近日，华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室主任刘敏教授收到内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗人民政府送来的一面锦旗，致谢华东师范大学张雷教授、王远飞副教授在过去十年里，运用地理信息科学、卫星导航定位技术设计开发了北斗放牧GIS平台，以科技创新助力杭锦旗农牧业发展，让牧民的生产生活呈现出焕然一新的景象。
内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗人民政府所赠锦旗
内蒙古草原上，牧民们祖祖辈辈靠着徒步、骑马或骑摩托车的方式放牧，即使顶风踏雪，也要在荒无人烟的草原上日行数十公里；有时遇到恶劣天气或牧畜跑得远，就会连续两三天在沙漠里“大海捞针”式地寻找牛羊。如今，越来越多的牧民选择在牛羊脖子上挂一个“定位神器”，在家喝着奶茶拿着手机就能远程放牧。借助手机app、电脑软件或短信通知，牧民不仅可以实时定位牛羊群位置，查询牛羊群过去几天、甚至上个月的行动轨迹，还能接到牛羊越过“电子篱笆”的提醒和系统推荐的最佳撵回路线。这个放牧“神器”，就是由华东师范大学王远飞、张雷团队，与内蒙古师范大学、内蒙古自治区杭锦旗农牧业局等单位共同设计和开发的“中国北斗放牧GIS平台”的一个“牛羊马项圈”。
“中国北斗放牧GIS平台”由华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室、中国科学院上海技术物理研究所第二研究室、中国科学院江苏物联网研究发展中心光电信息中心合力打造，以“空间信息技术应用于中国农牧业的创新之作”为整体解决方案，集成了地理信息系统、中国北斗导航、遥感和物联网等技术的天地一体化空间信息获取和处理平台。
“中国北斗放牧GIS平台”电脑软件界面
“中国北斗放牧GIS平台”手机APP界面
牧场智慧化：地理信息科学为纲，北斗卫星技术为目
随着人工放牧劳动力成本越来越高，传统粗放型的放牧方式草场利用率低、对草原生态破坏严重等问题日益凸显，如何智慧化、信息化地发展农牧业，减轻牧业生产中的人力投入和草场压力，缓解草畜矛盾，维护草场生态平衡，成为农业管理部门和牧民的心之所向。2008年，时任华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室副主任的王远飞带队前往内蒙古师范大学开展学术交流。在王远飞与该校李百岁教授讨论的过程中，他们不约而同地认为：“地理信息科学能系统性地管理空间实体数据及其关系，如将其应用于农牧业生产，一定能为中国现代草原畜牧业的发展发挥积极作用。”该想法随即得到了内蒙古自治区杭锦旗农牧业局的支持，中国科学院上海技术物理研究所第二研究室、中国科学院江苏物联网研究发展中心光电信息中心等单位的参与合作。2009年至2014年间，王远飞与时任中国科学院江苏物联网研究发展中心任光电信息中心主任的张雷等频繁往返上海与杭锦旗地区之间，开展调研和科研工作，并在当地建立了“数字农牧业科研示范基地”，使之成为十年科技兴农之路上的重要地标。
现任教于华东师范大学的张雷教授讲述了当年科考选址的故事：“选择杭锦旗为研发、测试、应用的根据地，很重要的一个原因是这里地理因素的复杂性和代表性。该旗位于黄河‘几’字湾南岸，地跨鄂尔多斯高原与河套平原，库布其沙漠横亘东西，境内地质类型多样，牧民游牧实为艰辛，人地关系为平台的研发和推广提供了必要条件。”在这里，被喻为地球“三大癌症”的沙漠、荒漠、砒沙岩裸露俱全，而科研探路者无惧环境恶劣。他们深入沙漠腹地，从考察牧民放牧情况开始，用脚步将科学书写在广袤的库布齐沙漠上。
