廖寶雄 曾南京 劉觀華 李秀明 錢法文*

(1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)和草原局森林保護學重點實驗室，北京 100091；2 江西鄱陽湖國家級自然保護區(qū)，江西 南昌 330038)

當前世界已進入信息時代，如何高效地組織和分析數(shù)據(jù)成為了諸多領域進一步發(fā)展的瓶頸。我國水鳥研究起步較晚(鄭光美, 1981)，缺乏長期的、大范圍的系統(tǒng)調查數(shù)據(jù)(王夢迪, 2015)。近些年有關水鳥的研究調查逐漸増多，與此同時，大眾的觀鳥活動也越來越普及，并且觀鳥愛好者的自發(fā)觀鳥活動收集了大量第一手觀鳥數(shù)據(jù)，其相對于系統(tǒng)調查覆蓋范圍更廣、觀察時間序列更長(Geissler et al, 1981; Bart, 2005)，為水鳥生態(tài)和保護研究提供了不可多得的數(shù)據(jù)來源，有必要加強對水鳥觀鳥數(shù)據(jù)的利用和管理。此外，目前我國鳥類生態(tài)和保護研究領域的信息化程度還相對落后，現(xiàn)有的水鳥數(shù)據(jù)庫還主要停留在單機數(shù)據(jù)庫，甚至人工管理表格的階段（鄭光美, 1981; 李雪艷等, 2012）。為解決鳥類生態(tài)及保護研究野外調查數(shù)據(jù)入庫難、存儲難、查詢不便、數(shù)據(jù)利用效率低等問題，有必要開發(fā)可通過網(wǎng)絡隨時隨地訪問的水鳥信息管理與應用系統(tǒng)，可有效地收集、管理和利用鳥類數(shù)據(jù)，為開展鳥類生態(tài)及保護研究提供技術支撐。

1 整體設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

目標系統(tǒng)要實現(xiàn)調查數(shù)據(jù)的便捷入庫、海量存儲、方便查詢、高效分析；同時系統(tǒng)要盡可能開放，便于更多人使用；頁面簡潔，易于使用。

1.2 系統(tǒng)架構設計

通過分析目標系統(tǒng)的需求，基于現(xiàn)有技術，選用適合的軟件設計原則(Rumbaugh, 2004; 曹森等,2012)，確定系統(tǒng)的整體方案。為了存儲、查詢及管理海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應當有一個基礎的數(shù)據(jù)庫，同時為了實現(xiàn)更為便捷的訪問，系統(tǒng)設計以網(wǎng)站的形式呈現(xiàn)。整個系統(tǒng)由后臺數(shù)據(jù)庫和前臺網(wǎng)站構成，前臺網(wǎng)站除了提供數(shù)據(jù)庫的存儲查詢和管理功能外，還要有一定的便捷分析功能。目標系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫由基于MySQL 5.6.21.1軟件來創(chuàng)建，前臺網(wǎng)站基于ASP.NET技術利用Microsoft Visual Studio 2010來開發(fā)，網(wǎng)站的具體網(wǎng)頁包括首頁、用戶登入及注冊、數(shù)據(jù)存儲、查詢、管理及統(tǒng)計分析等內容。

2 數(shù)據(jù)庫設計

2.1 需求分析與概念設計

本數(shù)據(jù)庫需要存儲水鳥信息、注冊人員信息和用戶記錄背書信息，涉及的業(yè)務活動主要為注冊用戶提交、管理水鳥信息和用戶記錄背書信息。

(1)水鳥信息：可分為3個部分，監(jiān)測時間地點信息、鳥情記錄信息、物種基礎信息?？紤]到越冬水鳥的研究中越來越關注溫差、鳥類成鳥、幼鳥數(shù)量及鳥類行為等方面的情況，數(shù)據(jù)庫將支持記錄平均氣溫、最高溫度、最低溫度，以及總數(shù)量、幼鳥數(shù)量、亞成鳥數(shù)量、成鳥數(shù)量、休息、飛翔、游走、覓食、其他行為、雄鳥數(shù)量等詳細數(shù)據(jù)。

