基于WebGIS的長(zhǎng)白山植物資源與質(zhì)量信息系統(tǒng)構(gòu)建1)

張 達(dá) 朱衛(wèi)紅 樸東范

(長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延邊大學(xué))，延吉，133002) (延邊大學(xué))

長(zhǎng)白山位于吉林省東南部地區(qū)，是中、朝兩國(guó)界山。是圖們江、鴨綠江、松花江的三江發(fā)源地。長(zhǎng)白山植物資源十分豐富，是中國(guó)秦嶺以北唯一一處生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域，是歐亞大陸東部植物種類最集中的地區(qū)之一［1］。這些植物或用材，或入藥，或食用，具有極高的經(jīng)濟(jì)和科研價(jià)值。

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是近20 a來(lái)新興的一門集地理學(xué)、計(jì)算機(jī)、遙感技術(shù)和地圖學(xué)于一體的邊緣學(xué)科，是一種集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息于一體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)出現(xiàn)了一種新形式——WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))。WebGIS模式使GIS從面向數(shù)據(jù)管理跨入面向空間數(shù)據(jù)服務(wù)，使GIS從部門級(jí)、企業(yè)級(jí)應(yīng)用拓展至社會(huì)化的廣泛應(yīng)用［2］。WebGIS技術(shù)應(yīng)用于植物信息的管理與共享已有很多先例，龍騰芳建立了基于WebGIS的粵北野生植物資源信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息的查詢檢索與分類統(tǒng)計(jì)功能［3］;翁梅等［4］建立了基于GIS技術(shù)的河南省重點(diǎn)保護(hù)植物管理信息系統(tǒng)。針對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)，雖然劉貴富等［5］已經(jīng)建立了長(zhǎng)白山野生經(jīng)濟(jì)植物數(shù)據(jù)庫(kù)和長(zhǎng)白山區(qū)野生中草藥信息庫(kù)，但是基于WebGIS平臺(tái)體系、面向長(zhǎng)白山地區(qū)植物資源信息、尤其是質(zhì)量信息的信息系統(tǒng)還處于空白階段。

近年來(lái)，項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)植物資源進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，已積累了大量植物資源信息和植物質(zhì)量信息。本系統(tǒng)采用PHP+Apache+MySQL+ArcGIS Server結(jié)構(gòu)體系，依托ArcGIS Server實(shí)現(xiàn) WebGIS功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和高效利用。

1 研究區(qū)概況

本文以長(zhǎng)白山管委會(huì)規(guī)劃區(qū)域中國(guó)一側(cè)(長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)、和龍林業(yè)局、白河林業(yè)局、露水河林業(yè)局、泉陽(yáng)林業(yè)局、松江河林業(yè)局、臨江林業(yè)局、長(zhǎng)白林業(yè)局)為研究區(qū)域(見(jiàn)圖1)。該區(qū)域地理坐標(biāo)為東經(jīng) 127°28'0″～128°16'48″，北緯 4l°42'0″～42°25'18″。屬溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫4.3℃，最高氣溫37℃，最低氣溫-40℃。于1980年列入聯(lián)合國(guó)國(guó)際生物圈保護(hù)區(qū)［6］。該區(qū)域是北半球同緯度地區(qū)生物物種保存最完整、植物物種最豐富的地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有野生植物2 700多種［7］。

圖1 研究區(qū)范圍

2 數(shù)據(jù)信息的獲取與處理

植物資源信息的收集途徑：(1)實(shí)地考察。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)及其他重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)地考察，大致了解到植物的分布范圍、生境，同時(shí)拍攝了一些野外植物照片。(2)植物資源信息等文字資料搜集。主要通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)資料，如《中國(guó)植物紅皮書》、《中國(guó)長(zhǎng)白山植物》及《長(zhǎng)白山植物藥志》等，同時(shí)查閱國(guó)內(nèi)國(guó)外相關(guān)網(wǎng)站。(3)通過(guò)與長(zhǎng)白山管理委員會(huì)相關(guān)技術(shù)人員的合作、交流，對(duì)部分特殊植物的生境、形態(tài)及應(yīng)用部位有了更加全面的了解，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，整理成統(tǒng)一格式、錄入進(jìn)庫(kù)。

