馮 峻，羅正平，董云祥，王 銳，潘涌智

(1.云南省林木種苗工作總站，云南 昆明 650215；2.楚雄市林業(yè)和草原局，云南 楚雄 675000；3.云南省林業(yè)雙中心，云南 昆明 650224；4.西南林業(yè)大學(xué) 保護(hù)生物學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224)

日新月異的信息技術(shù)已成為推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力，在塑造國家發(fā)展新優(yōu)勢的作用中日趨突出[1]。切實(shí)推進(jìn)林業(yè)信息化建設(shè)，是林業(yè)融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的迫切需要，是發(fā)展現(xiàn)代林業(yè)的必然要求，是提升林業(yè)部門行政效能的重要舉措。信息資源的開發(fā)利用是林業(yè)信息化建設(shè)的核心[2]。

木秀于林，良種為本。林木良種是優(yōu)良遺傳基因的載體，林木良種基地是林木良種生產(chǎn)的主陣地[3]，種子園是由具有優(yōu)良遺傳特性的林木組成的人工林[4]，是良種選育、遺傳改良的林木良種生產(chǎn)基地。楚雄市紫溪山林場華山松種子園始建于1984年，是華山松良種生產(chǎn)基地，自2002年以來年均可為造林綠化、天然林保護(hù)、低效林改造等工程建設(shè)提供3 000 kg優(yōu)良華山松種子，在云南林業(yè)生態(tài)、產(chǎn)業(yè)建設(shè)中具有舉足輕重、不可替代的地位，2012年被國家林業(yè)局確定為第二批國家重點(diǎn)林木良種基地。紫溪山林場華山松種子園在多年的良種繁育、生產(chǎn)、經(jīng)營和管理工作中，積累了大量的工作資料，如各無性系配置圖、生長和結(jié)實(shí)情況、各類文檔資料等。由于技術(shù)人員流動(dòng)性大，信息化技術(shù)知識(shí)匱乏，數(shù)據(jù)更新困難，缺乏數(shù)字化、信息化管理，導(dǎo)致隨著工作量的增加出現(xiàn)重復(fù)建檔或漏建,個(gè)別小區(qū)圖紙丟失，造成良種的父本、母本無法追溯，無法建立良種檔案等情況，管理者和選育者很難全面了解各個(gè)種源、無性系的特性，束縛了遺傳改良工作的進(jìn)行，制約了良種生產(chǎn)工作的開展，不利于華山松種子園的持續(xù)發(fā)展。

因此，通過調(diào)查和整理紫溪山林場華山松種子園資源現(xiàn)狀，使用信息科學(xué)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源數(shù)據(jù)的開發(fā)、整合和利用，并構(gòu)建一個(gè)基于國際互聯(lián)網(wǎng)，集華山松種子園數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測管理于一體的可視化大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)平臺(tái)，以期為提高華山松種子園建設(shè)和管理水平提供技術(shù)支持，也為合理利用良種資源、推進(jìn)良種化進(jìn)程和種子園的科學(xué)規(guī)劃等提供幫助。

1 基本情況

楚雄市紫溪山林場華山松種子園位于紫溪山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，是國家重點(diǎn)林木良種基地，距楚雄市20 km，地處北緯24°58′58″～25°04′02″，東經(jīng)101°22′29″～101°26′7″，海拔2 200～2 400 m，地勢平緩，光照充足，屬北亞熱帶溫涼濕潤氣候，年均溫12 ℃，平均最高氣溫20 ℃，最低氣溫約-6 ℃，年降雨量1 000 mm，平均相對(duì)濕度達(dá)80%～85%，土壤為山地暗紅壤，總面積51 hm2。建園優(yōu)樹來自于楚雄、騰沖、南華、會(huì)澤、巍山和宜良等6個(gè)縣市，共129個(gè)無性系，采取無性系嫁接方式建立，采用完全隨機(jī)排列，其中：良種生產(chǎn)區(qū)26.67 hm2，半同胞子代測定林3.33 hm2，良種展示林21 hm2。

