基于GIS 的陜西省動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

李文鳳，楊亞莉，李 龍

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院動物工程分院，陜西 楊凌 712100；2.楊陵區(qū)行政審批服務(wù)局，陜西 楊凌 712100）

隨著信息技術(shù)高效、迅速地在畜牧業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，畜牧業(yè)信息化已產(chǎn)生了新的定義，即以科技生產(chǎn)力促進畜牧業(yè)發(fā)展，通過通信、遙感和光電技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)信息手段，準確、有效地獲取畜牧業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營信息，從而提高其生產(chǎn)效率和決策水平［1，2］。通過畜牧業(yè)信息化，可以及時把有效、準確信息反饋到畜牧業(yè)相關(guān)技術(shù)和使用人員手中，更便于系統(tǒng)化應(yīng)用和推廣，這也是傳統(tǒng)畜牧業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的過程。

1 中國畜牧業(yè)信息化發(fā)展概況

20 世紀80 年代以來，中國開始把信息技術(shù)與農(nóng)牧業(yè)、資源、環(huán)境等方面進行結(jié)合研究并推廣應(yīng)用，尤其是由中國科學院完成的草原草畜平衡等監(jiān)測系統(tǒng)的推廣已取得極大成功［3，4］。中國信息化技術(shù)和畜牧業(yè)的研究應(yīng)用發(fā)展較快，在全國畜牧業(yè)“十一五”和“十二五”規(guī)劃中都以全面推進畜牧業(yè)信息化發(fā)展為主要內(nèi)容，逐漸形成相對完整的畜牧業(yè)信息化建設(shè)體系。在提升了畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時，進一步提高其標準化、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；剐竽翗I(yè)發(fā)展成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的現(xiàn)行表率。但信息數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，且各地發(fā)展不平衡［5，6］，信息共享原則和標準還未統(tǒng)一，因此進一步加強信息化建設(shè)，加強數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是提高畜牧業(yè)發(fā)展力的有效保障和必要前提［7，8］。

在畜牧業(yè)迅速發(fā)展的今天，中國畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，散養(yǎng)和偏僻分布狀況明顯減少，家庭牧場和養(yǎng)殖專業(yè)合作社等新型經(jīng)營主體快速發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖場穩(wěn)定增長，動物養(yǎng)殖業(yè)以及進出口業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢［9］。隨著國家大力推行農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策，大型動物養(yǎng)殖場得以迅速發(fā)展，但這也導(dǎo)致了一些問題。由于養(yǎng)殖畜禽數(shù)量龐大，種類多樣，且養(yǎng)殖業(yè)不夠成熟、流通渠道的增多等，導(dǎo)致動物疫病暴發(fā)頻率和范圍在不斷增加［10，11］，這也導(dǎo)致了動物養(yǎng)殖經(jīng)濟效益的下降，直接影響到了養(yǎng)殖戶的積極性，因此，在畜牧業(yè)信息化發(fā)展的現(xiàn)今，利用GIS和RS 技術(shù)實現(xiàn)畜牧業(yè)精細化管理、生產(chǎn)和運行具有重大意義。

目前GIS 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于動物防疫中，研究人員通過建立監(jiān)控體系及時高效進行信息溝通，利用時空模型進行疫病的空間分布模式、流行趨勢、影響因素等評估研究，能及時有效地進行疫病的防范和救治，避免擴散，并為政府和相關(guān)部門應(yīng)用GIS 技術(shù)平臺建立提高疫情快速反應(yīng)和應(yīng)對提供科學依據(jù)。GIS 應(yīng)用于動物流行病學最基礎(chǔ)的功能就是研究疫病分布，Cringoli等［12］利用GIS對意大利亞平寧山區(qū)牛和羊的肝片吸蟲流行情況調(diào)查研究，Schwermer等［13］、French 等［14］對GIS 在動物疫病監(jiān)測和控制中的作用做了詳細介紹，Norstrom［15］利用GIS 對1973—1992 年英國羊疥癬病發(fā)生的空間和時間模式進行研究，這些都表明GIS 在動物疫病監(jiān)測與控制中有非常重要的作用。

