)空變化規(guī)律成為可能；熱紅外遙感是獲取區(qū)域、全球尺度上地表和大氣熱狀態(tài)的一種重要手段；微波遙感可測量不同地貌和植被覆蓋的土壤濕度條件。

使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取草場的水熱狀況正在普及，渦度相關(guān)技術(shù)（Eddy Covariance technique，EC）始于1895年，是目前直接測定地表—大氣間CO2和水熱通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，其通過三維風(fēng)速、氣體濃度和水分脈動(dòng)的觀測來獲取信息，已成為國際通量觀測網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)手段［8］，全球已有500多個(gè)站點(diǎn)應(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)測定地表—大氣間碳水通量。隨著無線傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境因子的方法正在被廣泛使用［9］，于貴瑞等［8］采用渦度相關(guān)法首次直接而準(zhǔn)確地觀測了生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)，表明將渦度相關(guān)法與區(qū)域水文觀測相結(jié)合，可連續(xù)獲取高時(shí)間分辨率的地表水汽通量信息；倪攀等［10］利用開路渦度相關(guān)系統(tǒng)和常規(guī)氣象梯度觀測系統(tǒng)于2007年9月1—26日對科爾沁半干旱風(fēng)沙草原的蒸散量和微氣象條件進(jìn)行了觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析探討了潛熱通量與氣象因子之間的關(guān)系，研究了半干旱風(fēng)沙草原區(qū)潛熱通量的特征；趙亮等［11］基于2003年1月至2004年7月數(shù)據(jù)運(yùn)用渦度相關(guān)法技術(shù)研究青藏高原金露梅灌叢草甸和藏嵩草沼澤化草甸的地表通量，對比了青藏高原兩種草甸地表通量季節(jié)變化特征。

1.2 草原生產(chǎn)能力監(jiān)測

植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Production，NPP）是一個(gè)定量描述生物圈生產(chǎn)能力特征的指標(biāo)，而且是可以在全球尺度上進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)變量，反映了植物群落在自然條件下的生產(chǎn)能力［12］。生物學(xué)法通過測定生態(tài)系統(tǒng)生物量獲取植被生產(chǎn)力。相比而言，生物量反映了某一時(shí)間生態(tài)系統(tǒng)所包含的有機(jī)物總體，而植被生產(chǎn)力則表示一段時(shí)期內(nèi)有機(jī)質(zhì)的變化。由于生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能等方面的差異，測定方法在不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)存在較大差異［13］。對于草原生態(tài)系統(tǒng)，由于植被多為多年生的草本，故地下生物量為多年累積值，其地下生物量一段時(shí)間的累積值轉(zhuǎn)換成含碳量，才是該時(shí)間段的地下生產(chǎn)力。在實(shí)際測量草原NPP時(shí)，常常間隔一段時(shí)間分別測量生物量數(shù)據(jù)，然后以兩次測量的生物量差值中的含碳量作為生產(chǎn)力的累積量。受放牧影響，放牧場家畜采食后的地上生物量不能作為地上生產(chǎn)力，在測量時(shí)常使用套籠以避免家畜采食，套籠內(nèi)外植被生物量差值中的含碳量作為地上生產(chǎn)力的累積量。對于打草場，生長季末期的地上生物量轉(zhuǎn)換成碳含量后，可作為該年草原的地上生產(chǎn)力。