質(zhì)量信息數(shù)據(jù)主要通過(guò)與延邊大學(xué)分析測(cè)試中心合作獲得。采集植物樣品之后，選取植物的不同部位，將植物樣品干燥、粉碎過(guò)篩，稱取一定量的植物樣品。配置樣品溶液，采用GC-MS分析得到成分色譜圖，通過(guò)定性、定量分析得到植物中的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)。最后將得到的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并整理成統(tǒng)一格式。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用“客戶端—服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫(kù)”的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)3層架構(gòu)(見(jiàn)圖2)。系統(tǒng)每一層都對(duì)其相應(yīng)的用戶應(yīng)用邏輯進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)姆庋b，做到了聯(lián)系緊密、職責(zé)明確，便于根據(jù)用戶需求對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行靈活的更改、擴(kuò)充［8］。

數(shù)據(jù)庫(kù)主要采用MySQL建立長(zhǎng)白山植物資源與質(zhì)量信息。數(shù)據(jù)包括植物資源信息數(shù)據(jù)及植物質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，同時(shí)也包含大量的地理圖形數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)。據(jù)此，數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為以下兩個(gè)方面：(1)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)：以表的形式為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)模型，各個(gè)表之間通過(guò)外鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)。主要存儲(chǔ)植物的資源信息和質(zhì)量信息。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同類型，共建立4種不同表格，即植物資源信息表、植物成分信息表、植物農(nóng)殘信息表及植物活性信息表。(2)空間數(shù)據(jù)庫(kù)：包括系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)，包括各種矢量數(shù)據(jù)，將這些矢量數(shù)據(jù)作為地圖圖層，存儲(chǔ)為具有相同空間參考系的ArcMap的mxd文件，這樣可以保存圖層的原樣式符號(hào)，并且被ArcGISServer加載起來(lái)也比較方便。在充分考慮研究區(qū)的各種地理空間信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，空間數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)需求設(shè)置了包括行政轄區(qū)、公路、水系、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)以及植物采樣點(diǎn)等5個(gè)圖層。數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

服務(wù)器用來(lái)接收來(lái)自客戶端的請(qǐng)求，并根據(jù)用戶請(qǐng)求類型，作出響應(yīng)。服務(wù)器端為PHP+Apache+MySQL+ArcGISServer，系統(tǒng)的GIS功能是依托Arc-GISServer實(shí)現(xiàn)。ArcGIS Server是一個(gè)用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用的平臺(tái)。同時(shí)，ArcGISServer是一個(gè)分布式系統(tǒng)，由分布在多臺(tái)機(jī)器上的各個(gè)角色協(xié)同工作［9］。

客戶端是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的頂層，主要由客戶端應(yīng)用程序和通用瀏覽器構(gòu)成。它用于提交用戶的請(qǐng)求，同時(shí)將服務(wù)器返回的結(jié)果顯示給用戶。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)建立在B/S 3層結(jié)構(gòu)模式之上。采用MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，WebGIS平臺(tái)采用ArcGIS Server 9.3 Enterprise for Windows，基于 ArcGIS API for Flex開(kāi)發(fā)模式，構(gòu)建B/S模式的信息交互平臺(tái);采用PHP、HTML等語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，適于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的發(fā)布;同時(shí)采用Web服務(wù)技術(shù)、Flash技術(shù)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，提高系統(tǒng)性能。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)主頁(yè)面

友好的系統(tǒng)頁(yè)面可以使用戶的操作更加容易，實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。長(zhǎng)白山植物資源與質(zhì)量信息系統(tǒng)首頁(yè)主要包括以下兩個(gè)部分，見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)主頁(yè)面示意圖

標(biāo)題欄：標(biāo)識(shí)了網(wǎng)站名稱及7個(gè)菜單項(xiàng)，包括“首頁(yè)”、“植物目錄”、“質(zhì)量信息”、“空間分布”、“應(yīng)用開(kāi)發(fā)”、“地圖查詢”和“關(guān)于我們”。

主題部分：主頁(yè)的主題部分主要包括“數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介”、“通知公告”、“研究進(jìn)展”、“用戶登錄”和“友情鏈接”等幾個(gè)部分。