2 技術(shù)路線

2.1 資源調(diào)查和數(shù)據(jù)收集

2.1.1 資源情況調(diào)查

對(duì)種子園的6個(gè)種源129個(gè)無性系分別采用測高儀測定樹高和枝下高，圍徑尺測量胸徑，皮尺測定冠幅；統(tǒng)計(jì)各無性系的結(jié)實(shí)量；逐株查明病蟲害種類、數(shù)量、危害及損失等情況。

2.1.2種子園界線核準(zhǔn)

依據(jù)種子園內(nèi)各大區(qū)及小區(qū)的定位樁、邊界樁等，用GPS定位儀獲取該點(diǎn)經(jīng)緯度信息。用奧維互動(dòng)地圖等軟件的軌跡跟蹤功能，沿著各大區(qū)的邊界進(jìn)行線路調(diào)查，獲得各區(qū)的邊界信息，核準(zhǔn)種子園的界線。

2.1.3各無性系配置圖完善與保存株數(shù)調(diào)查

參考種子園各無性系現(xiàn)有配置圖，采用全園覆蓋、每個(gè)無性系逐株核準(zhǔn)的方式，以樹木存活的現(xiàn)況為依據(jù)來完善種子園各無性系配置圖和保存株數(shù)。

2.1.4檔案材料收集整理

按時(shí)間順序?qū)θA山松種子園自建園以來產(chǎn)生的文書、科技、數(shù)字和聲像等檔案進(jìn)行分類整理，并掃描收集存檔。

2.2 信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 信息系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于Flask技術(shù)作為本系統(tǒng)的開發(fā)框架，采用多客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)、瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)結(jié)合的模式，通過Werkzeug和Jinja2兩個(gè)核心函數(shù)庫，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)處理和安全方面的功能，使用Python編程語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，以Struts+Spring+Hibernat實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、資源層和基礎(chǔ)層等結(jié)構(gòu)，信息系統(tǒng)后臺(tái)使用Hibernate映射數(shù)據(jù)庫成為對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作就是對(duì)對(duì)象的操作。

2.2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)普遍采用N-Tier設(shè)計(jì)方式，分為用戶層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、資源層和基礎(chǔ)層。分層的目的是為了降低各層次間邏輯間的耦合，最大限度對(duì)邏輯進(jìn)行解耦，以提高系統(tǒng)擴(kuò)展性和靈活性；各層的開發(fā)可以更好地分離，便于分工協(xié)作，以提高整體開發(fā)效率。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall structure design

1)用戶層：為實(shí)現(xiàn)管理人員和育種工作者對(duì)華山松種子園信息管理、查詢、分析、利用等。

2)應(yīng)用層：通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，為華山松種子園信息系統(tǒng)的生長性狀、結(jié)實(shí)性狀、病蟲害、數(shù)據(jù)分析展示和檔案管理等模塊提供服務(wù)，可在客戶端、網(wǎng)站和其他應(yīng)用上表現(xiàn)出來，供用戶使用。

3)業(yè)務(wù)層：為滿足系統(tǒng)需要，提供數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、編輯、分析、管理、控制和交互等服務(wù)。

4)資源層：存儲(chǔ)華山松種子園地形圖、配制圖，各無性系生長、結(jié)實(shí)、病蟲害等，各類檔案資料等全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5)基礎(chǔ)層：支撐華山松種子園信息系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行的基礎(chǔ)功能，也是系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容，主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)、防火墻等。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過互聯(lián)網(wǎng)接入路由器，后接入服務(wù)器區(qū)域、內(nèi)部辦公網(wǎng)和Web，通過核心交換機(jī)訪問內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,既考慮了后期的擴(kuò)展、升級(jí)等需要，也預(yù)留了擴(kuò)容空間。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Network structure design