應(yīng)用遙感技術(shù)的光能利用率模型為草原NPP監(jiān)測提供了新的途徑，CASA（The Carnegie Ames Stanford Approach）最早將光能效率模型概念應(yīng)用到全球尺度上開展植被生產(chǎn)力研究［14-15］，也是唯一直接模擬NPP的光能利用率模型。我國學(xué)者應(yīng)用CASA模型在草原凈初級第一性生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化方面開展了很多研究，如樸世龍等［16］利用CASA模型估算了1982—1999年（除1994年）我國植被年凈第一性生產(chǎn)力及其時(shí)空變化；龍慧靈等［17］采用朱文泉等改進(jìn)的基于光能利用率的NPP遙感估算模型［18］對內(nèi)蒙古草原區(qū)1982—2006年的NPP進(jìn)行估算，并分別以年、季節(jié)和月為時(shí)間單位分析NPP與氣候的關(guān)系。以上研究均使用分辨率較低的MODIS影像，適合大范圍的草原生產(chǎn)力監(jiān)測，在牧場尺度上，可采用MODIS與分辨率較高的影像數(shù)據(jù)（如Landsat TM、Landsat OLI、Sentinel-2A等）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合［19］。

1.3 草原生態(tài)健康評價(jià)

草原生態(tài)健康監(jiān)測包括草原長勢、草原覆蓋度、草原退化等。草原長勢監(jiān)測方法有逐年比較法、距平比較法和極值比較法，常使用歸一化植被指數(shù)（NDVI）作為草原長勢的指示變量［20］。草原覆蓋度監(jiān)測方法中目前較為流行的是像元二分法，該算法將每個(gè)像元的NDVI值由綠色植被與裸土貢獻(xiàn)的兩部分信息，通過計(jì)算植被部分所占的比值表示植被的覆蓋度［21-24］。趙艷華等［24］應(yīng)用該方法以MOD13Q1產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源對2000—2010年陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋開展時(shí)空變化分析，并發(fā)現(xiàn)降水是影響陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋度變化的主要自然因素。

傳統(tǒng)的草原退化監(jiān)測是以覆蓋度、生物量、生產(chǎn)力［25］的下降為特征，利用遙感影像通過人工解譯、分類或遙感參數(shù)反演評估退化狀況［26］。然而，在草原退化過程中，雜類草侵入，往往導(dǎo)致覆蓋度和產(chǎn)量的增加，因而在進(jìn)行退化等級劃分時(shí)，還應(yīng)考慮雜類草的影響。劉朋濤等［27］提出基于植物群落類型（生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）和生物量（生態(tài)系統(tǒng)功能）的退化草原評價(jià)指標(biāo)。李京忠［28］依據(jù)狼毒盛花期光譜與其他綠色植被的顯著區(qū)別，確定了利用MODIS-EVI時(shí)序數(shù)據(jù)提取狼毒的最優(yōu)方法。高光譜遙感借助豐富的光譜維信息，能夠有效識別群落中雜類草種類，并反演出占群落的面積比例、高度和蓋度等群落特征指標(biāo)，具有突出的優(yōu)勢［26］。李雙等［29］基于HJ-HSI高光譜影像、地面實(shí)測光譜及樣方數(shù)據(jù)開展了三江源區(qū)不同退化程度高寒草甸分類研究，結(jié)果表明SAM法優(yōu)于最大似然法。安如等［30］利用Hyperion影像和地面高光譜數(shù)據(jù)，通過多端元混合像元分解技術(shù)，提取了可食牧草、毒雜草及裸土組分信息，對三江源典型區(qū)草原退化程度進(jìn)行了分類。

1.4 草原利用狀況評估

開放型牧場或散養(yǎng)牧場目前仍然是我國的主要放牧方式。天然草場牲畜超載率居高不下，加上氣候等因素，造成我國草原退化、沙化和水土流失嚴(yán)重。根據(jù)草場生產(chǎn)力控制載畜量，達(dá)到草畜平衡是維持草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展的重要保障［31］。綜合利用草原植被生產(chǎn)力和地上現(xiàn)存生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同地區(qū)的草品質(zhì)、產(chǎn)草量計(jì)算適合當(dāng)?shù)夭輬龅倪m宜承載量，獲取研究區(qū)內(nèi)草原利用強(qiáng)度數(shù)據(jù)，用于反映草原植被整體利用狀況，評估草原利用狀況。評估結(jié)果可指導(dǎo)牧民合理放牧，制定適宜的放牧強(qiáng)度，為合理利用天然草原、因地制宜地制定草原保護(hù)政策提供支撐。