結(jié)合中國畜牧業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字畜牧是動物疫病防控領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。將GIS 應(yīng)用于動物疫病監(jiān)管能實現(xiàn)日常防控的有效管理，可以根據(jù)收集的基礎(chǔ)信息加載有效畜牧專題地圖、防疫數(shù)據(jù)等進行空間分析和綜合管理［16］，也可分析動物疫病的整體空間分布，建立GIS 預(yù)測模型［17］，還可以通過GIS 對空間信息進行綜合分析，實現(xiàn)動物疫病的風險管理和預(yù)警管理［18］，表明GIS 在動物疫病監(jiān)測與控制中有非常重要的應(yīng)用價值。

2 陜西省畜牧業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

當前，中國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在全面推進現(xiàn)代化建設(shè)的重要時期，畜牧業(yè)所處國內(nèi)外的環(huán)境也在發(fā)生變化，畜牧業(yè)既面臨畜產(chǎn)品消費剛性增長、政府大力扶持等諸多有利條件，也面臨國內(nèi)外市場沖擊、資源約束加劇、環(huán)保壓力加大和疫病風險增大等諸多挑戰(zhàn)?！笆濉逼陂g，陜西省畜牧業(yè)進入了生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展、質(zhì)量穩(wěn)步提高、綜合生產(chǎn)能力不斷增強的新階段。2019 年全省畜牧業(yè)增加值比上年增長4.5% ，畜牧業(yè)產(chǎn)值占全省農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的31%，已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。由于陜西省鮮明的地域特征，也形成“陜南生豬、陜北肉羊、渭北肉牛、關(guān)中奶畜”的產(chǎn)業(yè)布局［19］。

2006—2017 年陜西省生豬存欄量和出欄量穩(wěn)步增長，2018 年由于受非洲豬瘟影響，年末存欄量有所減少，但畜禽結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，整體產(chǎn)量較為平穩(wěn)，養(yǎng)禽業(yè)發(fā)展有所提高（圖1）。2019 年底牛存欄150.17 萬頭，較2015 年年末存欄率增長了2.3%；奶牛存欄27.4 萬頭，較2015 年年末存欄率下降了36.9%；家禽存欄7 760.16 萬羽，較2015 年年末存欄率增長了15.2%；豬795.698 萬頭，較2015 年下降了5.9%；羊存欄815.05 萬頭，較2015 年年末存欄率增長了16.1%；奶山羊存欄131.293 2 萬頭，較2015 年年末存欄率增長了39.4%；兔存欄118.23 萬只，較2015 年年末存欄率下降了58.7%（圖2）。

圖1 2006—2019 年陜西省畜牧業(yè)生產(chǎn)情況

圖2 2015—2019 年陜西省畜禽存欄情況統(tǒng)計

雖然陜西省加大政府政策投資力度，全省散養(yǎng)戶逐年遞減，養(yǎng)殖專業(yè)合作社和養(yǎng)殖協(xié)會等迅速發(fā)展，并以企業(yè)帶動產(chǎn)業(yè)推動規(guī)模化養(yǎng)殖，但各級動物防疫仍存在問題。動物疫病種類繁多，地區(qū)分布相對較廣，家庭養(yǎng)殖或偏遠地區(qū)更易受到疫病侵害。同時，畜牧產(chǎn)業(yè)涉及多個環(huán)節(jié)，如果處理不當也可能會傳播疫病，再加上國際畜牧產(chǎn)業(yè)交易頻繁，也會導(dǎo)致動物疫情日益復(fù)雜化。

近幾年根據(jù)陜西省畜牧業(yè)生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，動物疫情流行快，易導(dǎo)致牲畜死亡，降低養(yǎng)殖戶經(jīng)濟收益，嚴重時還會威脅當?shù)氐男竽琉B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。因此，建立系統(tǒng)的動物疫病監(jiān)測系統(tǒng)對于信息化畜牧業(yè)發(fā)展，提高產(chǎn)值并進行宏觀決策和統(tǒng)籌具有非常重要的意義，動物疫病監(jiān)測可以動態(tài)化掌握當?shù)貏游镆卟顩r，確保疫病預(yù)防工作可防、可控和有效性。

