基于Web GIS的中國(guó)外來(lái)入侵物種地理分布信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

趙　健，陳　宏，冼曉青，邱榮洲，王宗華

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生物農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建　福州　350000； 2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建　福州　350000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京　100193)

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基于Web GIS的中國(guó)外來(lái)入侵物種地理分布信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

趙健1，2，陳宏2，冼曉青3，邱榮洲2，王宗華1*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生物農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350000； 2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建福州350000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京100193)

以中國(guó)外來(lái)入侵物種及其安全性考察取得的原始調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)外來(lái)入侵物種調(diào)查協(xié)作中數(shù)據(jù)管理與共享利用等方面的需求，完成了系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了入侵生物分布調(diào)查數(shù)據(jù)查詢、屬性數(shù)據(jù)瀏覽、專題圖生成、地圖操作等功能。本文分析了入侵生物的主要數(shù)據(jù)來(lái)源、描述了基于物種編目的數(shù)據(jù)模型、介紹了基于SOA架構(gòu)的Web GIS技術(shù)方案及系統(tǒng)的主要功能，并對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、不足及今后拓展應(yīng)用的方向進(jìn)行討論。

外來(lái)入侵物種；調(diào)查分布；WebGIS；專題地圖

外來(lái)入侵物種的起源、分布、傳播、入侵、擴(kuò)散、預(yù)警、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、損失評(píng)估等是入侵生物學(xué)研究重要內(nèi)容[1]。這些入侵生物學(xué)的研究重點(diǎn)均與外來(lái)入侵物種在時(shí)間、空間上的分布密切相關(guān)，外來(lái)物種發(fā)生的時(shí)空分布是外來(lái)入侵物種調(diào)查和監(jiān)測(cè)的核心要素，也是預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外在入侵物種地理信息系統(tǒng)建設(shè)方面開展了較多的研究工作，在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布外來(lái)入侵物種分布的地理空間信息是一種越來(lái)越重要的服務(wù)[2]。1997年世界自然保護(hù)聯(lián)盟入侵物種專家組(ISSG)建立全球生物入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)(Global Invasive Species Database，GISP)，主要收集全球?qū)ι鷳B(tài)多樣性構(gòu)成威脅的外來(lái)入侵物種信息，包括名稱、生態(tài)類群、描述、影響、地理分布、向新地點(diǎn)入侵的路徑、本地?cái)U(kuò)散方式等[3]。Chudamani Joshi等[4]開發(fā)了一種利用遙感和地理信息系統(tǒng)結(jié)合來(lái)研究外來(lái)物種在主要生態(tài)系統(tǒng)中的空間分布的方法 。加拿大國(guó)家植物服務(wù)署建立了加拿大入侵植物數(shù)據(jù)庫(kù)(IPCAN)，該數(shù)據(jù)庫(kù)提供外來(lái)入侵植物的生物學(xué)、分布和控制等方面的信息，并可以通過(guò)GIS分析入侵與氣候、環(huán)境和土地利用的相互關(guān)系[5]。我國(guó)研究人員在外來(lái)入侵物種相關(guān)地理信息系統(tǒng)方面也開展了較多的研究與應(yīng)用，如：李超等[6]通過(guò)對(duì)危害情況的普查，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯甲蟲在我國(guó)新疆北部地區(qū)的種群空間分布規(guī)律展開了研究 ；武漢市外來(lái)物種入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警網(wǎng)是基于Web GIS技術(shù)，建立武漢外來(lái)入侵物種監(jiān)測(cè)、交流和研究的數(shù)據(jù)平臺(tái)[5]。這些研究將地理信息系統(tǒng)作為入侵生物發(fā)生數(shù)據(jù)可視化和分析評(píng)估的圖形化工具，研究的對(duì)象多為區(qū)域性或是單一物種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、空間分布及發(fā)生預(yù)測(cè)。

本文以科技部基礎(chǔ)調(diào)查專項(xiàng)“中國(guó)外來(lái)物種及其安全性考察”(2006FY111000)項(xiàng)目考察成果為基礎(chǔ)，針對(duì)大量文獻(xiàn)分析獲得的入侵物種歷史分布數(shù)據(jù)，以及項(xiàng)目野外調(diào)查采集的問(wèn)卷、排查、普查等入侵生物空間分布數(shù)據(jù)在管理和可視化方面的具體需求，應(yīng)用SOA架構(gòu)下的WebGIS技術(shù)，構(gòu)建中國(guó)外來(lái)入侵物種分布地理信息系統(tǒng)，以期為中國(guó)外來(lái)入侵物種調(diào)查與研究協(xié)作，提供入侵物種時(shí)間、空間分布數(shù)據(jù)的展示、分析和管理工具，為后續(xù)的外來(lái)入侵物種分布數(shù)據(jù)挖掘、空間公布、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防控預(yù)案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1　數(shù)據(jù)資源與技術(shù)方法