國內(nèi)外學(xué)者針對草畜平衡矛盾開展了大量研究，包括合理載畜量測定、草畜平衡監(jiān)測、草畜平衡管理等方法和模型的設(shè)計(jì)，阿娜爾等［32］研究了不同放牧強(qiáng)度對植物生物量和綿羊增重的影響，并推薦了綿羊增重的最佳放牧強(qiáng)度。王薩仁娜等［33］通過GPS項(xiàng)圈獲取不同放牧強(qiáng)度下綿羊的信息，基于3S技術(shù)研究綿羊牧食行為的時(shí)空分布特征，分析綿羊牧食行為與草原環(huán)境間的關(guān)系。牛文遠(yuǎn)等［34］在3S技術(shù)支撐下，結(jié)合實(shí)地調(diào)查和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，調(diào)查分析了烏拉蓋草原利用狀況，量化了草原“三化”的動(dòng)態(tài)變化狀況，研究結(jié)果對當(dāng)?shù)夭菰芾砭哂兄笇?dǎo)意義。

2 草食家畜信息識別與獲取

獲取精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的家畜數(shù)據(jù)在發(fā)展現(xiàn)代畜牧業(yè)、保障畜產(chǎn)品有效供給和草原生態(tài)系統(tǒng)平衡中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、為家畜佩戴智能項(xiàng)圈等可以實(shí)現(xiàn)家畜的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 家畜種類精準(zhǔn)識別與計(jì)數(shù)

生物識別技術(shù)（Biometric Identification Technology）是指利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)。射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸式的標(biāo)識識別技術(shù)，由應(yīng)答器、閱讀器以及應(yīng)用系統(tǒng)組成，通過內(nèi)置唯一的電子編碼，在閱讀器及應(yīng)用系統(tǒng)輔助下可實(shí)現(xiàn)對家畜個(gè)體進(jìn)行識別、認(rèn)證、防偽、追溯［5］。RFID技術(shù)通常與通信技術(shù)、二維碼技術(shù)等信息技術(shù)集成，針對畜牧生產(chǎn)不同目標(biāo)應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)。管理部門精確掌握家畜數(shù)量及其空間分布有助于科學(xué)指導(dǎo)畜牧業(yè)生產(chǎn)工作，通過逐級上報(bào)獲取家畜數(shù)量周期長，而且數(shù)量準(zhǔn)確性有待評估。傳統(tǒng)地面調(diào)查的方法效率低，成本高，難以滿足需求。近年來，無人機(jī)、載荷、通信技術(shù)發(fā)展迅速，隨著無人機(jī)成本和準(zhǔn)入門檻下降，無人機(jī)開始應(yīng)用于家畜調(diào)查等領(lǐng)域。

王玲等［35］將RFID技術(shù)、Zigbee無線通信技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了羊場養(yǎng)殖信息管理手持終端，開發(fā)的羊電子耳標(biāo)對羊?qū)嵭袀€(gè)體監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖信息實(shí)時(shí)采集、錄入、存儲和查詢，為優(yōu)良羊選育提供了技術(shù)支持。胡必玲等［36］針對散養(yǎng)動(dòng)物統(tǒng)計(jì)和識別困難的問題，將RFID技術(shù)與當(dāng)前發(fā)展迅速的無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用RFID、無人機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)放養(yǎng)牲畜定位系統(tǒng)，通過無人機(jī)自動(dòng)巡航中自動(dòng)讀取和分析RFID信號，實(shí)現(xiàn)牲畜定位和計(jì)數(shù)功能。中科院空天信息研究院生態(tài)系統(tǒng)遙感研究團(tuán)隊(duì)在三江源地區(qū)通過衛(wèi)星遙感影像，采用草原生物量估算模型，繪制了三江源草原地上生物量的空間分布圖，并結(jié)合無人機(jī)遙感成像和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，快速統(tǒng)計(jì)出了藏羚羊的個(gè)數(shù)。邵全琴等［37］利用固定翼無人機(jī)進(jìn)行航拍，通過人機(jī)交互解譯，提取了牦牛、藏羊、馬等家畜信息，估算了瑪多縣大型野生食草動(dòng)物種群數(shù)量，分析了其對草畜平衡的影響。王東亮等［38］利用無人機(jī)視頻流，構(gòu)建了家畜深度學(xué)習(xí)識別模型，實(shí)現(xiàn)了家畜的在線識別與計(jì)數(shù)，可為家畜監(jiān)控提供技術(shù)支撐。