3 動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與功能模塊

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于GIS 的陜西省動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)動物養(yǎng)殖分類、動物疫病資料、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律以及影響因素，用直觀判斷或者統(tǒng)計學等方法對發(fā)生和發(fā)展趨勢做出預(yù)測判斷，是一個特定的信息平臺。動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是為了全面系統(tǒng)地對動物疫病發(fā)生、發(fā)展和遷移等進行科學管理，系統(tǒng)可以在信息化畜牧業(yè)的基礎(chǔ)上把地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)三者相結(jié)合，對動物疫病的產(chǎn)生發(fā)展和動態(tài)演變過程進行系統(tǒng)、規(guī)律地分析，提高對病癥的變化特征、蔓延趨勢的監(jiān)測水平，并為阻斷疫病蔓延提供決策性建議。通過實現(xiàn)動態(tài)疫情相關(guān)分析信息可視化，為政府相關(guān)部門準確了解疫情信息，并為防控疫病和后續(xù)決策做出有效的判斷。

該系統(tǒng)是在地區(qū)畜禽位置遙感影像信息、各類地圖信息數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)和所在地區(qū)畜禽歷史病歷數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上建立的綜合性信息系統(tǒng)，是結(jié)合GIS 構(gòu)建的數(shù)字化應(yīng)用型信息平臺。系統(tǒng)采用Ar?cObjects 控件進行開發(fā)，利用AO 控件開發(fā)自主獨立的功能界面，使組件層位于用戶客戶端和數(shù)據(jù)庫之間并可根據(jù)系統(tǒng)需求開發(fā)適合用戶的各類功能模塊，便于用戶進行操作并具有類似ArcGIS 軟件的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《2019 年國家動物疫病強制免疫計劃》通知中，明確規(guī)定了強制免疫的總體計劃和要求，并列出了免疫病種，包括口蹄疫、高致病性禽流感、布魯氏菌病等。因此，在遵循國家政策要求的基礎(chǔ)上，保證對系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)應(yīng)遵循以下設(shè)計原則。

（1）根據(jù)用戶需求分析，建立便于操作和溝通的用戶界面，功能模塊便捷易操作，同時具備GIS 和RS 的基本功能。

（2）系統(tǒng)采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可便于后續(xù)開發(fā)增加新的功能和補充模塊。

（3）所有數(shù)據(jù)應(yīng)符合開發(fā)控件的基本要求和標準，并遵守國家規(guī)定、規(guī)范，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和運行的穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)基本功能

根據(jù)需求分析，可把系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集、處理、分析和決策4 部分，該系統(tǒng)可劃分為空間分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、疾病數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型、數(shù)據(jù)輸出和幫助5 個功能模塊，同時，利用ArcObjects 提供的可視化控件中的MapControl 和PageLayoutControl 來實現(xiàn)具有ArcMap 功能的獨立應(yīng)用程序，可以更好地體現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的瀏覽和分析。

3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊 包括不同區(qū)域養(yǎng)殖場或合作社畜禽養(yǎng)殖基本信息、防疫基本數(shù)據(jù)和政府相關(guān)政策要求等數(shù)據(jù)。對加載的地理數(shù)據(jù)可進行顯示、查詢，并應(yīng)用DataSourceRaster 庫完成柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對數(shù)據(jù)圖層的操作可在Map Control 控件下完成并通過TreeView 事件加載不同圖層地理數(shù)據(jù)，還可對多個圖層進行刪除、移動、編輯等操作；對屬性數(shù)據(jù)的查詢可通過對當前圖層的相關(guān)對象選擇等功能實現(xiàn)。

3.3.2 空間分析 通過IMap 接口實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)圖層操作進行分析，還可通過ITopologicalOperator 接口實現(xiàn)空間拓撲運算，應(yīng)用CboOveralyerType 控件對多個時間段的疫病發(fā)展進行疊置分析等功能，可以根據(jù)每年疫病的空間數(shù)據(jù)計算其空間趨勢變化，對疫病分布的位置變化進行研究；也可計算不同疫病種類、畜禽種類的標準差橢圓疊加來進行評估；還可以根據(jù)多種類型空間數(shù)據(jù)指標來描述和分析整個區(qū)域或單獨區(qū)域的情況和空間趨勢變化等。