(2)注冊人員信息：存儲注冊人員賬戶及個人信息。

(3)用戶記錄背書信息：存儲注冊人員對每條記錄的背書情況。

通過自底向上的方法，將用戶需求抽象為概念模型，得到實體及屬性的E-R圖，詳見圖1至圖5。

2.2 邏輯設計與表結構定義

由于本數(shù)據(jù)庫采用的MySQL是關系模型的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，因此邏輯設計中主要是將概念設計中得到的實體關系模型(E-R圖)轉化成關系模式。然后對其進行轉化(必要時可適當優(yōu)化)得到各表結構。水鳥信息設計為觀測點表、鳥類記錄表、鳥類物種基礎信息表3個物理表，注冊人員信息設計為注冊人員信息表一個物理表，用戶記錄背書信息設計為用戶記錄背書表一個物理表。各表的結構具體如下：

（1）觀測點表(point table)：主要字段有點記錄代碼、觀測開始日期時間、觀測結束日期和時間、調查方法、天氣、能見度、氣溫、最高溫、最低溫、風速、風向、野外調查人員、數(shù)據(jù)錄入員、數(shù)據(jù)錄入時間、瀏覽數(shù)、地點省、市、縣、鄉(xiāng)、地名或湖名、經(jīng)度、緯度、隱私、備注、關聯(lián)文件代碼，其中點記錄代碼為主鍵。

圖1 物種實體及屬性局部E-R圖Fig.1 Local E-R Diagram of Species Entitiy and Attributes

圖2 監(jiān)測點實體及屬性局部E-R圖Fig.2 Local E-R Diagram of Monitor-point Entitiy and Attributes

圖3 鳥情記錄實體及屬性局部E-R圖Fig.3 Local E-R Diagram of Bird-record Entitiy and Attributes

圖4 注冊用戶實體及屬性局部E-R圖Fig.4 Local E-R Diagram of Registered-user Entitiy and Attributes

圖5 記錄提交局部E-R圖Fig.5 Local E-R Diagram of Submit-record Entitiy and Attributes

（2）鳥類記錄表(bird_record table)：主要字段有鳥信息記錄代碼、物種名、生境類型、總數(shù)量、幼鳥數(shù)量、亞成鳥數(shù)量、成鳥數(shù)量、休息、飛翔、游走、覓食、其他、停留時間、人為活動類型、食物類型、雄鳥數(shù)量、識別方式、觀測點代碼、備注、數(shù)據(jù)錄入時間，其中鳥信息記錄代碼為主鍵。

（3）鳥類物種基礎信息表(bird_information table)：主要字段有物種代碼、物種中文名、物種英文名、物種拉丁名、備注、分布、習性、特征，其中物種代碼為主鍵。

（4）注冊人員信息表(staff_informatio table)：主要字段有用戶代碼、注冊賬號、賬戶名、密碼、郵箱、手機、固話、單位、通訊地址、真實名、昵稱、性別、其他信息、讀權限、更新權限、刪除權限，其中用戶代碼為主鍵。

（5）用戶記錄背書表(user_record_endorsed table)：主要字段有背書代碼、用戶名、記錄代碼、背書字符串，其中背書代碼為主鍵。

2.3 表的關聯(lián)

為了保持不同物理表在存儲數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)完整性，需要對物理表之間的關聯(lián)關系作適當設定。鳥類記錄表當中的“觀測點代碼”字段作為外鍵對應觀測點表中的主鍵“點記錄代碼”，鳥類記錄表當中的“物種名”字段作為外鍵對應鳥類物種基礎信息表中的主鍵“物種代碼”，用戶記錄背書表當中的“記錄代碼”字段作為外鍵對應鳥類記錄表中的主鍵“鳥信息記錄代碼”。

