基于GIS的中國(guó)山羊品種資源管理系統(tǒng)研制

吳 詩(shī)，姜?jiǎng)灼?，蔡忠?/p>

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，湖北武漢 430070；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)系，湖北武漢 430079）

1 引言

中國(guó)是世界上山羊品種資源最豐富的國(guó)家，也是世界上山羊飼養(yǎng)量最多的國(guó)家，總量約1.5億頭。有記錄的地方山羊品種43個(gè)，培育品種4個(gè)，其中22個(gè)品種列入中國(guó)羊品種志。

我國(guó)的山羊品種分布于中國(guó)全境，范圍非常廣泛，北至黑龍江，南至海南島，東到黃海邊，西達(dá)青藏高原。山羊適應(yīng)性極好，不管是在高山深谷和高溫高濕的南方，還是在荒漠沙灘和嚴(yán)寒干旱的北方，都有山羊的分布，并是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的重要生產(chǎn)和生活資料。由于全國(guó)各地自然生態(tài)和生產(chǎn)條件差別極為懸殊，山羊在千差萬(wàn)別的生境中逐步形成了各具遺傳特色、體型外貌特征和生產(chǎn)性能的固有品種［1］。目前有記錄的地方山羊品種有43個(gè)，如遼寧絨山羊、海南雷州山羊、西藏山羊、長(zhǎng)江三角州白山羊、兩湖馬頭山羊等；還有許多地方種群尚無(wú)系統(tǒng)研究和記載。

針對(duì)傳統(tǒng)的山羊品種資源管理方式，只能通過(guò)字面或者圖片直觀地了解中國(guó)山羊的品種資源情況，然而這種方式更新速度較慢，查詢也比較繁瑣。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)無(wú)法滿足廣大養(yǎng)羊戶和專業(yè)人士的需求，迫切需要建立一個(gè)現(xiàn)代化的管理系統(tǒng)來(lái)滿足生產(chǎn)及科研對(duì)品種資源信息管理及其應(yīng)用服務(wù)的需求。地理信息系統(tǒng)（geography information system，GIS）是一種集地理空間特征和各種統(tǒng)計(jì)信息為一體的特殊信息系統(tǒng)，具有對(duì)（地理空間及專題空間）數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析及可視化的有力工具［2］。而山羊品種分布具有明顯的地理區(qū)域特征，采用GIS技術(shù)進(jìn)行山羊信息資源管理則是一種非常行之有效的方法，目前，國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)基于GIS的山羊遺傳資源信息管理系統(tǒng)。

地理信息科學(xué)的本質(zhì)是從信息流的角度來(lái)揭示地球系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展及其演化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與社會(huì)的宏觀調(diào)控。美國(guó)聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調(diào)委員會(huì)（federal interagency coordinating committee on digital cartography，F(xiàn)ICCDC）對(duì)于GIS的定義是：“GIS是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用來(lái)支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)題［2］”。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，GIS的應(yīng)用也越來(lái)越多，廣泛出現(xiàn)在生活科技的各個(gè)方面。在農(nóng)業(yè)科技方面，應(yīng)用GIS也可以解決很多實(shí)際的問(wèn)題，可以應(yīng)用地理信息系統(tǒng)建立農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和輔助決策。在國(guó)外，也已經(jīng)出現(xiàn)了一些在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的軟件，包括農(nóng)田邊界圖管理、土壤肥力管理、產(chǎn)量分布圖管理分析和GIS制圖等［1］。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（expert system，ES）是一類能夠模擬人類推理過(guò)程，并通過(guò)計(jì)算機(jī)形象直觀地向用戶提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題的軟件。與人類專家相比，它擁有綜合性的知識(shí)和高速處理知識(shí)的本領(lǐng)，且不受時(shí)間、空間的限制和人類情感的影響［3］。同時(shí)，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)還可以將各類農(nóng)業(yè)信息和農(nóng)業(yè)知識(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保存和傳播出去，甚至將一些分散的、局部性的單項(xiàng)技術(shù)整合起來(lái)，形成一套完整的計(jì)算機(jī)決策技術(shù)體系，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

