韋 維，梁星星，何應(yīng)會，蒙 芳，楊麗萍，劉曉蔚，陳健武，李軍集

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西特色經(jīng)濟(jì)林培育與利用重點實驗室廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室 廣西油茶良種與栽培工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和日益普及，視頻監(jiān)控、定位，傳感器和電子標(biāo)簽等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)已融入多個領(lǐng)域，推動生產(chǎn)與生活實現(xiàn)精準(zhǔn)化、高效化和智能化[1]。林木種質(zhì)資源是林木育種和改良的基礎(chǔ)，也是國家重要的戰(zhàn)略資源[2]。廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院于2017年開始構(gòu)建廣西國家林木種質(zhì)資源庫，已收集我國華南地區(qū)100多個樹種原生林木種質(zhì)資源以及國內(nèi)外引進(jìn)的種質(zhì)資源，現(xiàn)保存了大量優(yōu)良家系、優(yōu)良無性系、特異種質(zhì)和優(yōu)良單株。為提高種質(zhì)資源庫的種質(zhì)保存與創(chuàng)新能力，廣西林科院應(yīng)用傳感器、二維碼、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)及自動控制技術(shù)等構(gòu)建廣西國家林木種質(zhì)資源設(shè)施保存庫立體傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對接智能信息管理平臺，對種質(zhì)資源庫進(jìn)行實時監(jiān)測與調(diào)控，實現(xiàn)了種質(zhì)資源信息的高效管理，對廣西林木種質(zhì)資源有效保存和開發(fā)利用具有重要意義。

1 建設(shè)原則

廣西國家林木種質(zhì)資源庫樹種保存多，數(shù)據(jù)信息量大，且不同環(huán)境條件對種質(zhì)資源的保存情況和評價利用有影響。由于種質(zhì)資源數(shù)據(jù)管理具有特殊性，廣西國家林木種質(zhì)資源庫信息平臺遵循易用性、規(guī)范性、可靠性和擴(kuò)展性等原則[3]，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，采用可視化界面管理，數(shù)據(jù)安全可靠且可追溯，并具備擴(kuò)展開發(fā)的能力[2]。

2 總體構(gòu)架設(shè)計

林木種質(zhì)資源庫信息平臺集成林木種質(zhì)資源庫管理系統(tǒng)、生態(tài)因子管理系統(tǒng)、二維碼標(biāo)識系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，構(gòu)建設(shè)施保存庫立體傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對種質(zhì)保存環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和對資源引種、種質(zhì)資源保存、環(huán)境因子和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化管理。

平臺總體架構(gòu)包括5個層次，2個體系。感知層由傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，該層基于傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)等對林業(yè)主體、客體及環(huán)境進(jìn)行實時感知、識別與監(jiān)測；數(shù)據(jù)層保存感知層的傳輸數(shù)據(jù)，為平臺提供重要數(shù)據(jù)支撐；支撐層提供對應(yīng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)；應(yīng)用系統(tǒng)層集成各類管理系統(tǒng)，為各類業(yè)務(wù)提供一體化的管理服務(wù)；展示層通過WEB 和移動終端向用戶展示整個平臺[2-7]（圖1）。

圖1 平臺架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Platform architecture design

3 主要功能設(shè)計

3.1 感知層功能設(shè)計

感知層運用環(huán)境因子傳感器、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星定位、紅外感應(yīng)裝置和二維碼對資源庫環(huán)境因子進(jìn)行實時感知，對進(jìn)出人員進(jìn)行實時監(jiān)測，對進(jìn)出車輛車牌進(jìn)行實時識別，精準(zhǔn)定位保存種質(zhì)。

3.2 數(shù)據(jù)層功能設(shè)計

數(shù)據(jù)層由地理、氣象、土壤、視頻、引種和種質(zhì)資源庫等基礎(chǔ)庫、業(yè)務(wù)庫和三維模型庫及數(shù)據(jù)管理體系構(gòu)成，為平臺提供重要數(shù)據(jù)支撐。

3.3 支撐層功能設(shè)計

支撐層負(fù)責(zé)整個平臺的信息加工、數(shù)據(jù)處理、數(shù)表分析和通訊服務(wù)等，為平臺提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)、GIS 通用服務(wù)、資源目錄服務(wù)、信息檢索服務(wù)、遙感監(jiān)測服務(wù)、視頻監(jiān)測服務(wù)、實時通訊服務(wù)和安全認(rèn)證服務(wù)等。

3.4 應(yīng)用層功能設(shè)計

3.4.1 種質(zhì)資源管理

參 考LY/T 2192-2013[8]、LY/T 2417-2015[9]，將引種數(shù)據(jù)分為護(hù)照信息、分類檢索信息、基本描述信息、其他描述信息、保存單位信息和共享信息6大類，并在此基礎(chǔ)上細(xì)分管理。根據(jù)林木種質(zhì)資源調(diào)查方法[10]和各樹種性狀調(diào)查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，管理和更新種質(zhì)資源庫保存的每份種質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、管理措施、生長性狀和經(jīng)濟(jì)性狀等數(shù)據(jù)（表1）。功能設(shè)置、種質(zhì)資源生長性狀與經(jīng)濟(jì)性狀等指標(biāo)可根據(jù)需求單獨設(shè)置。

