馬衛(wèi)峰，孫冠楠，張小波，王哲，朱壽東，郭蘭萍*

(1.中國中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心，北京 100700；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100025；3.長春中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，吉林 長春 130117)

專 稿

中藥資源普查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)△

馬衛(wèi)峰1，孫冠楠2，張小波1，王哲3，朱壽東1，郭蘭萍1*

(1.中國中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心，北京 100700；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100025；3.長春中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，吉林 長春 130117)

野外數(shù)據(jù)采集是中藥資源普查必不可少的工作環(huán)節(jié)。然而，野外調(diào)查內(nèi)容多，工作量大，再加上野外環(huán)境復(fù)雜，因此，野外調(diào)查工作往往難度較大，調(diào)查成本較高。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了中藥資源普查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在利用嵌入式技術(shù)和GIS技術(shù)，提高調(diào)查效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)采用4層軟件架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)了地圖基本操作、地圖導(dǎo)航、圖層控制、調(diào)查點(diǎn)查看、信息采集等功能，能夠?yàn)榈谒拇稳珖兴庂Y源普查野外調(diào)查工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

中藥資源、野外調(diào)查系統(tǒng)、移動GIS

中藥資源是中藥產(chǎn)業(yè)和中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家的戰(zhàn)略性資源，中醫(yī)藥的傳承與發(fā)展全靠豐富的中藥資源支撐[1]。因此，為了促進(jìn)中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展，必須加強(qiáng)中藥資源保護(hù)，其中中藥資源調(diào)查是資源保護(hù)的前提和基礎(chǔ)[2]。數(shù)據(jù)采集是中藥資源調(diào)查中取得野外數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工作，是野外科學(xué)調(diào)查工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通常采用手工作業(yè)的方式，主要存在以下問題：(1)空間位置和圖形的標(biāo)繪精度不高；(2)調(diào)查人員填寫紙質(zhì)表格工作量較大，且不便于查閱；(3)調(diào)查表格之間的邏輯關(guān)系復(fù)雜，不便于有效控制；(4)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的錄入工作量大，且容易產(chǎn)生人為誤差。

20世紀(jì)60年代以來，空間信息技術(shù)以其快速、方便、高效的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于社會和國民經(jīng)濟(jì)的各個方面，尤其是在測繪、地質(zhì)調(diào)查以及資源調(diào)查工作中應(yīng)用最為全面[3-4]。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，空間信息技術(shù)也逐步向移動式、便攜式的方向延伸和發(fā)展，并取得了重大的進(jìn)步。移動GIS的出現(xiàn)，為提高野外調(diào)查工作的效率和質(zhì)量帶來了重要的技術(shù)支持。各行各業(yè)都積極研究和發(fā)展基于PDA、平板電腦等移動設(shè)備的業(yè)務(wù)調(diào)查系統(tǒng)[5-7]。

本文針對全國第四次中藥資源普查的目標(biāo)[8]設(shè)計(jì)了基于移動GIS技術(shù)的中藥資源普查野外采集系統(tǒng)，為中藥資源普查的野外調(diào)查工作提供了思路和借鑒。

1 數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容

根據(jù)全國中藥資源普查技術(shù)規(guī)范中對普查對象及內(nèi)容的相關(guān)規(guī)定和要求[8-9]，野生藥用植物普查數(shù)據(jù)采集的對象包括藥用植物的種類和藥用植物的生物量。而野生藥用植物調(diào)查中采集的信息大致可以分為4類：

1.1 生態(tài)環(huán)境信息

(1)植被類型，包括11個植被類型組，即針葉林、針闊葉混交林、闊葉、灌叢、荒漠、草原、草叢、草甸、沼澤、高山植被和栽培植被；(2)生態(tài)類型[10]：任何植被類型都與環(huán)境特征聯(lián)系在一起，為了便于區(qū)分群落成分的生態(tài)學(xué)特點(diǎn)，我們以不同生態(tài)因素做基礎(chǔ)劃分了植物生態(tài)類型，如水分生態(tài)類型、溫度生態(tài)類型、光生態(tài)類型和土壤生態(tài)類型等；(3)植物群落：即在一定生活環(huán)境中所有植物種群的總和；(4)土地利用，即調(diào)查樣地所覆蓋的地表諸要素的綜合體。

1.2 地理位置信息

(1)行政區(qū)劃，即調(diào)查的縣名及鄉(xiāng)鎮(zhèn)名；(2)地理位置，即藥用植物所在位置的經(jīng)緯度信息；(3)地形信息，即藥用植物所在位置的海拔、坡度、坡向和坡位等。

1.3 藥用植物信息

(1)基源信息，即藥用植物的種名、屬名和科名；(2)植物個體信息，包括反應(yīng)藥用植物整體形態(tài)的信息，以及反應(yīng)藥用植物入藥部位形態(tài)的信息；(3)植物特征信息：即反應(yīng)藥用植物局部，如根、莖、葉、花、果實(shí)和種子等形態(tài)特征的信息。