2.2 家畜體征狀況信息化采集

家畜體征狀況包含生理特征和形態(tài)特征，監(jiān)測主要集中在體表溫度、呼吸頻率、心率、聲音、體重和體尺等，生理參數(shù)是家畜對環(huán)境適應(yīng)能力的參考標(biāo)準(zhǔn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過智能傳感器、無線傳輸、遠(yuǎn)程通信等技術(shù)，對動(dòng)物個(gè)體的生理參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和持續(xù)的自動(dòng)化信息監(jiān)測和采集［39］。體重測量經(jīng)歷了從體重箱測法、電子稱重設(shè)備、圖像無創(chuàng)估計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字圖像分析、無人機(jī)影像分析的發(fā)展過程。通過圖像采集傳感器獲取家畜個(gè)體圖片及視頻并進(jìn)行分析，獲取家畜體重、大小等生理數(shù)據(jù)，是當(dāng)前家畜信息采集的重要研究方向［40］。體溫和呼吸頻率等數(shù)據(jù)是判斷家畜健康狀況的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的通過聽診器聽取心跳聲呼吸頻率和利用人工水銀體溫計(jì)獲取溫度信息等方法存在動(dòng)物應(yīng)激大、時(shí)間長、工作量大、容易出現(xiàn)交叉感染等問題。目前，體溫、心率的測定主要是基于無線物聯(lián)網(wǎng)、紅外測溫、機(jī)器視覺技術(shù)檢測、視頻成像和心電傳感等技術(shù)［41］。聲音是反映動(dòng)物行為和動(dòng)物健康的重要指標(biāo)，現(xiàn)有的聲源識別和定位技術(shù)主要通過麥克風(fēng)、拾音器等收錄設(shè)備將動(dòng)物叫聲、飲水聲和咳嗽聲等聲音信息實(shí)時(shí)錄制，將收集錄制的信息建立聲音分析數(shù)據(jù)庫，辨識動(dòng)物異常發(fā)聲，預(yù)警早期疾病［42］。

目前國內(nèi)外采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物體尺體重測量，在不影響動(dòng)物的情況下通過拍攝和計(jì)算，評估動(dòng)物體尺、估算體重，測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高［43］。尹令等［44］基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了奶牛體溫、呼吸頻率和運(yùn)動(dòng)加速度的識別，并通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，找出奶牛慢走、爬跨、靜止等行為的特征。Jahns［45］針對已知的牛饑餓和發(fā)情叫聲信號提取出先驗(yàn)特征矩陣及其參考模式，利用模式匹配方法識別牛只日常叫聲中所包含的饑餓及發(fā)情信息。