因此，針對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的山羊地理分布特征，作者以地理信息系統(tǒng)的資源管理、空間建模與分析、信息可視化等功能為支撐，建立具有智能推理與決策支持功能的中國(guó)地方山羊品種資源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)山羊資源信息的管理、建模、分析及可視化。本論文以GIS和Internet技術(shù)為技術(shù)支撐，建立面向山羊資源信息管理的數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用VB.NET、ASP等技術(shù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)與山羊相關(guān)的專題數(shù)據(jù)管理、信息查詢與分析、制圖可視化等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

2.1 B/S架構(gòu) 本系統(tǒng)采用了目前應(yīng)用比較廣泛的B/S三層體系結(jié)構(gòu)。通常來(lái)說(shuō)，將C/S結(jié)構(gòu)稱之為胖客戶端工作模式，即客戶機(jī)/服務(wù)器（client/server）兩層結(jié)構(gòu)模式，這種模式是將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在服務(wù)器上，而相關(guān)的交互業(yè)務(wù)都在客戶端實(shí)現(xiàn)，當(dāng)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)的時(shí)候，這種模式就難以管理龐大的客戶端機(jī)群。B/S結(jié)構(gòu)則稱瘦客戶端工作模式，它是將原來(lái)屬于客戶端的交互業(yè)務(wù)獨(dú)立出來(lái)，與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的存儲(chǔ)過(guò)程相合并形成一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用層（如圖1所示）。這樣，就提高了系統(tǒng)的靈活性和計(jì)算能力。

B/S結(jié)構(gòu)的客戶端采用具有交互功能的瀏覽器，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，可以在任何地方進(jìn)行操作而又不用安裝任何專門(mén)的軟件，只要有1臺(tái)可以上網(wǎng)的電腦就行，減輕了客戶的業(yè)務(wù)壓力，客戶端零維護(hù)。除此之外，B/S架構(gòu)的軟件成本也較低，同時(shí)由于客戶端的零維護(hù)，便于我對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。

圖1 三層B/S結(jié)構(gòu)體系的基本結(jié)構(gòu)

2.2 WebGIS技術(shù)

2.2.1 WebGIS Internet的發(fā)展也伴隨著GIS技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，在Web基礎(chǔ)上，GIS功能也得到了有力延伸，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生WebGIS。WebGIS廣義上說(shuō)就是基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)，一般由3部分組成：Web GIS瀏覽器（browser）、WebGIS 信息代理（information agent）、Web GIS服務(wù)器［4］（如圖2所示）。

2.2.2 開(kāi)源GIS 隨著GIS的發(fā)展，有關(guān)GIS的各種軟件也是層出不窮，功能也是越來(lái)越齊全。然而就目前的形勢(shì)來(lái)看，這些軟件大多價(jià)格昂貴，一般作為商業(yè)用途，并不是所有的科研機(jī)構(gòu)都能夠承受。自上世紀(jì)90年代，開(kāi)源思想廣泛滲透到GIS領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外許多科研院所相繼開(kāi)發(fā)出開(kāi)源GIS，相對(duì)于傳統(tǒng)的GIS軟件，基于開(kāi)源平臺(tái)的GIS，不僅僅是免費(fèi)和開(kāi)放的，用戶還可以根據(jù)自己的需要增加功能，此外，開(kāi)源GIS大多可進(jìn)行跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)，這對(duì)各種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了更大的便利，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)［5］。