1.1數(shù)據(jù)資源與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.1.1入侵生物空間分布數(shù)據(jù)科技部基礎(chǔ)調(diào)查專項(xiàng)“中國(guó)外來(lái)入侵物種及其安全性考察2006FY111000”，通過(guò)數(shù)年在廣東、福建、浙江、重慶和海南等5省市實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)分析獲得了大量的入侵生物物種與分布情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)類型主要有外來(lái)入侵物種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史分布數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)三大類，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：物種的分類編目數(shù)據(jù)、生物學(xué)描述、檢疫方法、為害和防控方法等；外來(lái)入侵物種歷史分布數(shù)據(jù)是以省份為基礎(chǔ)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，收集了外來(lái)入侵物種歷史數(shù)據(jù)754條；調(diào)查數(shù)據(jù)主要來(lái)源于問(wèn)卷、排查、普查、樣地調(diào)查和樣方調(diào)查等調(diào)查類型，每類調(diào)查數(shù)據(jù)均包含空間屬性數(shù)據(jù)，如：經(jīng)度、緯度、海拔、地址等。共收集65 901條外來(lái)入侵物種野外考察數(shù)據(jù)記錄，涉及54種入侵動(dòng)物、57種入侵微生物、124種入侵植物，各類型數(shù)據(jù)量見(jiàn)表1。

表1　已收錄外來(lái)入侵生物野外調(diào)查數(shù)據(jù)資源

1.1.2基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包，包括：國(guó)、省界，地市級(jí)和縣級(jí)行政界，首都和各級(jí)行政中心位置，主要河流、公路和鐵路等數(shù)據(jù)。背景遙感圖利用瓦片地圖技術(shù)加快數(shù)據(jù)載入速度[8]。

1.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)體模型外來(lái)入侵物種分布地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括：入侵物種編目表、入侵物種分布表、調(diào)查點(diǎn)信息表、物種問(wèn)卷調(diào)查表、物種排查表、入侵植物普查表、入侵植物樣方表、病害普查表、病害標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查表、節(jié)肢動(dòng)物普查表、節(jié)肢動(dòng)物標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查表、標(biāo)本信息表、影像信息表等與入侵物種調(diào)查分布相關(guān)的數(shù)據(jù)表單；此外還包括：用戶信息、角色權(quán)限等系統(tǒng)管理相關(guān)輔助表單。

外來(lái)物種編目信息是數(shù)據(jù)庫(kù)的核心，系統(tǒng)通過(guò)物種編碼(主鍵，primary key)來(lái)關(guān)聯(lián)屬性信息表與相關(guān)調(diào)查信息表。此外，調(diào)查地點(diǎn)編號(hào)(主鍵，primary key)也是所有調(diào)查信息重要數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，用調(diào)查地點(diǎn)編號(hào)來(lái)關(guān)聯(lián)所用與調(diào)查相關(guān)的信息內(nèi)容如普查、排查、樣方、樣地、問(wèn)卷等。綜合分析所有信息來(lái)源與信息的相關(guān)性建立實(shí)體模型圖，實(shí)體模型如圖1所示。

1.2系統(tǒng)功能與技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用基于面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)的技術(shù)框架，將所有數(shù)據(jù)及地圖訪問(wèn)功能定義為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Services)。服務(wù)器端架設(shè)WEB服務(wù)器、GIS服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。WEB服務(wù)器用于承載系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)布，其中包括各類數(shù)據(jù)及服務(wù)調(diào)用接口，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Ajax+JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞[9]。GIS服務(wù)器采用ArcGIS Server解決方案，通過(guò)ArcGIS Server REST API將ArcGIS Server提供的地圖資源服務(wù)嵌入到Web應(yīng)用中，以REST+JSON來(lái)實(shí)現(xiàn)與ArcGIS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Mapping Services, Data Services, Analysis Services)的交互。系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)都遵循外來(lái)入侵物種信息數(shù)據(jù)采集規(guī)范的約定，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008，空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE作為中間件連接GIS應(yīng)用程序和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理[10]。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