2.3 家畜行為監(jiān)控與軌跡制圖

家畜行為監(jiān)測集中在采食、臥息、游走、站立、飲水、排泄、發(fā)情等。監(jiān)測方法涉及跟蹤記錄法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建、項(xiàng)圈記錄法等。周雅婷等［46］提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的肉牛采食行為監(jiān)測方法，通過利用集陀螺加速度計(jì)和藍(lán)牙模塊為一體的傳感器采集行為姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙組網(wǎng)模式無線傳輸?shù)絇C上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)顯示肉牛行為姿態(tài)的曲線波動(dòng)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對肉牛采食行為進(jìn)行分類識別。姜美曦等［47］利用無線傳感器獲取肉牛加速度，采用卡爾曼算法對肉牛行為進(jìn)行識別，表明肉牛采食行為檢測系統(tǒng)能夠快速采集和傳輸肉牛采食信息，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。丹麥科學(xué)家設(shè)計(jì)了放置在羊只脖頸上的Zigbee行為監(jiān)測設(shè)備，通過監(jiān)測羊只脖頸動(dòng)作分析羊只的各種行為。王冉等［48］利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了實(shí)時(shí)監(jiān)控畜牧環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)。屈東東等［49］基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一套體積小、性能穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的奶牛養(yǎng)殖實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)群養(yǎng)奶牛的智能化識別和跟蹤管理。

隨著GPS的不斷發(fā)展，對肉牛采食行為路線的監(jiān)測已經(jīng)得到較好研究，將GPS設(shè)置一定的時(shí)間間隔采集坐標(biāo)點(diǎn)，隨后根據(jù)定位點(diǎn)繪制軌跡圖。Schlecht等［50］使用高精度差分GPS設(shè)備獲取了牛的放牧軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合放牧行為觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了放牧行為線性判別函數(shù)，最終通過放牧軌跡數(shù)據(jù)求解函數(shù)中的判別因子，進(jìn)而對牛的進(jìn)食、行走和休息行為進(jìn)行了識別?？傊S著科技不斷進(jìn)步，各種硬件設(shè)備逐漸完善，對于肉牛行為的監(jiān)測也越來越成熟，但是，試驗(yàn)期間出現(xiàn)電子項(xiàng)圈損壞、衛(wèi)星信號不良、通訊網(wǎng)絡(luò)未覆蓋等問題不可避免，會導(dǎo)致軌跡數(shù)據(jù)缺失，該現(xiàn)象也將作為技術(shù)難點(diǎn)在今后開展深入研究。

3 草畜生產(chǎn)過程定量調(diào)控

牧場是草畜的綜合體，探究草原和家畜之間的關(guān)系，找到草原生產(chǎn)力和家畜利用部分的平衡點(diǎn)是牧場管理的重點(diǎn)。正確合理地組織放牧，定量調(diào)控草畜生產(chǎn)過程是保障畜牧業(yè)不斷發(fā)展的根本措施，促進(jìn)草原生態(tài)和畜牧業(yè)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，有效實(shí)現(xiàn)草畜一體化科學(xué)發(fā)展。

3.1 草畜生產(chǎn)過程模型

模型是信息化技術(shù)的理論依托，是決策支持系統(tǒng)研究的核心技術(shù)，是數(shù)字牧場不可缺少的組成部分。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，結(jié)合實(shí)地監(jiān)測，綜合利用獲取的水、土、氣、草、畜等生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過建立相關(guān)模型可以達(dá)到科學(xué)指導(dǎo)決策的目的。目前，世界各國研制出一些成功的草原與畜牧模型，建立了眾多“以畜定草”和“以草定畜”模型，開發(fā)了大量牧場放牧管理軟件，如GrassGro、ACIAR、GRASIM、SPUR等［51-52］，這些過程模型涉及牧草生長、牲畜養(yǎng)殖、放牧管理等各個(gè)方面，使得草原—家畜系統(tǒng)的定量管理成為可能。