并將所有外鍵屬性設定為，刪除時限制(“RESTRICT”)，更新時更新(“CASCADE”)。例如上述鳥類記錄表、觀測點表的外鍵約束中，當要刪除觀測點表中的某一條記錄時，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會自動檢查該條記錄是否被鳥類記錄表中的某條記錄關聯(lián)，如果有則不能刪除(想要刪除，則必須先刪除鳥類記錄表中的對應記錄)。當更新觀測點表中的某一條記錄時，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會自動將更新反應到鳥類記錄表中有關聯(lián)的記錄中。

3 網(wǎng)站設計

后臺數(shù)據(jù)庫是目標系統(tǒng)的基礎，前臺網(wǎng)站是目標系統(tǒng)的窗口。網(wǎng)站設計的合理與否直接關系到用戶的體驗和后續(xù)使用興趣。

3.1 需求分析

根據(jù)需求調查和“整體設計”章節(jié)知道，網(wǎng)站的具體網(wǎng)頁包括首頁、用戶登入及注冊、數(shù)據(jù)存儲、查詢、管理及統(tǒng)計分析等內容。所有網(wǎng)頁應當有統(tǒng)一的風格，網(wǎng)頁與網(wǎng)頁之間的關系應當有一定的連貫性，單個網(wǎng)頁的不同內容之間應當在視覺上有所分割。

網(wǎng)站可分為首頁、記錄查詢、鳥情統(tǒng)計、鳥情分析和數(shù)據(jù)管理5個功能模塊，其中數(shù)據(jù)管理包含賬號登入、賬號注冊、賬號管理、記錄錄入、記錄管理(修改、刪除)、記錄背書等子模塊，成功登入賬號后才可進行相關數(shù)據(jù)管理操作。每個模塊(或子模塊)設計為一個頁面。

（1）賬戶注冊頁面，只輸入少數(shù)關鍵信息即可提交注冊。用戶名可輔助查重，實現(xiàn)唯一的用戶名功能。

（2）記錄查詢頁面，用戶可通過觀測時間、調查者姓名、地點等進行篩選查詢，呈現(xiàn)符合要求的記錄。

（3）記錄管理頁面，用戶可對本人提交的記錄進行更新、刪除等管理。

（4）記錄背書頁面，用戶可對其他用戶的記錄進行背書，表示支持。

（5）鳥情統(tǒng)計頁面，用戶可統(tǒng)計指定時間范圍內監(jiān)測到的物種清單、各物種被監(jiān)測到的次數(shù)和各物種被監(jiān)測到的數(shù)量等，亦可統(tǒng)計指定物種是否被監(jiān)測到。

（6）鳥情分析頁面，用戶可設置物種、觀測時間、觀測地點等進行查詢，顯示查詢結果中數(shù)量-空間分布情況，并展示查詢結果中數(shù)量-時間分布情況。

3.2 網(wǎng)頁內容與布局定義

基于ASP.NET技術的特點，我們設計模板頁供所有網(wǎng)頁引用，以統(tǒng)一所有網(wǎng)頁的風格，定義各網(wǎng)頁的整體布局，并盡量簡化內容頁的開發(fā)和維護。管理中只需更改模板頁即可實現(xiàn)所有網(wǎng)頁風格的統(tǒng)一更改。同時為更好地隔離、管理需要登入權限才可訪問的網(wǎng)頁，設計“登入成功歡迎頁面”，以管理相關網(wǎng)頁的導航。

(1)模板頁1：用于未登入賬號即可訪問的網(wǎng)頁，模板頁從上往下由頁面頂部圖片、導航、內容頁占位符、版權信息等4部分組成。導航應有首頁、記錄查詢頁面、統(tǒng)計頁面、分析頁面、登入頁面、注冊頁面等的鏈接。

(2)模板頁2：用于需登入才能訪問的頁面，模板頁從上往下由頁面頂部圖片、導航、退出按鈕、內容頁占位符、版權信息5部分組成。導航包含首頁、登入頁面、注冊頁面等的鏈接。