1.2.2地圖服務(wù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)地圖服務(wù)基于ArcGIS Server REST API的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，根據(jù)系統(tǒng)地圖服務(wù)及查詢操作功能的需求，定義5類地圖服務(wù)。用戶通過(guò)瀏覽器與地圖WEB服務(wù)進(jìn)行交互，每種服務(wù)提供不同的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)功能。系統(tǒng)地圖服務(wù)內(nèi)容如表2所示。

1.2.3系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)外來(lái)入侵物種分布地理信息系統(tǒng)，主要包括：系統(tǒng)管理、地圖操作、外來(lái)入侵生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(歷史分布數(shù)據(jù)、普查數(shù)據(jù)、排查數(shù)據(jù)、調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù))的管理、入侵生物分布數(shù)據(jù)查詢四大個(gè)功能模塊組成。每個(gè)功能模塊下又有若干個(gè)子模塊。系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008，采用ASP.NET技術(shù)，編程語(yǔ)言為C#，完成系統(tǒng)開發(fā)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向授權(quán)用戶提供調(diào)查數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)審核管理、入侵物種數(shù)據(jù)檢索、入侵物種屬性信息查詢、入侵物種分布數(shù)據(jù)專題圖繪制、地圖操作瀏覽等功能。主要實(shí)現(xiàn)功能如下。

2.1系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能主要為系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)提供工具，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的增、刪、改，用戶的權(quán)限配置和數(shù)據(jù)備份管理。用戶角色分為：管理員、數(shù)據(jù)錄入員、行業(yè)專家、普通用戶等，不同的用戶具有不同的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和操作權(quán)限。

表2　入侵物種地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)地圖服務(wù)

2.2地圖操作

在地圖上方的工具欄實(shí)現(xiàn)地圖操作，其中包含了地圖常用操作，如：放大、縮小、前后視圖、平移等。在地圖窗口的左側(cè)設(shè)置了地圖縮放軸，通過(guò)移動(dòng)縮放軸的標(biāo)尺可以設(shè)置地圖的縮放級(jí)別，并支持鼠標(biāo)滾輪進(jìn)行地圖縮放。

2.3數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要分為數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)審核發(fā)布兩大功能，數(shù)據(jù)錄入為數(shù)據(jù)錄入員提供數(shù)據(jù)添加、修改、刪除、提交等功能，并支持Excel標(biāo)準(zhǔn)表格的數(shù)據(jù)導(dǎo)入。數(shù)據(jù)審核發(fā)布主要為行業(yè)專家用戶提供數(shù)據(jù)審核、修改和發(fā)布等功能。

2.4物種信息檢索

為授權(quán)用戶提供通過(guò)WEB頁(yè)面進(jìn)行入侵物種數(shù)據(jù)檢索、入侵物種詳細(xì)信息瀏覽、入侵物種分布專題圖生成等功能。數(shù)據(jù)檢索可以提供入侵物種分類地位、物種名稱、調(diào)查時(shí)間等復(fù)合查詢檢索方式，并支持通過(guò)選擇門、綱、目、科、屬、物種名稱直接枚舉選擇物種查詢。查詢結(jié)果顯示特定入侵物種的歷史地理分布、問(wèn)卷、排查、普查等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)查詢結(jié)果以省域分布專題圖、點(diǎn)狀分布專題圖等地圖形式進(jìn)行展示，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)列表、詳細(xì)信息瀏覽等功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果專題圖、點(diǎn)狀分布圖和詳細(xì)信息頁(yè)面如圖4～6所示。