GrassGro模型是澳大利亞CSIRO植物產(chǎn)業(yè)部開發(fā)的草原與畜牧模型，依據(jù)牧場品種、氣象數(shù)據(jù)、土壤條件估算草場牧草的產(chǎn)量，結(jié)合草原飼養(yǎng)的家畜、生產(chǎn)能力等，確定飼草的供應(yīng)，使草畜生產(chǎn)達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益［53］。模型涉及植物、土壤、家畜、飼料及氣象等多類參數(shù)。該模型最大優(yōu)勢在于草原生態(tài)過程、草原—家畜相互作用，模擬結(jié)果可提供定量、科學(xué)決策，可直接應(yīng)用于我國云貴川山區(qū)栽培草原—家畜系統(tǒng)，北方部分草原區(qū)需參數(shù)本地化后使用。家庭牧場草原—家畜優(yōu)化管理模型（Australian Centre for International Agricultural Research，ACIAR）是一個(gè)專門針對于中國北方草原家庭牧場生產(chǎn)經(jīng)營設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件系統(tǒng)模型，主要分為草畜平衡模型，優(yōu)化生產(chǎn)模型，可持續(xù)發(fā)展模型，精準(zhǔn)管理模型4個(gè)模型。

3.2 牧場決策支持技術(shù)

畜牧養(yǎng)殖業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重壓力，決策支持系統(tǒng)為評估生產(chǎn)管理效益，保證生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供了有效的工具。利用人工智能等技術(shù)構(gòu)建動(dòng)物監(jiān)控系統(tǒng)，可以提升管理效率和智能化水平。決策支持系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)和放牧管理方面有很大進(jìn)展，世界各國開發(fā)了大量牧場放牧管理的軟件。

科學(xué)和精準(zhǔn)飼喂是提高動(dòng)物福利的重要方面。自動(dòng)飼喂系統(tǒng)通過將家畜個(gè)體資料進(jìn)行信息化管理，將個(gè)體產(chǎn)能信息與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)合家畜生產(chǎn)性能制定合理的飼料管理和生產(chǎn)計(jì)劃，可有效提高生產(chǎn)能效。在放牧飼養(yǎng)方面，眾多學(xué)者進(jìn)行了家畜科學(xué)飼喂的研究，任勁飛等［54］研究分析了家畜采食經(jīng)驗(yàn)，提出了通過調(diào)節(jié)牧草高度、密度、顏色等調(diào)控家畜采食行為的探索性方案；樊金富等［55］研究了不同牧草生長時(shí)期對草原放牧奶牛牧草采食量和營養(yǎng)攝取情況的影響，為放牧情況下奶牛的補(bǔ)飼和科學(xué)放牧管理提供了科學(xué)指導(dǎo)。

在育種管理方面，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了家畜發(fā)情監(jiān)測向自動(dòng)化方向發(fā)展。通過電子傳感器檢測家畜個(gè)體的體溫、活動(dòng)量、呼吸參數(shù)、內(nèi)分泌、采食量等參數(shù)，研究家畜個(gè)體的發(fā)情體征，自動(dòng)判斷其發(fā)情時(shí)間，為提高良種家畜的繁殖能力提供了有效措施［56-57］。田富洋等［58］根據(jù)奶牛發(fā)情期活動(dòng)量上升、靜臥時(shí)間變短和體溫升高等生理學(xué)特性，采用振動(dòng)傳感器、姿態(tài)傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測奶牛的活動(dòng)量、靜臥時(shí)間和體溫等參數(shù)，建立了以奶牛行走步數(shù)、靜臥時(shí)間、行走時(shí)間、溫度為輸入，以奶牛行為特征為輸出的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)情行為辨識模型與預(yù)測模型，模型檢測奶牛發(fā)情的準(zhǔn)確率達(dá)100%，發(fā)情預(yù)測率高達(dá)70%。

在疫病管理方面，隨著信息監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，隨時(shí)隨地掌握家畜信息提高了家畜的健康管理能力［59］。物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)推動(dòng)了生物識別、傳感器、數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備與現(xiàn)代疫病診斷技術(shù)的發(fā)展。陜西某物聯(lián)公司通過埋植芯片和其他智能采集裝置自主研發(fā)的家畜智能植入式電子身份健康檢測儀能夠收集家畜的生理狀況指標(biāo)數(shù)據(jù)，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了家畜健康狀況和疫病監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)倚蠹膊≡绨l(fā)現(xiàn)早治療，防止疫病大規(guī)模爆發(fā)。

