阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

古麗娜拉·巴合提別克，古麗米拉·克孜爾別克

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

阿勒泰地區(qū)位于中國新疆最北端阿爾泰山南麓、準(zhǔn)格爾盆地北部，遠(yuǎn)離海洋，屬北溫帶寒冷區(qū)大陸性氣候，具體表現(xiàn)為春季多風(fēng)，夏季多雨，秋季涼爽，冬季寒冷而漫長。完整且垂直分布的山地植被與復(fù)雜多樣的山地環(huán)境和氣候條件造就了該地區(qū)豐富的植物種類，同時也形成了該地區(qū)豐富的藥用植物資源。根據(jù)有文獻(xiàn)記錄阿勒泰地區(qū)具有藥用價值的植物共有1 042種(包括變種)。所有野生藥用植物可分蕨類植物、裸子植物和被子植物三大類型，又分為90科383屬。其中蕨類野生藥用植物共20種，分屬于10科11屬[1]。被子類野生藥用植物共計1 011種，分屬77科367屬，占阿勒泰地區(qū)野生藥用植物種類數(shù)量的96.93%[2]。裸子類野生藥用植物為12種，分屬3科5屬。眾多的野生藥用植物中被列為珍惜瀕危野生藥用植物的有48種，分屬26科37屬[3]。建立阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源數(shù)據(jù)庫，從而使阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源由定性走向定量，由定量向圖形、圖像化、可視化方向發(fā)展，繼而又由平面圖形向三維立體空間發(fā)展。同時使阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源的研究提高到一個新的理論高度和應(yīng)用水平，為阿勒泰地區(qū)野生藥用植物的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

植物數(shù)據(jù)庫在國外建立的比較早，最初建立的植物物種信息有“American Indian Ethnobotany Database (美國印地安民族植物學(xué)數(shù)據(jù)庫)”、“USDA National Plants Database and Projects (美國農(nóng)業(yè)部國家植物數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃)”、“Invaders Database System (美國東北部外來植物數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))”等[4-9]；國外植物數(shù)據(jù)庫主要是建立了物種信息數(shù)據(jù)庫，其主要特點是分類很細(xì)、植物種類豐富、涉及面比較廣等。國內(nèi)是從19世紀(jì)80年代開始對中藥數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究，可以實現(xiàn)對藥用植物實現(xiàn)信息化管理。90年代建立了國內(nèi)最早的植物標(biāo)本數(shù)據(jù)庫，此后各省陸續(xù)開始建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。據(jù)分析已建立的數(shù)據(jù)庫種類大多數(shù)是根據(jù)植物的特點、植物的種類以及用戶需求等特點完成不同的植物數(shù)據(jù)庫的建設(shè)任務(wù)，如根據(jù)園林中植物的種類及分布建立的園林?jǐn)?shù)據(jù)庫，根據(jù)各種植物病害種類及分布建立的植物病蟲害數(shù)據(jù)庫等[10]。

“中國植物主題數(shù)據(jù)庫”是國內(nèi)規(guī)模最大、內(nèi)容最全的植物信息數(shù)據(jù)庫，它是由中國植物研究院研發(fā)建立的。該數(shù)據(jù)庫將植物進(jìn)行了詳細(xì)分類并建設(shè)了諸多的子數(shù)據(jù)庫，主要包括各類植物名稱的數(shù)據(jù)庫、各種植物詳細(xì)的形態(tài)圖片子數(shù)據(jù)庫、各種植物的歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、詳細(xì)介紹各種具有藥用價值的植物數(shù)據(jù)庫等[11]。另外，還有中國科學(xué)院根據(jù)西雙版納地區(qū)的熱帶植物種類研發(fā)的“西雙版納熱帶植物園數(shù)據(jù)庫”、根據(jù)植物標(biāo)本建立的信息化平臺“中國數(shù)字植物標(biāo)本館”等[12]。

2 數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)

阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含兩大模塊：管理模塊、查詢模塊。其中管理模塊主要對用戶數(shù)據(jù)和野生藥用植物數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改和刪除等操作。查詢模塊主要包含了野生藥用植物信息查詢、查詢結(jié)果顯示等基本功能。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含5個表，分別是：野生藥用植物的生物學(xué)特征表、藥用植物空間分布表、文獻(xiàn)信息表、藥用植物基本信息表、用戶信息表。