华东师范大学张雷教授讲述当年科考选址原因
经过潜心研究、反复测试，2010年，一个基于中国北斗卫星和美国GPS多模的GIS放牧平台初具雏形。但在实地测试中，该系统运行表现出了明显的短板——一旦进入移动通信信号覆盖不到的地方，定位数据就无法回传。为了解决这个问题，研发团队创造性地将北斗卫星通讯、“物联网”等技术引入放牧GIS平台开发。新技术的“加盟”，极大地完善了该平台的功能，使其即便在沙漠无人区、高地、丘陵等复杂地貌环境中，依然可以准确定位。牧民还能直接借助卫星信号发送短报文、拨打卫星电话，与外界保持联络。换言之，这个平台不仅能找牧畜，还能找人。从此草原放牧有了“守护神”。
十年攻坚克难，穿越沙漠“科技兴农”无人区
科研无坦途，中国北斗放牧GIS平台研发团队的成员也从未畏惧。十年科技兴农路上，他们潜心研究，“死磕”难题，攻破一项项技术壁垒，推动项目不断前进，如入智能放牧的“无人之境”。
库布奇沙漠极端的地理和气候条件，使得北斗放牧GIS平台的软硬件开发面临重重挑战，如冬季最低气温可达零下40度，极寒气候对项圈电池等元器件的性能提出了苛刻要求。张雷、王远飞等经过数千次的测量和调试，最终找到了与系统相匹配的、能在超低温环境下正常工作且续航时间达到两年的电池。同时，他们还致力于降低系统能耗，研发并不断完善平台的低功耗工作模式。经过两年的技术改进，该平台终于在2012年获得技术性突破，各项模块、器件实现了极端环境条件下的超长时稳定工作。也正是在这一年，北斗放牧GIS平台在杭锦旗正式投放使用。
杭锦旗2/3的面积被荒漠覆盖，年平均降雨量不足150毫米，蒸发量是降雨量的20倍，十年九旱是常见现象。在这里，水是稀缺资源，给牛羊喂水自然就成沙漠放牧的一项日常工作。以前，牧民们通常就在沙漠里掏个井，用木桶人工吊水喂养。夏天一天一次，冬天两天一次，不仅耗时而且费力。对此，张雷、王远飞等研究出了一个远程牧井系统，在沙漠中安置智能牧井之后，牧民只要在手机上简单操作，水槽就能自动放水、自动感应水位，还可以提前预约供水时间。值得一提的是，这个智能井无需额外供电，而是通过太阳能、风能发电，真正做到资源利用率最大化。
“早期，北斗放牧GIS平台针对每一头牛实施定位，但后来我们发现，只要在头牛、头羊脖子上挂上北斗项圈就可以了。因为它们会带领着牛群往前走，只要定位到头牛的位置，便可以准确找到牛群。这极大地提升了平台的监测承载量。”张雷介绍，牛羊时常会“落单”走丢，如何才能继续保证每一头牛都在“监控”范围内呢？“牛需要饮水，就一定会靠近牧井。经过一段时间的研究和试验后，我们决定通过物联网技术，让智能牧井对牛群‘点名’。”每当头牛进入牧井周边1000m的范围内便会自动触发点名系统，智能牧井会及时将点名情况通过卫星信号发送到牧民手中。
历经十年的探索、攻坚和改进，北斗放牧GIS平台如今已成为草原牧民不可或缺的智能工具。“目前，全旗已经有267户牧民在使用北斗放牧平台，管理着357个牛群，并还在推广！”提到科技为杭锦旗带来的改变，旗农牧业局局长刘永喜十分自豪。在地理信息科学和中国北斗技术的领航下，杭锦旗已成为智慧农牧业的一杆“大旗”。
创新智能生产工具，颠覆传统农牧业生产方式
也许科学原理只有少数人能够理解，但科技应用为人类社会、为生产生活带来的改变却是显而易见的。我国北方游牧民族的传统放牧方式完全依赖人工，严重束缚了劳动力，也约制了当地畜牧业的发展；而北斗放牧GIS平台通过科技介入将劳动力从放牧工作中解放出来。张雷和杭锦旗农牧业信息中心主任曾算过这样一笔账：“就库布奇沙漠区域牧民来说，如按牧场离牧民家50公里计算，一年单给牛饮水就要骑摩托车至少27000公里，燃油费9000元以上；摩托车在沙漠地区寿命不到一年，损耗费也将近5000元。实现了远程放牧之后，年均降耗至少1.4万元。不仅如此，牧民们节省下的时间还可以从事副业，走上增收致富的道路。”