2.2.4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用Python編程語言來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)功能。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩層：第一層是基礎(chǔ)層，為華山松種子園信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，主要有基礎(chǔ)地理信息、柵格地圖、數(shù)字高程信息等；第二層是專業(yè)層，包括各無性系生長、結(jié)實(shí)、病蟲害、配置圖等數(shù)據(jù)及歷年的檔案資料等。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)通過建立索引關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，便于管理。以專業(yè)層建立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)為支撐，通過華山松種子園資源調(diào)查獲取成果數(shù)據(jù)，再通過年度更新資源數(shù)據(jù)逐年積累，實(shí)現(xiàn)華山松種子園信息系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范、部署、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃。

3 信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 用戶管理

該模塊主要用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以創(chuàng)建用戶名和對(duì)應(yīng)的登錄密碼，還可以錄入用戶的相關(guān)信息。主要操作是對(duì)用戶進(jìn)行增加、刪除、修改等(圖3)。

圖3 系統(tǒng)登錄界面Fig.3 System login interface

3.2 角色管理

該模塊主要用于系統(tǒng)權(quán)限控制，系統(tǒng)會(huì)預(yù)先設(shè)定管理員的角色，管理員具備最高權(quán)限的操作，可以看到系統(tǒng)內(nèi)所有的菜單。管理員用戶可以創(chuàng)建其他權(quán)限的角色數(shù)據(jù)。主要操作是對(duì)角色數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改等(圖4)。

圖4 角色管理界面Fig.4 Role management interface

3.3 菜單管理

該模塊主要用于創(chuàng)建系統(tǒng)內(nèi)菜單，也就是功能模塊的菜單。菜單通過角色權(quán)限控制用戶是否可見。系統(tǒng)會(huì)預(yù)設(shè)用戶管理、菜單管理、角色管理、文檔管理、無性系管理、無性系數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)菜單數(shù)據(jù)。主要操作是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改等(圖5)。

圖5 系統(tǒng)主界面Fig.5 System main interface

3.4 無性系數(shù)據(jù)管理

該模塊主要對(duì)華山松種子園內(nèi)所有無性系數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的信息管理，分為無性系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、種源地等，根據(jù)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可按年份錄入實(shí)時(shí)測量的生長數(shù)據(jù)，同時(shí)可以記錄多年的生長數(shù)據(jù)。主要可以進(jìn)行無性系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)新增、修改、刪除操作，對(duì)對(duì)應(yīng)的無性系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行年份生長數(shù)據(jù)的新增、刪除、修改等(圖6)。

圖6 無性系數(shù)據(jù)管理界面Fig.6 Clone data management interface

3.5 無性系數(shù)據(jù)展示分析

該模塊主要是用戶對(duì)無性系生長情況年份數(shù)據(jù)進(jìn)行圖標(biāo)分析(圖7)。

圖7 無性系數(shù)據(jù)展示界面Fig.7 Clone data display interface

3.6 文檔管理

該模塊主要用于對(duì)林場內(nèi)的文檔進(jìn)行分類管理，通過創(chuàng)建類別并在對(duì)應(yīng)類別下進(jìn)行文檔數(shù)據(jù)的創(chuàng)建。文檔支持上傳和下載等功能，主要可以進(jìn)行文件分類的新增、刪除、修改及對(duì)應(yīng)分類進(jìn)行文檔數(shù)據(jù)的新增、刪除、修改等操作(圖8)。

