馬衛(wèi)峰，孫冠楠，張小波，王哲，朱壽東，郭蘭萍*

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

專 稿

中藥資源普查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(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)科學院 中藥資源中心，北京 100700；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院，北京 100025；3.長春中醫(yī)藥大學 藥學院，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，野外調查內(nèi)容多，工作量大，再加上野外環(huán)境復雜，因此，野外調查工作往往難度較大，調查成本較高。本文設計并實現(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和GIS技術，提高調查效率和質量。該系統(tǒng)采用4層軟件架構模式，實現(xiàn)了地圖基本操作、地圖導航、圖層控制、調查點查看、信息采集等功能，能夠為第四次全國中藥資源普查野外調查工作提供強有力的技術支撐。

中藥資源、野外調查系統(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)展的重要物質基礎，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，為了促進中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展，必須加強中藥資源保護，其中中藥資源調查是資源保護的前提和基礎[2]。數(shù)據(jù)采集是中藥資源調查中取得野外數(shù)據(jù)的基礎工作，是野外科學調查工作的關鍵環(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繪精度不高；(2)調查人員填寫紙質表格工作量較大，且不便于查閱；(3)調查表格之間的邏輯關系復雜，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60年代以來，空間信息技術以其快速、方便、高效的優(yōu)勢，被廣泛應用于社會和國民經(jīng)濟的各個方面，尤其是在測繪、地質調查以及資源調查工作中應用最為全面[3-4]。隨著嵌入式技術的發(fā)展，空間信息技術也逐步向移動式、便攜式的方向延伸和發(fā)展，并取得了重大的進步。移動GIS的出現(xiàn)，為提高野外調查工作的效率和質量帶來了重要的技術支持。各行各業(yè)都積極研究和發(fā)展基于PDA、平板電腦等移動設備的業(yè)務調查系統(tǒng)[5-7]。

本文針對全國第四次中藥資源普查的目標[8]設計了基于移動GIS技術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規(guī)范中對普查對象及內(nèi)容的相關規(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)學特點，我們以不同生態(tài)因素做基礎劃分了植物生態(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，包括反應藥用植物整體形態(tài)的信息，以及反應藥用植物入藥部位形態(tài)的信息；(3)植物特征信息：即反應藥用植物局部，如根、莖、葉、花、果實和種子等形態(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)框架設計

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、基礎組件層、應用層。下層為上層的基礎，為其提供接口，最終通過應用層實現(xiàn)用戶需要的各項功能。上層將采集的數(shù)據(jù)進行一定的加工，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)架構圖

數(shù)據(jù)存儲層是整個系統(tǒng)的基礎。它負責對系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)，以及普查隊員采集到的調查結果進行統(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)進行存儲和組織。數(shù)據(jù)存儲層主要包括：(1)地圖庫，存儲調查區(qū)的高分辨率遙感影像、行政區(qū)劃矢量等數(shù)據(jù)，用于導航等；(2)樣方庫，存儲調查目標區(qū)域位置的矢量數(shù)據(jù)，包括樣地、樣方套等調查單元；(3)調查結果庫，存儲調查結果表格數(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)層與基礎組件層、應用層，負責系統(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。

基礎組件層是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，進行歸納，將基礎的、共用的功能進行統(tǒng)一的設計和封裝，形成相應的接口，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查樣方屬性表及調查結果的操作，實現(xiàn)對二維表數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準化處理。

應用層包含了最終面向普查隊員的各項功能，是整個系統(tǒng)的核心。根據(jù)中藥資源野外調查工作的需求，應用層主要包括四類功能：數(shù)據(jù)同步、地圖及導航應用、數(shù)據(jù)填報、多媒體信息采集。數(shù)據(jù)同步，主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設備與電腦的連接，完成調查任務數(shù)據(jù)、調查區(qū)地理數(shù)據(jù)的下載，以及調查結果的上傳功能。地圖及導航應用實現(xiàn)了對地圖的交互式操作、查詢、實時定位以及導航等功能，輔助普查隊員快速、準確的到達調查目的地，并記錄調查點坐標。數(shù)據(jù)填報，根據(jù)《全國中藥資源普查技術規(guī)范》，設計相應的電子表格，實現(xiàn)數(shù)字填報，并將填報內(nèi)容與地理位置、多媒體信息關聯(lián)。多媒體信息采集負責調用數(shù)據(jù)采集設備上的音頻、視頻采集設備，完成照相、攝像、錄音等功能。

3 系統(tǒng)業(yè)務流程

首先，通過系統(tǒng)導航到達指定的代表區(qū)域和樣地，并布設樣方套，其次在代表區(qū)域內(nèi)支持植物信息、重量信息的填報；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；最后在樣方內(nèi)支持藥用植物數(shù)量和重量信息的填報。

3.1 導航

通過選擇需要調查的代表區(qū)域及樣地，系統(tǒng)實時獲取當前的經(jīng)緯度和海拔，以及樣地的方向和距離，最終由系統(tǒng)引導到達指定的目的地，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，并實時記錄當前位置的經(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。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)境復雜、條件差，并且待調查的目的地往往離出發(fā)地較遠，因此，需要要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的運行效率和穩(wěn)定性，保證在野外順利、穩(wěn)定、高效地開展調查工作。同時考慮到設備的生產(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、流暢運行，提高調查效率。為了滿足調查的精度要求，硬件GPS實時定位精度設計在3-5米左右。此外，為了保證系統(tǒng)在野外惡劣環(huán)境下安全運行，PDA具備防水、防塵、防震的能力?？紤]到野外調查工作時間長，又無電源供給，因此還要求PDA設備具備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，難以適應新形勢下信息化發(fā)展的需求；調查內(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查的實際需求，具有豐富的采集內(nèi)容和清晰的業(yè)務流程，并將空間信息技術應用于野外調查工作中，提高了調查的效率和質量，降低了調查成本，為第四次全國中藥資源普查工作提供了重要的技術支撐。

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

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[9] 郭蘭萍.第四次全國中藥資源普查的實施準備[J].中國現(xiàn)代中藥，2009，11(2)：3.

[10] 張新時，侯學煜.中華人民共和國植被圖[M].北京：地質出版社，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(201207002)；中醫(yī)藥部門公共衛(wèi)生專項(財社[2011]-76)；中醫(yī)藥全國性專款(ZZYZK2012科技司A002)

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