3　討論與結(jié)論

近年來(lái)，隨著面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)技術(shù)的成熟，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下GIS集成應(yīng)用方式正逐步從系統(tǒng)集成模式向服務(wù)集成模式轉(zhuǎn)變[11]。本研究采用SOA架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以WEB服務(wù)(Web service)的方式實(shí)現(xiàn)入侵物種屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用服務(wù)集成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)審核、基于地圖的歷史入侵?jǐn)?shù)據(jù)查詢與專題地圖的生成等功能，基本滿足了入侵物種調(diào)查協(xié)作的數(shù)據(jù)錄入發(fā)布與數(shù)據(jù)查詢展示的具體要求。此外，本研究結(jié)合SOA跨平臺(tái)、松耦合、高拓展性等面向服務(wù)的特點(diǎn)，為系統(tǒng)在入侵物種監(jiān)測(cè)預(yù)警協(xié)作的實(shí)際應(yīng)用中整合不同來(lái)源的數(shù)據(jù)資源，拓展跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。本研究選擇ArcGIS Server REST API這一輕量級(jí)的Web GIS解決方案，有效地降低開發(fā)技術(shù)門檻、減少開發(fā)成本，提升系統(tǒng)的安全性[12]。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，系統(tǒng)利用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE，將空間數(shù)據(jù)作為外來(lái)入侵生物數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)空間數(shù)據(jù)子集與外來(lái)入侵物種屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在平臺(tái)的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。

對(duì)于入侵生物預(yù)警、監(jiān)測(cè)和防控體系而言，該研究?jī)H完成了入侵生物分布數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)可視化共享利用的基礎(chǔ)性工作，對(duì)于入侵物種監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域還有很多可拓展性工作可進(jìn)一步深入，如：基于移動(dòng)終端的入侵生物數(shù)據(jù)采集、入侵物種分布空間數(shù)據(jù)分析及入侵生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面，都有待于進(jìn)一步的深入研究與開發(fā)。入侵物種監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性調(diào)查工作，需要應(yīng)用現(xiàn)代信息與通訊技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析等方面的優(yōu)勢(shì)，為入侵物種的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和管理提供更好的解決方案與實(shí)用的信息系統(tǒng)，最終為中國(guó)外來(lái)入侵生物預(yù)警防控提供信息技支撐和基于入侵生物大數(shù)據(jù)的決策參考。

該研究主要針對(duì)大量外來(lái)入侵物種協(xié)作調(diào)查數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、物種空間分布展示與數(shù)據(jù)共享利用等方面的需求，采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大量入侵物種查分布數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織和管理，完成了外來(lái)入侵物種分布地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建。通過(guò)對(duì)多種類型的入侵生物分布調(diào)查信息的數(shù)字化，并在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了入侵物種調(diào)查數(shù)據(jù)錄入、審核、檢索、專題圖繪制、地圖操作瀏覽等功能。系統(tǒng)的開發(fā)為中國(guó)外來(lái)入侵物種大范圍調(diào)查與研究協(xié)作提供了數(shù)據(jù)管理與共享利用的工具，并作為“中國(guó)外來(lái)入侵物種數(shù)據(jù)庫(kù)”的應(yīng)用子系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用于入侵物種野外協(xié)作調(diào)查實(shí)踐中。

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(責(zé)任編輯：柯文輝)

Development of Web GIS-based Geographic Distribution System on Invasive Alien Species in China

ZHAO Jian1，2，CHEN Hong2，XIAN Xiao-qing3，QIU Rong-zhou2，WANG Zong-hua1*

(1.KeyLaboratoryofBio-pesticideandChemicalBiology,MinistryofEducation,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China;2.InstituteofDigitalAgricultureResearchFujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou,Fujian350001,China;3.InstituteofPlantProtection,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100193,China)

Using the data collected from the field survey on the invasive alien species (IAS) in China, a Web GIS-based geographic distribution system was developed for information management and sharing. The design on the functions, database, and framework for the system was completed. It included the data query, browsing, thematic mapping, and map operation. The origins of the cited data and the established models from the IAS catalog,the system framework and detailed functions, as well as the advantages, shortcomings, and potential applications of this geographic distribution system are presented.

invasive alien species;distribution data; Web GIS;mapping

趙健，陳宏，冼曉青，等.基于Web GIS的中國(guó)外來(lái)入侵物種地理分布信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，31(6)：663-667.

ZHAO J，CHEN H，XIAN X-Q，et al.Development of Web GIS-based Geographic Distribution System on Invasive Alien Species in China[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(6)：663-667.

2016-01-12初稿；2016-03-24修改稿

趙健(1973-)，男，副研究員，研究方向：作物有害生物預(yù)警監(jiān)測(cè)與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究(E-mail: zhaojian@faas.cn)

王宗華(1962-),男，博士，研究員,研究方向：真菌遺傳學(xué)(E-mail: zonghuaw@163.com)

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)(2016YFC1202105)；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409061)；福建省財(cái)政專項(xiàng)——福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(CXTD-1-10)

S 431.9; TP 392

A

1008-0384(2016)06-663-05