(3)首頁：最新照片、最新記錄顯示表格。以表格的形式展示監(jiān)測點序號、時間、地點、野外調查人員、鳥種數(shù)、總數(shù)量、錄入時間等。

(4)登入成功歡迎頁面：登入成功后跳轉到此頁面，頁面有歡迎詞、用戶賬號管理頁面跳轉鏈接、記錄提交頁面跳轉鏈接、記錄管理頁面跳轉鏈接、記錄背書頁面跳轉鏈接等組成。用戶賬號管理、記錄提交、記錄管理、記錄背書等功能只有在登入的狀態(tài)下才可實現(xiàn)。

(5)記錄查詢頁面：有輸入設定地點、觀測開始和結束時間、野外調查人等條件的輸入編輯框，查詢按鈕，查詢全部快捷按鈕，顯示結果的表格。以表格的形式返回監(jiān)測點序號、時間、地點、野外調查人員、鳥種數(shù)、總數(shù)量等。

(6)鳥情統(tǒng)計頁面：有物種、觀測開始和結束時間、地點、野外調查人員等輸入編輯框，查詢按鈕，查詢全部快捷按鈕，顯示結果的表格。以表格的形式返回統(tǒng)計到的鳥種數(shù)、每一個被統(tǒng)計到的鳥種名稱、被記錄的次數(shù)、數(shù)量求和、單次數(shù)量最大值。當限定物種的時候，只返回該物種被統(tǒng)計到的信息。

(7)鳥情分析頁面：有物種、觀測開始和結束時間、地點、數(shù)據(jù)分類方式等信息的輸入編輯框，查詢按鈕，顯示熱力圖按鈕，關閉熱力圖按鈕，導出數(shù)據(jù)按鈕、地圖、折線圖、顯示結果的表格。以表格的形式返回物種名稱、時間、地點、經(jīng)緯度、數(shù)量等信息。以地圖的形式展示數(shù)量在空間中的分布情況。以折線圖的形式展現(xiàn)數(shù)量隨時間變化的情況。

(8)登入頁面：內容包括用戶名、密碼輸入編輯框，提交按鈕。

(9)新用戶注冊頁面：內容包括用戶名、密碼、確認密碼、郵箱等輸入編輯框，注冊按鈕，返回按鈕。用戶名支持唯一性驗證，自動檢驗密碼、確認密碼是否一致，自動檢查用戶名、密碼、確認密碼、郵箱、手機號、真實姓名是否為空，有空項將不予注冊，并以紅色字體顯示提示信息。

(10)用戶賬號管理頁面：依次顯示當前賬號的賬戶名、郵箱、手機號碼、電話號碼、工作單位或地址、通訊地址、真實姓名、昵稱、性別、其他信息，新郵箱、新手機號碼、新電話號碼、新工作單位或地址、新通訊地址、新真實姓名、新昵稱、性別、其他信息、新密碼、確認新密碼等更新編輯框，以及原密碼輸入編輯框，更新按鈕。

(11)記錄錄入頁面：包括觀測點信息輸入編輯框，提交觀測點信息按鈕，批量提交觀測點記錄選項框及按鈕，鳥情輸入編輯框，提交鳥情信息按鈕，批量提交鳥情記錄選項框及按鈕。

(12)記錄管理頁面：包括觀測點記錄管理表格(內含編輯、刪除按鈕)，鳥情記錄管理表格(內含編輯、刪除按鈕)。

(13)記錄背書頁面：包括記錄背書管理表格(內含背書按鈕)和適當說明文字。

3.3 視圖定義

為了簡化網(wǎng)頁代碼，便于網(wǎng)頁調用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對網(wǎng)頁中不同的表格在數(shù)據(jù)庫中分別定義專門的視圖。