2.1 數(shù)據(jù)來源與分類

2.1.1 屬性數(shù)據(jù)獲取

阿勒泰地區(qū)野生藥用植物信息來源于《中國植物志》，以及2017年7月跟隨老師去阿勒泰地區(qū)進(jìn)行實地調(diào)研采集的數(shù)據(jù)(主要包括野生藥用植物生長區(qū)的海拔、生長環(huán)境的特點、主要分布地區(qū)等)。以及參考國內(nèi)該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文，確保數(shù)據(jù)的科學(xué)性、可靠性。

2.1.2 空間數(shù)據(jù)獲取

該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所需要的空間數(shù)據(jù)主要包括行政邊界、地形、氣象、植被類型、野生藥用植物空間分布等數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源

2.2 數(shù)據(jù)組織與分類

根據(jù)野生藥用植物研究的需要，將收集到的野生藥用植物資料進(jìn)行分類，以便于模塊化管理，主要分以下幾種模塊：

(1)綜述模塊。該模塊包含野生藥用植物的6種基本信息，分別為種中文名、種拉丁名、屬中文名、屬拉丁名、圖片范例、屬的特征。同時，將野生藥用植物的基本信息加以分類，便于不同類型人員進(jìn)行查詢使用。

(2)生物學(xué)特性。主要包括野生藥用植物生長環(huán)境：海拔、地形、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、植被等因素。其中還包括野生藥用植物的形態(tài)特征，通過詳細(xì)描述野生藥用植物形態(tài)特點，便于辨認(rèn)不同的野生藥用植物并提升系統(tǒng)的直觀性。

(3)藥用植物空間分布。影響野生藥用植物的生態(tài)因素眾多，如降水量、土壤、氣溫等。為了便于調(diào)查野生藥用植物的動態(tài)變化，因此引入了野生藥用植物的空間信息，這信息主要包括阿勒泰地區(qū)野生藥用植物空間分布圖、阿勒泰地區(qū)植被分布、阿勒泰地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)、降水量分布等。

(4)文獻(xiàn)信息。該模塊主要存放了野生藥用植物研究的重要文獻(xiàn)并及時更新，方便用戶了解最新的野生藥用植物的研究現(xiàn)狀，為科研工作者提供最新的相關(guān)信息。

3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

3.1.1 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(database)是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。近年來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)在野生藥用植物研究中應(yīng)用廣泛，從最初的野生藥用植物屬性信息檢索逐步向空間數(shù)據(jù)方向轉(zhuǎn)變。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于野生藥用植物動態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫來管理野生藥用植物資源。

PostgreSQL是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫，不僅支持多種類型的數(shù)據(jù)，而且具備很多面向?qū)ο蟮奶匦?，支持SQL語言規(guī)范，性能穩(wěn)定高效[13]。PostGIS是PostgreSQL的一個空間擴(kuò)展組件[14]，為PostgreSQL提供空間信息服務(wù)功能，如：空間數(shù)據(jù)對象、空間索引、空間操作函數(shù)和空間操作符等[15]。PostGIS是一款開源軟件，它是一款功能強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)引擎[16]。主要有以下四種特征：

(1)可以支持OGC的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和空間數(shù)據(jù)表的SQL查詢規(guī)范。

(2)可以對幾何要素進(jìn)行編輯以及可以做空間分析。

(3)支持基于成熟的開源項目PROJ4提供的地圖投影坐標(biāo)系和GEOS提供的空間地理要素類型。

(4)支持多種開發(fā)語言。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)

野生藥用植物數(shù)據(jù)庫內(nèi)存有野生藥用植物生態(tài)學(xué)信息字典、野生藥用植物基本信息字典、文獻(xiàn)信息字典、野生藥用植物空間分布屬性字典，見表2，用戶可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