圖2 WebGIS基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用的GIS技術(shù)是通過(guò)MapEasy技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的發(fā)布，它是一種基于開(kāi)源平臺(tái)下的WebGIS技術(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的WebGIS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的時(shí)候，是由服務(wù)器端的GIS服務(wù)器生成，而這種方法客戶端每向服務(wù)器請(qǐng)求一次，服務(wù)器都要重新生成地圖圖片，然后發(fā)送給客戶端，使得服務(wù)器的負(fù)載加重，同時(shí)反應(yīng)速度也會(huì)很慢［6］。MapEasy利用了地圖的預(yù)生成技術(shù)和 Ajax（asynchronous javascript and XML）技術(shù)，通過(guò)大概基本的幾千行代碼形成了一個(gè)類似GoogleMap的客戶端JavaScript開(kāi)源庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)最基本的數(shù)字地圖功能和簡(jiǎn)單的地物標(biāo)注等功能，一個(gè)輕量級(jí)的客戶端JS庫(kù)，不需要任何插件，并且與后臺(tái)數(shù)據(jù)的獲取方式完全分離［7］。

2.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的環(huán)境 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)環(huán)境為：采用Microsoft IIS為Web服務(wù)器，開(kāi)發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2005為程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，ASP.NET和VB.NET為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Microsoft SQL Server 2000為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)路線 本研究綜合運(yùn)用動(dòng)物學(xué)、地理信息系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)的理論與技術(shù)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GIS的中國(guó)地方山羊品種資源管理系統(tǒng)，其技術(shù)路線如圖3所示：

3.2 系統(tǒng)的需求分析 首先，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的時(shí)候所要處理的最主要目標(biāo)是山羊品種的資料，因此關(guān)于數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)顯得格外重要。同時(shí)，由于目前可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)變動(dòng)，如未知新品種的發(fā)現(xiàn)，生物的選擇性變異可能導(dǎo)致的形態(tài)學(xué)變化，一些非人為原因?qū)е碌钠贩N地理學(xué)的變遷等，系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)也顯得較為重要，在設(shè)計(jì)之前就應(yīng)該考慮到這些問(wèn)題，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候盡量考慮完全。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)路線

其實(shí)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮到本系統(tǒng)面對(duì)的用戶和需要實(shí)現(xiàn)的功能，包括地圖的查詢、物種的地理標(biāo)注等，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的主要框架，在設(shè)計(jì)上力求做到操作簡(jiǎn)單，界面友好。

3.3 數(shù)據(jù)分析與處理 我國(guó)土地遼闊，山羊品種豐富，通過(guò)查詢各種資料，在全國(guó)23個(gè)普通行政區(qū)、5個(gè)民族自治區(qū)和4個(gè)直轄市，總結(jié)了43個(gè)山羊地方品種。其中一些地方品種在幾個(gè)省份都存在，如太行山羊在河北省、山西省和河南省都有記載，四川省、貴州省和陜西省都有板角山羊的記載等。而有些省份，由于受地區(qū)環(huán)境的限制，也同時(shí)存在幾種山羊品種，如四川省和云南省就有7種品種之多［8］。

通過(guò)省份將不同山羊品種進(jìn)行劃分，整理數(shù)據(jù)如下：

1）民族自治區(qū)：①內(nèi)蒙古自治區(qū)：內(nèi)蒙古絨山羊，中衛(wèi)山羊；②廣西壯族自治區(qū)：隆林山羊，都安山羊；③寧夏回族自治區(qū)：中衛(wèi)山羊；④新疆維吾爾自治區(qū)：新疆山羊；⑤西藏自治區(qū)：西藏山羊。

2）普通行政區(qū)：①河北?。禾猩窖?，承德無(wú)角山羊；②山西?。禾猩窖颍瑓瘟汉谏窖?；③遼寧?。哼|寧絨山羊；④江蘇?。狐S淮山羊，長(zhǎng)江三角洲白山羊；⑤浙江?。洪L(zhǎng)江三角洲白山羊；⑥安徽?。狐S淮山羊；⑦福建?。焊Ｇ迳窖?，戴云山羊；⑧江西省：贛西山羊，廣豐山羊；⑨山東省：濟(jì)寧青山羊，沂蒙黑山羊，魯北白山羊；⑩河南?。禾猩窖颍S淮山羊，伏牛白山羊；[11]湖北?。厚R頭山羊，宜昌白山羊；[12]湖南?。厚R頭山羊，湘東黑山羊；[13]廣東?。豪字萆窖颍籟14]海南?。豪字萆窖?；[15]四川省：成都麻羊，建昌黑山羊，板角山羊，白玉黑山羊，雅安奶山羊，古欗馬羊，川東白山羊；[16]貴州?。喊褰巧窖?，貴州白山羊；[17]云南?。壶P慶無(wú)角黑山羊，圭山山羊，臨滄長(zhǎng)毛山羊，龍陵山羊，馬關(guān)無(wú)角山羊，云嶺山羊，昭通山羊；[18]陜西?。宏兡习咨窖颍褰巧窖?，子午嶺黑山羊；[19]甘肅?。汉游鹘q山羊，中衛(wèi)山羊，子午嶺黑山羊；[20]青海?。翰襁_(dá)木山羊。