3.3.3 疫病數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型 動物疫病趨勢和發(fā)展變化是其動態(tài)研究的重要內(nèi)容，可通過空間變化對不同地域畜禽養(yǎng)殖引起疫病的分布情況、流行趨勢等進行追蹤和發(fā)展變化的研究。因此，還可借鑒已有的動態(tài)空間模型對全省動物疫病的動態(tài)檢測進行系統(tǒng)、規(guī)律的分析，預(yù)防與防治相結(jié)合，在疫情流行區(qū)域范圍內(nèi)采集樣本，分析疫病流行情況，明確其種類，為后續(xù)的研究提供重要的數(shù)據(jù)平臺。

在數(shù)據(jù)分析模型中可以嵌套采用較為完善的專家預(yù)測系統(tǒng)和專家診斷系統(tǒng)等畜牧業(yè)專家系統(tǒng)，這樣可以更及時方便地對疫病進行預(yù)防、監(jiān)控并給予決策人員或部門提供有效的信息數(shù)據(jù)便于判斷導(dǎo)向。3.3.4 數(shù)據(jù)輸出 可以根據(jù)需求生成各種形式的文字、報表，并在PageLayoutControl 控件下生成專題圖，尤其對于地理信息數(shù)據(jù)可采用多種格式保存或輸出。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)保證在既定的畜牧業(yè)環(huán)境下提供全面、可靠、安全的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，考慮到全省的數(shù)據(jù)量較大，可把屬性數(shù)據(jù)存儲到Oracle 數(shù)據(jù)庫；針對空間數(shù)據(jù)可使用Geodatabase 數(shù)據(jù)模型進行存儲和管理。

屬性數(shù)據(jù)主要包括不同時間畜禽養(yǎng)殖、疫病防疫等監(jiān)測數(shù)據(jù)；畜禽養(yǎng)殖場分布、基礎(chǔ)信息、防疫情況、產(chǎn)生何種疫病等數(shù)據(jù)；動物疫病樣本數(shù)據(jù)，疫病防治數(shù)據(jù)以及相關(guān)法規(guī)政策和全省的統(tǒng)計資料等數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)主要包括：動物疫病的點、面數(shù)據(jù)圖、疫病取樣地數(shù)據(jù)、各類地形專題圖、畜禽養(yǎng)殖分布影像和其他遙感影像資料等數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

基于GIS 的陜西省動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建立是為了實現(xiàn)對全省動物防疫的科學管理，促進其對動物疫病的有效防控。該系統(tǒng)在畜牧防疫方面一個重要的應(yīng)用就是能夠加強對動物疫病防疫體系的監(jiān)管，可以全方位、及時高效地處理相關(guān)信息，實現(xiàn)在監(jiān)管體系內(nèi)對疫情進行實時準確反饋，對動物疫情的發(fā)生和擴散都有著一定的監(jiān)控，并在發(fā)生事故后進行準確的預(yù)警與控制，甚至在疫病產(chǎn)生之前就先預(yù)判并有效遏制。同時，政府和相關(guān)部門可以通過GIS技術(shù)實現(xiàn)對于養(yǎng)殖人員遇到的各種突發(fā)狀況的處理，根據(jù)收集和傳遞的數(shù)據(jù)進行有效整合和管理，使畜禽安全得到保障，減少養(yǎng)殖人員的經(jīng)濟損失。

通過系統(tǒng)的建立可以有效提高疫病的防控，從而增加畜產(chǎn)品的產(chǎn)量，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，同時，系統(tǒng)的投入可以節(jié)約畜禽業(yè)的生產(chǎn)成本，減少人力投入，提高畜牧業(yè)信息化的管理。動物疫病動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就是實現(xiàn)GIS 和RS 技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)信息化畜牧業(yè)的發(fā)展，通過數(shù)據(jù)視圖和版面設(shè)計為基礎(chǔ)來實現(xiàn)對地區(qū)畜禽疾病的動態(tài)監(jiān)測，研究其動物疫病變化特征、追蹤流行病學軌跡以及后續(xù)畜禽養(yǎng)殖的生態(tài)環(huán)境價值評估，并為陜西省畜禽業(yè)均衡發(fā)展提供決策性服務(wù)，實現(xiàn)全省的社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。