“中国北斗放牧GIS平台”运行原理图
北斗放牧GIS平台的出现不仅变革了传统的农牧业生产方式，还解决了牧民城镇化带来的问题。随着我国牧民城镇化进程不断推进，杭锦旗的生态移民工程成效显著。旗农牧业局副局长王玉计表示：“至今已有3912户牧民搬出库布齐沙漠腹地，住进了移民新村。尽管生活条件改善了，离自家草场却远了，少则几十公里多则上百公里不等的距离成为困扰牧民们的新难题。远程牧井系统和卫星放牧系统的作用在这时就发挥出来了。它让牧民们远程放牧，从根本上解决了城镇化带来的问题。”
北斗放牧GIS平台为内蒙古鄂尔多斯草原牧民的生产生活带来的变革，引起了社会各界的广泛关注。2008年，时任国务院副总理刘延东实地了解了北斗放牧GIS平台后，对其给予了充分肯定。2015年夏天，时任全国政协副主席、科技部部长万钢一行来到杭锦旗考察“智慧牧场”；在2016年初召开的十二届全国人大四次会议记者会上，他就援引了“北斗卫星放牛”的实例来阐述国家重大科技工程为百姓日常生活带来的变化。
时任国务院副总理刘延东考察北斗放牧GIS平台项目
时任全国政协副主席、科技部部长万钢杭锦旗考察“智慧牧场”项目
产学研融合，推动现代农牧业转型升级
食品安全是当今人们最关心的话题之一，北斗放牧GIS平台的另一功能就是创造了高端牛产品的生态溯源新机制。综合运用卫星导航定位系统、牧场地理信息系统、RFID射频标签等技术，该平台能全程记录并储存牛出生、牛龄、生活地区、食草、游动距离、防疫检疫等信息，为牛群建立终身电子档案，打造牛产品生态追溯基础数据库。消费者只需通过食品识别号在网络上对农产品进行查询认证，便可追溯全程信息。
为了打通生产和销售、研发与市场之间的阻隔，通过产学研深度融合推动农牧业供给侧改革，自2014年开始，团队与航天科技集团等多家企业合作，制定了将北斗放牧GIS平台升级为“北斗数字牧场”的整体方案，旨在以地理信息技术为引导，搭建由“北斗项圈”“无人机数据采集系统”“北斗数字牧场专用APP应用软件”“北斗数字牧场后台数据管理平台”“北斗数字牧场销售管理系统”“北斗数字牧场生产管理和质量控制系统”“北斗数字牧场投融资管理平台”七大技术模块组合构成的“北斗+”现代畜牧业综合管理系统。智慧草原，卫星牧场，库布齐沙漠因为一群地理信息科学家的到来，走在了节本增效、优质安全、绿色高端的现代农牧业发展道路的前端。等到“北斗数字牧场”全面建成，科技与农牧业的有效结合将提升农畜产品的附加值和市场竞争力，草原千万牧民也将直接对接全世界消费者，真正实现优质畜牧业产品的优质优价；农牧业生产效率和经济效益的双重提升，将带动食品安全、生态环境保护的发展，助推牧区经济的转型升级发展。
由此可见，地理信息技术、遥感技术、互联网技术不再只是加速农业现代化的技术工具，而是作为一种新型生产力的核心要素融入现代农业产业体系和价值链。为了进一步落实地校合作，催化高校科研成果转移转化。2015年至今，杭锦旗农牧业局与华东师范大学等单位以中国北斗放牧GIS平台为核心，围绕沙漠生态恢复、生态农牧业的大主题，开展科学研究、人才培养、产业推动等领域的各种科研工作。
高校在校地合作模式中扮演着至关重要的角色，华东师范大学正在推进实施“教育+”“生态+”“健康+”“智能+”“国际+”五大行动计划，未来，相关学科将进一步发挥科技创新对产业的支撑引领作用，源源不断地为农业发展转型升级、提质增效提供强大动力，助力前沿知识、尖端技术为农业现代化建设赋能，更好地履行社会服务功能。
返回列表