(1)主頁視圖：綜合了觀測點表和鳥類記錄表的信息，增加了對物種的計數(shù)和對數(shù)量的求和，主要用于支持主頁記錄信息的展示及作為記錄查詢頁面查詢的數(shù)據(jù)源。

圖6 2015年冬季水鳥數(shù)量空間分布（部分截圖）Fig.6 Spatial Distribution of Waterbirds in Winter 2015 (Partial Screenshots)

圖7 2015年冬季水鳥數(shù)量時間分布（部分截圖）Fig.7 Time Distribution of Waterbirds in Winter 2015 (Partial Screenshots)注：“求和”即單位時間內所有記錄鳥類數(shù)量之和；“最大值”即單位時間內鳥類數(shù)量最多的那一條記錄的值；“平均值”即單位時間內所有記錄鳥類數(shù)量之和除以記錄條數(shù)。

(2)統(tǒng)計視圖：綜合了觀測點表和鳥類記錄表的信息，增加了對監(jiān)測點的計數(shù)，主要用于支持鳥情統(tǒng)計頁面，作為該頁數(shù)據(jù)查詢的數(shù)據(jù)源。

(3)分析視圖：綜合了鳥類物種基礎信息表、觀測點表和鳥類記錄表的信息，主要用于支持鳥情分析頁面，作為分析頁面數(shù)據(jù)查詢的數(shù)據(jù)源。

3.4 數(shù)據(jù)庫連接

網(wǎng)頁開發(fā)中，網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫的連接使用MySQL推出的MySQL Connector/Net組件，該組件是MySQL為ADO.NET訪問MySQL數(shù)據(jù)庫設計的.NET專用訪問組件(Oracle Corporation and/or its affiliates, 2018)。安裝完成該組件后，需要在項目中引用這個組件，在程序中引用命名空間MySql.Data.MySqlClient(Oracle Corporation and/or its affiliates, 2018;李波,2005)，然后可開始連接MySQL數(shù)據(jù)庫的操作。

4 實現(xiàn)與測試分析

在MySQL 5.6.21.1環(huán)境中構建數(shù)據(jù)庫，利用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)網(wǎng)頁，將網(wǎng)站部署到Internet信息服務（IIS 7.0），服務器操作系統(tǒng)可以為Windows Server 2003，部署好的系統(tǒng)便可以通過瀏覽器進行訪問。

以鄱陽湖國家級自然保護區(qū)大湖池、常湖池和朱市湖區(qū)域2015年10月至2016年3月、2016年10月至2017年3月兩個越冬期的水鳥調查數(shù)據(jù)為樣本，通過系統(tǒng)的“記錄錄入”頁面錄入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。通過“記錄查詢”頁面可以設置不同的調查時間、地點或調查人進行查詢。通過“鳥情統(tǒng)計”頁面可以設置不同的物種、調查時間、地點或調查人進行統(tǒng)計。通過“鳥情分析”頁面可以設置不同的物種、調查時間、地點進行分析，系統(tǒng)會將符合條件的記錄以表格形式列出，將鳥類數(shù)量隨空間的分布情況以熱力圖的形式顯示在地圖中(圖6)，將鳥類數(shù)量隨時間變化的情況以折線圖的形式顯示出來(圖7)。

5 結語

本文對水鳥信息管理與應用系統(tǒng)的整體結構、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)站內容、布局和與數(shù)據(jù)庫的連接等進行了詳細設計，經(jīng)編程實現(xiàn)，其中網(wǎng)站頁面的調試主要在搜狗高速瀏覽器(版本號：7.5.5.26904)上完成，并能夠有效運行。在“鳥情分析”頁面中，是基于百度地圖開發(fā)的水鳥數(shù)量隨空間分布情況的顯示功能，由于坐標系統(tǒng)轉換和熱力圖運算模塊性能不夠優(yōu)良，還存在熱點位置顯示偏差、樣本量較大時熱力圖刷新慢等問題，有待進一步研究和優(yōu)化。