4.2 屬性查詢

基于該系統(tǒng)的使用需求，共選取10個(gè)字段進(jìn)行檢索查詢。檢索支持單項(xiàng)檢索，同時(shí)也支持組合式檢索。用戶可以選用其中1個(gè)字段進(jìn)行檢索，也可以同時(shí)選擇若干字段輸入關(guān)鍵字進(jìn)行檢索。檢索的方式為模糊檢索，即在檢索時(shí)，只要數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段和輸入的關(guān)鍵字有一致的地方就會(huì)顯示查詢結(jié)果，不必完全匹配。

4.3 質(zhì)量信息在線比較及排序功能

在質(zhì)量信息模塊中，用戶可以查看根據(jù)植物成分含量生成的成分分布圖。在質(zhì)量信息模塊中結(jié)合使用Amcharts組件生成植物成分分布圖。Amcharts是一組Flash圖表，可以從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀取生成。本系統(tǒng)通過(guò)PHP語(yǔ)言調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，結(jié)合Amcharts組件，實(shí)現(xiàn)了成分信息之間進(jìn)行在線比較及排序的功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單種植物的成分比較以及不同植物的成分比較兩種功能，舉例如下：(1)單種植物的成分比較，即調(diào)取一種植物中的成分信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行排序比較，并按柱狀圖形式進(jìn)行顯示。例如，在植物成分信息的“揮發(fā)油成分”頁(yè)面上，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的“成分分布圖”鏈接，就會(huì)出現(xiàn)此種植物中揮發(fā)性成分按含量的不同所形成的成分分布圖，見(jiàn)圖5。在本系統(tǒng)中，由于植物中的微量成分種類很多，因此，在調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)時(shí)，僅調(diào)取含量較大的微量成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行比較顯示。(2)不同植物的成分比較，即可以選取多種植物，調(diào)取這些植物中的相同微量成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行比較顯示，見(jiàn)圖6。

4.4 地圖瀏覽

本系統(tǒng)中，在質(zhì)量信息中的農(nóng)殘信息模塊采用ArcGISServer建立WebGIS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地圖瀏覽功能(放大、縮小、移動(dòng)等)。WebGIS瀏覽頁(yè)面如圖7所示。

圖5 單種植物成分比較示意圖

圖6 多種植物成分比較示意圖

圖7 地圖瀏覽頁(yè)面示意圖

4.5 空間查詢

在WebGIS平臺(tái)體系中，可以實(shí)現(xiàn)基于植物采樣點(diǎn)的空間查詢功能?？臻g查詢主要是獲取到電子地圖的圖層ID和此圖層中字段的內(nèi)容。在定位到相應(yīng)圖層時(shí)使得該圖層在整個(gè)地圖中高亮顯示。用戶即可以查看該圖層范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)信息和地理信息。當(dāng)選定查詢條件定位到某一采樣點(diǎn)時(shí)，會(huì)彈出該采樣點(diǎn)詳細(xì)信息的顯示框。圖8顯示的即為某一采樣點(diǎn)的詳細(xì)信息顯示框。點(diǎn)擊“查看詳細(xì)農(nóng)殘信息”后即可查看該采樣點(diǎn)的詳細(xì)信息。

圖8 空間查詢顯示示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Web-GIS技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量植物資源信息、植物質(zhì)量信息、地理空間信息及其屬性信息的規(guī)范化、集成化管理，填補(bǔ)了該區(qū)域植物資源信息與質(zhì)量信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的空白。在此網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了信息顯示、屬性查詢、質(zhì)量信息在線比較及排序功能、地圖瀏覽以及空間查詢功能，可為該地區(qū)植物質(zhì)量檢測(cè)、生態(tài)保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展提供輔助決策支持。此外，系統(tǒng)以網(wǎng)站的形式對(duì)外發(fā)布，可供該地區(qū)的醫(yī)藥企業(yè)、科研單位以及政府部門等廣泛使用，并促進(jìn)不同學(xué)科領(lǐng)域的合作與交流。在研究和開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中也出現(xiàn)一些問(wèn)題，如植物質(zhì)量信息數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一以及完善WebGIS功能等，在未來(lái)的研究工作中，需要進(jìn)一步提高和完善。

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