1.4 生物量信息

(1)數(shù)量信息，即藥用植物所在樣方內(nèi)的植株數(shù)量；(2)重量信息，即在調(diào)查區(qū)域內(nèi)采集的每株藥用植物的地上部分和地下部分重量。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

中藥資源普查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通信、GIS操作、數(shù)據(jù)填報(bào)及多媒體信息采集等多個方面。根據(jù)系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)流及功能組成，將系統(tǒng)的架構(gòu)劃分為四個層次，由下及上依次是：數(shù)據(jù)存儲層、I/O通訊層、基礎(chǔ)組件層、應(yīng)用層。下層為上層的基礎(chǔ)，為其提供接口，最終通過應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)用戶需要的各項(xiàng)功能。上層將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的加工，傳遞給下層，最終將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲層，完成采集工作。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)存儲層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，以及普查隊(duì)員采集到的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一的存儲和管理。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，分別采用文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行存儲和組織。數(shù)據(jù)存儲層主要包括：(1)地圖庫，存儲調(diào)查區(qū)的高分辨率遙感影像、行政區(qū)劃矢量等數(shù)據(jù)，用于導(dǎo)航等；(2)樣方庫，存儲調(diào)查目標(biāo)區(qū)域位置的矢量數(shù)據(jù)，包括樣地、樣方套等調(diào)查單元；(3)調(diào)查結(jié)果庫，存儲調(diào)查結(jié)果表格數(shù)據(jù)，例如藥用植物種類信息、生態(tài)環(huán)境信息、地理位置信息、藥用植物生物量信息等；(4)多媒體庫，存儲調(diào)查過程中采集的多媒體信息，包括照片、視頻、錄音等信息。

I/O通訊層是整個系統(tǒng)的樞紐。它連接了數(shù)據(jù)層與基礎(chǔ)組件層、應(yīng)用層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲層組織方式的不同，I/O通訊層包含對數(shù)據(jù)庫的讀寫模塊和對文件系統(tǒng)的讀寫模塊。

基礎(chǔ)組件層是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，進(jìn)行歸納，將基礎(chǔ)的、共用的功能進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和封裝，形成相應(yīng)的接口，提高系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。根據(jù)面向的信息的不同，基礎(chǔ)組件層可以分為GIS組件模塊和屬性數(shù)據(jù)操作模塊。GIS組件模塊是根據(jù)系統(tǒng)所需要的GIS功能，將公共的底層算法進(jìn)行統(tǒng)一的封裝，以便簡化上層GIS功能的開發(fā)。屬性數(shù)據(jù)操作模塊封裝了對調(diào)查樣方屬性表及調(diào)查結(jié)果的操作，實(shí)現(xiàn)對二維表數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理。

應(yīng)用層包含了最終面向普查隊(duì)員的各項(xiàng)功能，是整個系統(tǒng)的核心。根據(jù)中藥資源野外調(diào)查工作的需求，應(yīng)用層主要包括四類功能：數(shù)據(jù)同步、地圖及導(dǎo)航應(yīng)用、數(shù)據(jù)填報(bào)、多媒體信息采集。數(shù)據(jù)同步，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與電腦的連接，完成調(diào)查任務(wù)數(shù)據(jù)、調(diào)查區(qū)地理數(shù)據(jù)的下載，以及調(diào)查結(jié)果的上傳功能。地圖及導(dǎo)航應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對地圖的交互式操作、查詢、實(shí)時定位以及導(dǎo)航等功能，輔助普查隊(duì)員快速、準(zhǔn)確的到達(dá)調(diào)查目的地，并記錄調(diào)查點(diǎn)坐標(biāo)。數(shù)據(jù)填報(bào)，根據(jù)《全國中藥資源普查技術(shù)規(guī)范》，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子表格，實(shí)現(xiàn)數(shù)字填報(bào)，并將填報(bào)內(nèi)容與地理位置、多媒體信息關(guān)聯(lián)。多媒體信息采集負(fù)責(zé)調(diào)用數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的音頻、視頻采集設(shè)備，完成照相、攝像、錄音等功能。

3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

首先，通過系統(tǒng)導(dǎo)航到達(dá)指定的代表區(qū)域和樣地，并布設(shè)樣方套，其次在代表區(qū)域內(nèi)支持植物信息、重量信息的填報(bào)；再次在樣地內(nèi)支持生態(tài)環(huán)境信息和重量信息的填報(bào)；最后在樣方內(nèi)支持藥用植物數(shù)量和重量信息的填報(bào)。