3）直轄市：①上海市：長(zhǎng)江三角洲白山羊；②重慶市：川東白山羊。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與建立 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)包括兩個(gè)，本系統(tǒng)采用開(kāi)源GIS的技術(shù)，通過(guò)Mapeasy現(xiàn)有的代碼技術(shù)，根據(jù)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的全國(guó)1∶400萬(wàn)電子地圖為基礎(chǔ)，建立起來(lái)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括用戶信息、山羊基本數(shù)據(jù)和圖片信息。包括以下幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：用戶數(shù)據(jù)庫(kù)（pzglDb_Users），其結(jié)構(gòu)如圖4；山羊基本情況數(shù)據(jù)庫(kù)（pzglDb_Goat），其結(jié)構(gòu)如圖5；山羊圖片數(shù)據(jù)庫(kù)（pzglDb_ImageData），其結(jié)構(gòu)如圖6。

圖4 用戶

圖5 山羊基本信息

圖6 山羊圖片

3.5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，給出了系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，將這些功能劃分成幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，具體包括以下幾個(gè)模塊：用戶登陸子系統(tǒng)、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)。這幾個(gè)系統(tǒng)在功能上是獨(dú)立的，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.6 系統(tǒng)功能和試驗(yàn)網(wǎng)站 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成之后，建立了試驗(yàn)網(wǎng)站（http：//evo.hzau.edu.cn/），可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖的一些通用功能，包括：①地圖縮放：對(duì)所要顯示的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行縮小和放大；②視圖漫游：對(duì)所顯示的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行上下左右漫游；③新建圖層：加入不同內(nèi)容或者更加精確的圖層；④刪除圖層：刪除不需要的圖層；⑤點(diǎn)位標(biāo)注：將不同地區(qū)的山羊標(biāo)注到地圖上；⑥專題數(shù)據(jù)的雙向查詢：指屬性到空間位置的查詢及空間位置到屬性的雙向查詢功能，即通過(guò)輸入山羊稱或地區(qū)位置等屬性信息自動(dòng)定位并顯示山羊所在地圖上的位置，或通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊不同的地理位置顯示山羊相關(guān)屬性信息等（圖 8，9）。

此外，還可以實(shí)現(xiàn)山羊品種的查詢功能，實(shí)現(xiàn)在地圖上的可視化，羊業(yè)用戶和羊業(yè)養(yǎng)殖戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)足不出戶就掌握到這些信息，為羊場(chǎng)的建設(shè)和選種帶來(lái)便捷。

圖8 山羊資源分布系統(tǒng)主界面

圖9 山羊信息顯示界面

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐而建成，建成后的種質(zhì)資源管理系統(tǒng)又具有地理信息的新特征。建立在GIS基礎(chǔ)上的山羊資源管理系統(tǒng)，為生產(chǎn)管理者帶來(lái)便捷，引導(dǎo)羊業(yè)養(yǎng)殖者在建場(chǎng)選址和品種選擇上有序進(jìn)行。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該系統(tǒng)也將進(jìn)一步升級(jí)和完善，根據(jù)建立起來(lái)的種質(zhì)資源庫(kù)，整合山羊疾病的評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和完善，以適應(yīng)生產(chǎn)的需求，從而更好為提高養(yǎng)羊業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益服務(wù)。

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