圖8 文檔管理界面Fig.8 Document management interface

4 討論

林木種子園是連接育種與育林的橋梁[5]，是良種繁育和生產(chǎn)的群體，是育種系統(tǒng)中主要的環(huán)節(jié)，是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)功能發(fā)揮及信息數(shù)據(jù)展示的核心[6]。楚雄市紫溪山林場華山松種子園是第一代無性系種子園，由種子生產(chǎn)區(qū)、子代測定區(qū)、良種示范區(qū)等功能區(qū)組成，多年來隨著華山松種子園遺傳改良工作的進(jìn)行，形成不同育種和生產(chǎn)群體，積累了大量表型數(shù)據(jù)。通過調(diào)查，獲得6 155個(gè)生長性狀數(shù)據(jù)、2 462個(gè)結(jié)實(shí)性狀數(shù)據(jù)、1 161個(gè)病蟲害性狀數(shù)據(jù)、500多份各類檔案資料和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，核準(zhǔn)了種子園的邊界，完善了種子園各無性系的配置圖，查清了各無性系的保存株數(shù)，全面摸清了種子園的家底。通過建立華山松種子園信息系統(tǒng)，將各類數(shù)據(jù)整理入庫、分類管理，實(shí)現(xiàn)圖文一體化，構(gòu)建統(tǒng)一的華山松種子園信息管理平臺(tái)，對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，對(duì)前期遺傳改良工作作出評(píng)價(jià)和評(píng)估[7]，可推進(jìn)華山松高世代種子園建設(shè)和育種工作發(fā)展，對(duì)制定華山松育種長期策略有重要的作用。

植物管理數(shù)字化是植物研究領(lǐng)域信息化的一種體現(xiàn)[8]，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可視化技術(shù)等，通過融合、分析、匯總、更新數(shù)字信息，建立信息管理系統(tǒng)，將華山松種子園各功能區(qū)、種源、無性系、檔案資料等各類信息資源以數(shù)字形式存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“群化”管理[9]，形成共享和應(yīng)用的完整體系，避免不必要的重復(fù)建檔，減少人力和物力消耗，可達(dá)到事半功倍的效果,使華山松種子園的管理更為科學(xué)、有效，進(jìn)而提升種子園的科技管理含量。

建立華山松種子園信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫規(guī)范與結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[10]。本系統(tǒng)基于Flask技術(shù)為開發(fā)框架，采用C/S與B/S相結(jié)合的模式，兼顧網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)用戶的需求，以網(wǎng)頁界面的形式提供給管理人員使用，將華山松種子園每個(gè)種源和無性系的樹高、胸徑、冠幅、結(jié)實(shí)量、病蟲害等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)種子園的配置圖落實(shí)到各功能區(qū)。管理人員通過系統(tǒng)查詢、導(dǎo)出、檢索、瀏覽等操作，可全面了解各個(gè)種源、無性系在種子園內(nèi)的資源分布、生長、結(jié)實(shí)、病蟲害等情況，也可通過后臺(tái)及時(shí)上傳、編輯各類數(shù)字信息，實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)，在提高管理效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種子園各類資源數(shù)據(jù)的分類管理與互操作等。一些學(xué)者將ArcGIS軟件平臺(tái)、二維碼、ASP等技術(shù)應(yīng)用到紅松、長白落葉松種子園及林木和花卉種質(zhì)資源管理中，利于種源的追溯和管理，提高了管理效率[11-13]，讓管理人員有明確的管理目標(biāo)、方向和操作路徑，能更好地共享和利用資源，提高種子園建設(shè)水平和管理效率，對(duì)種子園的發(fā)展有重要的意義。

5 結(jié)論

以Flask技術(shù)為開發(fā)框架，應(yīng)用Python編程語言，基于Internet 模式的楚雄市紫溪山林場華山松種子園信息系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)合理、操作靈活、功能全面、檢索高效、安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了集生長性狀、結(jié)實(shí)性狀、病蟲害性狀和各類檔案資料等為一體的華山松種子園信息管理系統(tǒng)，收集近1萬多份數(shù)據(jù)，全面系統(tǒng)地反映了種子園生產(chǎn)經(jīng)營全貌，實(shí)現(xiàn)多層次、立體式應(yīng)用數(shù)據(jù)表達(dá)一個(gè)種子園資源狀況、生產(chǎn)、經(jīng)營的目標(biāo)，提升了管理和決策效率，使種子園管理更加規(guī)范、全面和系統(tǒng)，為開展華山松育種材料的評(píng)價(jià)和選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了華山松遺傳改良的進(jìn)程，也為種子園的科學(xué)規(guī)劃和種質(zhì)資源的保護(hù)、管理與利用提供信息和新思路。