3.1 導(dǎo)航

通過選擇需要調(diào)查的代表區(qū)域及樣地，系統(tǒng)實(shí)時獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度和海拔，以及樣地的方向和距離，最終由系統(tǒng)引導(dǎo)到達(dá)指定的目的地，如圖2所示。

3.2 樣地/樣方套內(nèi)信息記錄

到達(dá)樣地后，首先記錄樣地內(nèi)的植被類型、生態(tài)類型、土地利用等信息。然后，在樣地內(nèi)設(shè)置樣方套，系統(tǒng)將自動判斷樣方套是否超出樣地范圍，并實(shí)時記錄當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和海拔。最后，在樣方套內(nèi)記錄藥用植物的基源信息、生活型及植物群落信息等。并支持植物群落信息以及藥用植物基本信息的填報(bào)。如圖3和圖4所示。

3.3 樣方內(nèi)生物量記錄

在樣方套內(nèi)，針對不同生活型的藥用植物在相應(yīng)小樣方內(nèi)記錄該藥用植物的植物個體數(shù)量信息，并采挖獲取單株藥用植物的重量信息，如圖5所示。

圖2 導(dǎo)航

圖3 樣方套信息

圖4 基本信息

圖5 數(shù)量信息

4 系統(tǒng)選型

由于野外環(huán)境復(fù)雜、條件差，并且待調(diào)查的目的地往往離出發(fā)地較遠(yuǎn)，因此，需要要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，保證在野外順利、穩(wěn)定、高效地開展調(diào)查工作。同時考慮到設(shè)備的生產(chǎn)成本投入。為此，本系統(tǒng)軟平臺選擇成熟的Windows Mobile操作系統(tǒng)作為平臺，選擇CPU計(jì)算速度較高，內(nèi)存較大的硬件平臺，主要是為了盡量提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且保證系統(tǒng)快速、流暢運(yùn)行，提高調(diào)查效率。為了滿足調(diào)查的精度要求，硬件GPS實(shí)時定位精度設(shè)計(jì)在3-5米左右。此外，為了保證系統(tǒng)在野外惡劣環(huán)境下安全運(yùn)行，PDA具備防水、防塵、防震的能力。考慮到野外調(diào)查工作時間長，又無電源供給，因此還要求PDA設(shè)備具備8小時以上的長時間續(xù)航能力。具體的軟硬件配置要求見表1。

表1 系統(tǒng)配置要求

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的手工采集方式由于工作量大、人為誤差等因素，難以適應(yīng)新形勢下信息化發(fā)展的需求；調(diào)查內(nèi)容的日益豐富，則給數(shù)據(jù)采集的精度和效率提出了更高的要求。

中藥資源普查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分考慮了中藥資源調(diào)查的實(shí)際需求，具有豐富的采集內(nèi)容和清晰的業(yè)務(wù)流程，并將空間信息技術(shù)應(yīng)用于野外調(diào)查工作中，提高了調(diào)查的效率和質(zhì)量，降低了調(diào)查成本，為第四次全國中藥資源普查工作提供了重要的技術(shù)支撐。

[1] 黃璐琦，陸建偉，郭蘭萍，等.第四次全國中藥資源普查方案設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].中國中藥雜志，2013，38(5)：625.

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[3] 李德仁.攝影測量與遙感學(xué)的發(fā)展展望[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，33(12)：1211.

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[10] 張新時，侯學(xué)煜.中華人民共和國植被圖[M].北京：地質(zhì)出版社，2008.

DesignandimplementationofFieldDataCollectingSystemforChineseMateriaMedicaresourcessurvey

MA Wei-feng1，SUN Guan-nan2，ZHANG Xiao-bo1，WANG Zhe3，ZHU Shou-dong1，GUO Lan-ping1*

(1.ResourcesCentreofChineseMateriaMedica，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijing100700，China2.ChineseAcademyofAgriculturalEngineering，Beijing100025，China；3.SchoolofPharmaceuticalSciences，ChangchunUniveristyofChinesemedicine，Changchun，People’sRepublicChina，Changchun130117，China)

Field data collecting is the essential procedure in Chinese materia medica resources survey.On the contrary，the field survey is usually difficult on the account of both heavy workload and complicate wild environment.Therefore，this paper demonstrates the design and implementation of field data collecting system of the Chinese material medica resources for prompting survey efficiency and quality in using of Embedded technology and Mobile GIS technology synthetically.The system is constructed with 4 layers：data storage layer，I/O communication layer，basic component layer and application layer.It implements basic map operation，path navigation，layer management，survey target management，data collection.

Chinese material medica resources survey；Field data collection system；Mobile GIS

2013-08-22)

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201207002)；中醫(yī)藥部門公共衛(wèi)生專項(xiàng)(財(cái)社[2011]-76)；中醫(yī)藥全國性?？?ZZYZK2012科技司A002)

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郭蘭萍，Tel：(010)64014411，E-mail：glp01@126.com