表1 種質(zhì)資源庫的數(shù)據(jù)分類Tab.1 Data classification of germplasm resource bank

3.4.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)監(jiān)測

利用種質(zhì)資源庫部署的溫度、濕度、光照、風(fēng)力、風(fēng)向和降雨量等傳感器，通過移動互聯(lián)網(wǎng)對生態(tài)因子進(jìn)行實時在線監(jiān)測，并傳輸數(shù)據(jù)。

3.4.3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

在種質(zhì)資源庫部署高清攝像頭和紅外感應(yīng)裝置，對種質(zhì)資源保存庫進(jìn)出車輛、人員和保存狀況進(jìn)行實時監(jiān)控（表2）。

表2 監(jiān)控設(shè)備功能Tab.2 Function of monitoring equipments

3.4.4 種質(zhì)溯源

采用二維碼技術(shù)對原地保存與資源庫保存的每份種質(zhì)進(jìn)行標(biāo)識，通過掃碼鏈接至平臺。

4 平臺實現(xiàn)

4.1 技術(shù)實現(xiàn)

平臺基于多層面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）、領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計及便于測試和擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，采用自主研發(fā)的WebGIS 平臺，可支持二、三維GIS 一體化。數(shù)據(jù)庫分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)分離庫，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MYSQL Community Server（開源），空間數(shù)據(jù)庫為PostGIS（遵循OpenGIS 規(guī)范）；服務(wù)端通過面向?qū)ο蟮腏AVA 語言實現(xiàn)功能，搭建多層次的系統(tǒng)架構(gòu)；前端應(yīng)用新一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)HT?ML5 及交互的圖型化技術(shù)Unity3D 展現(xiàn)。視頻數(shù)據(jù)傳輸基于RTMP 協(xié)議，氣象站數(shù)據(jù)傳輸基于RS-485總線。

4.2 平臺構(gòu)成

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在平臺構(gòu)建種質(zhì)資源管理系統(tǒng)、生態(tài)因子監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、二維碼追溯系統(tǒng)、動物識別系統(tǒng)和移動APP，以實現(xiàn)種質(zhì)資源庫的智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)來源的追溯和精準(zhǔn)管理（圖2）。

圖2 平臺主界面Fig.2 Main interface of platform

4.2.1 生態(tài)因子監(jiān)測系統(tǒng)

對實時傳輸回管理系統(tǒng)的溫度、濕度、光照、風(fēng)力、風(fēng)向、降水量、土壤濕度和負(fù)離子含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實時展示或按照一定周期（周、月、年）匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 生態(tài)因子監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Monitoring system of ecological factors

4.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

利用視頻監(jiān)控技術(shù)，實時監(jiān)測種質(zhì)資源庫車輛、人員進(jìn)出情況以及資源保存庫狀況，觀測重點植株，對接生態(tài)因子監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效提高種質(zhì)資源庫監(jiān)管、災(zāi)害監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)能力（圖4）。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)Fig.4 Remote monitoring system

4.2.3 種質(zhì)資源管理系統(tǒng)

研發(fā)了物種管理、庫區(qū)管理、生產(chǎn)管理、采集登記、保存登記、調(diào)查數(shù)據(jù)管理、測定評價和調(diào)查指標(biāo)分類等功能，實現(xiàn)林木種質(zhì)資源引種數(shù)據(jù)和種質(zhì)資源庫的動態(tài)更新和統(tǒng)計（圖5）。廣西國家林木種質(zhì)資源保存庫建庫面積為533.3 hm2，共收集熱帶和亞熱帶速生樹種、珍貴樹種、經(jīng)濟(jì)林樹種、觀賞樹種以及竹藤5 大類100 多個樹種5 463 份種質(zhì)，其中物種126份、種源161份、家系3 178份、無性系1 897份和品種229份，該系統(tǒng)可對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理。

圖5 種質(zhì)資源庫管理系統(tǒng)Fig.5 Management system of germplasm resource bank

4.2.4 二維碼追溯系統(tǒng)

二維碼可對接種質(zhì)資源管理系統(tǒng)，對植株進(jìn)行標(biāo)識后，通過“林木種質(zhì)資源管理系統(tǒng)”APP 掃碼實現(xiàn)對種質(zhì)資源庫保存植株來源的追溯（圖6）。

圖6 二維碼追溯Fig.6 QR code

4.2.5 移動管理系統(tǒng)

移動管理系統(tǒng)是本平臺的移動管理端，集成了種質(zhì)資源管理系統(tǒng)的主要功能、調(diào)查軌跡記錄和測量功能等，可在野外調(diào)查時完成數(shù)據(jù)采集、記錄和修訂（圖7）。

圖7 種質(zhì)資源庫移動管理系統(tǒng)Fig.7 Mobile management system of germplasm resource bank

4.2.6 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

可根據(jù)用戶需要，設(shè)置多因素對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成相關(guān)報告。

5 討論

隨著林木種質(zhì)資源種類和數(shù)量的增加，傳統(tǒng)種質(zhì)資源管理的局限性越發(fā)突出。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，推動著基因資源的高效管理。通過實踐，基于物聯(lián)網(wǎng)的廣西國家林木種質(zhì)資源庫可實現(xiàn)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理、環(huán)境因子數(shù)據(jù)的實時采集、種質(zhì)資源庫的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，并可準(zhǔn)確、快捷地生成各類統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，對種質(zhì)資源的保護(hù)和開發(fā)利用起到很好的支撐作用。下一步可集成種質(zhì)資源共享平臺和造林管理系統(tǒng)，推動種質(zhì)資源的交流與交換，加快優(yōu)質(zhì)林木種質(zhì)資源的創(chuàng)新與利用。