表2 野生藥用植物數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

阿勒泰地區(qū)野生藥用植物數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Django開源Web應(yīng)用框架，此框架應(yīng)用的是MTV模式，此模式由3部分組成，分別是模型、模板及視圖[17](見圖1)。模型部分是數(shù)據(jù)存儲層，用于處理相關(guān)的所有事務(wù)；模板部分是表現(xiàn)層，用于處理與表現(xiàn)相關(guān)的決定；視圖部分是業(yè)務(wù)邏輯層，主要作用是儲存模型和調(diào)用適當(dāng)模板的相關(guān)邏輯，視圖在模型與模板之間起橋梁作用[18]。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.2 查詢功能

阿勒泰地區(qū)野生藥用植物資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的查詢方式分兩種，分別是條件查詢和全局查詢。條件查詢，即用戶通過特定的條件來查詢野生藥用植物信息，如：按野生藥用植物名稱進(jìn)行查詢，名稱查詢分為中文名稱、拉丁名、科中文名稱、科拉丁名稱、種中文名、種拉丁名稱等，如圖2所示。用戶也可以通過全局查詢來獲取野生藥用植物信息，這樣即便有不懂野生藥用植物名稱的用戶，也可以通過關(guān)鍵字進(jìn)行查詢。

圖2 野生藥用植物屬性數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

3.2.3 空間數(shù)據(jù)查詢

GeoServer是地理信息系統(tǒng)服務(wù)器，可以利用它發(fā)布地圖數(shù)據(jù)。GeoServer允許用戶對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入等操作，通過利用GeoServer可以很容易在用戶之間迅速共享空間地理信息[19]。GeoServer是通過WMS提供地圖，或通過WFS/WFS-T提供要素的服務(wù)器程序，它接受來自客戶端的請求，從數(shù)據(jù)庫獲得空間數(shù)據(jù)，執(zhí)行相關(guān)的空間計算后，將結(jié)果以地圖圖片或要素類型形式返回給客戶端。GeoServer通過封裝GeoTools庫完成核心的處理任務(wù)，而GeoTools使用JTS(JTSTopology Suite，JTS拓?fù)涮准?完成幾何操作。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對阿勒泰地區(qū)野生藥用植物信息的多方式查詢，可以查詢阿勒泰地區(qū)土壤類型、植被類型等信息。點擊菜單欄的“查詢”圖標(biāo)后，可對阿勒泰地區(qū)土壤類型、植被類型進(jìn)行查詢。除查詢功能外，系統(tǒng)還可以對查詢到的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、縮小等操作。系統(tǒng)查詢信息效果如圖3所示。

圖3 野生藥用植物空間數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

3.2.4 數(shù)據(jù)庫后臺管理

Django是一個可以提供Admin后臺管理模塊的開源Web應(yīng)用框架。Django內(nèi)置的Admin后臺管理模塊使得程序開發(fā)者可以編寫極少的代碼和配置便能實現(xiàn)一個完整的后臺數(shù)據(jù)管理控制臺，從而大大減少了后臺數(shù)據(jù)管理的開發(fā)工作。

數(shù)據(jù)錄入時選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，進(jìn)入數(shù)據(jù)表界面即可選擇添加、修改、刪除等操作，現(xiàn)以野生藥用植物基本信息的錄入為例，如圖4所示。野生藥用植物基本信息包括野生藥用植物的中文名稱、拉丁名稱、主治疾病、入藥部位、臨床應(yīng)用、分布區(qū)域、緯度、經(jīng)度以及生長環(huán)境等。

圖4 后臺數(shù)據(jù)管理界面

4 結(jié)束語

通過對阿勒泰地區(qū)野生藥用植物進(jìn)行組織分類，并建立阿勒泰地區(qū)野生藥用植物空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了阿勒泰地區(qū)野生藥用植物信息化管理，能夠較為真實地提供阿勒泰地區(qū)野生藥用植物基本信息。阿勒泰地區(qū)野生藥用植物數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)具有科學(xué)性和可靠性，相較于以往所建數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以更加方便地進(jìn)行信息查詢，信息維護(hù)，以及用戶添加、刪除等操作。同時為后續(xù)建立豐富的野生藥用植物信息管理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。但因目前藥用植物相關(guān)空間數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)錄入不規(guī)范、不完善等問題，因此仍需在今后工作中對其進(jìn)一步充實完善。