在質(zhì)量安全監(jiān)管方面，畜牧產(chǎn)品質(zhì)量管理追溯系統(tǒng)集成了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建了云畜牧工程，對家畜生產(chǎn)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)信息開展監(jiān)督管理，為養(yǎng)殖戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)家畜的疾病預(yù)警、食品安全的監(jiān)管和畜牧生產(chǎn)指導(dǎo)［60］。

4 結(jié)論與展望

遙感技術(shù)具有多維、多平臺、多時(shí)相、多波段的數(shù)據(jù)獲取能力［61］，能夠獲取覆蓋同一地表區(qū)域的多時(shí)相數(shù)據(jù)，且不同分辨率的影像能夠滿足多尺度的監(jiān)測需求，為草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供了科學(xué)有效的途徑?！疤臁铡亍币惑w化技術(shù)將衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航空遙感和人工地面調(diào)查相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)。通過遙感解譯結(jié)合地面調(diào)查更能提高信息獲取的準(zhǔn)確性，采用衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航空遙感相結(jié)合的方式，能快速有效地獲取牧場的背景信息，投入少，獲取的結(jié)果也比較準(zhǔn)確。模型是決策支持系統(tǒng)的核心技術(shù)，是數(shù)字牧場不可缺少的組成部分，特別是在我國畜牧業(yè)整體科技水平不高，生產(chǎn)模式粗放的情況下，研制相關(guān)數(shù)字牧場軟件，優(yōu)化牧場利用模式，已經(jīng)成為畜牧業(yè)發(fā)展的重要方向［62-64］。目前已開發(fā)的涉及草原生產(chǎn)過程模型從宏觀的草業(yè)經(jīng)濟(jì)到微觀分子水平的光合作用，研究范圍從全球到區(qū)域、從生物群體到個(gè)體生長等不同層次。隨著信息技術(shù)在畜牧行業(yè)的滲透，畜牧生產(chǎn)發(fā)生了根本改變，近年來相繼開發(fā)了畜牧場管理、育種分析、專家和決策支持等系統(tǒng)，并在畜牧科研和生產(chǎn)中得到推廣使用，提高了畜牧生產(chǎn)效率和畜牧養(yǎng)殖的信息分析和處理水平，將畜牧業(yè)生產(chǎn)向規(guī)模化、集約化、精細(xì)化方向推動(dòng)，加強(qiáng)了畜牧養(yǎng)殖的監(jiān)督控制，提高了動(dòng)物疫情疫病防治能力，夯實(shí)了生產(chǎn)質(zhì)量安全保障能力，為畜牧生產(chǎn)保駕護(hù)航。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展和在畜牧行業(yè)的逐步落地應(yīng)用，畜牧生產(chǎn)逐漸向數(shù)字化、智能化、智慧化方向發(fā)展，是未來的發(fā)展趨勢。要不斷提高牧場管理的現(xiàn)代化水平，推動(dòng)草原資源的綜合管理與規(guī)劃，促進(jìn)草場數(shù)字化的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)畜牧業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。在今后發(fā)展過程中要善于借鑒畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)營模式和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國實(shí)情，研究具有我國特色的畜牧業(yè)生產(chǎn)方式；在畜牧管理中實(shí)行一畜一碼，完善高清智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)畜牧精細(xì)化數(shù)字管理；加快發(fā)展牧場信息化管理技術(shù)，不斷開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟硬件產(chǎn)品，不斷完善更新新型電子圍欄系統(tǒng)和監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)等，建立實(shí)用性和科學(xué)性強(qiáng)的牧場管理信息系統(tǒng)，對草原和家畜進(jìn)行有效管理。