孫成忠,郝振國(guó),朱壽東,黃璐琦,張曉波,郭蘭萍
(1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039; 2. 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心,北京 100700)
地理信息技術(shù)在中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃研究中的應(yīng)用
孫成忠1,郝振國(guó)1,朱壽東2,黃璐琦2,張曉波2,郭蘭萍2
(1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039; 2. 中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心,北京 100700)
中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃對(duì)藥材生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。本文主要闡述了基于地理信息技術(shù)的中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析技術(shù)方法,并對(duì)中藥材生產(chǎn)區(qū)劃分析的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索性研究,即分析模型構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了中藥生產(chǎn)區(qū)劃分析地理信息系統(tǒng)(CMRPRGIS),為國(guó)家和省一級(jí)中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃劃分和產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃提供了新的技術(shù)手段。
地理信息技術(shù);最大信息熵;中藥資源品質(zhì)區(qū)劃;中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃
我國(guó)中藥資源區(qū)劃研究始于20世紀(jì)80年代,是基于全國(guó)第三次中藥資源普查成果而進(jìn)行的。研究確定了中藥區(qū)劃原則與方法,并對(duì)全國(guó)中藥資源區(qū)劃進(jìn)行了劃分,建立了我國(guó)的9個(gè)一級(jí)區(qū),28個(gè)二級(jí)區(qū)的中藥區(qū)劃格局[1];同時(shí)對(duì)中藥材適宜區(qū)分析的基本方法進(jìn)行了闡述。當(dāng)時(shí)由于技術(shù)的限制,還不能采用基于藥材生長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境因子進(jìn)行分析,只是依據(jù)中藥資源的普查成果、產(chǎn)量的分布等級(jí)與品質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合歷代本草的有關(guān)記載分析地道藥材的集中產(chǎn)區(qū),從產(chǎn)需狀況與生態(tài)、生產(chǎn)等因素分析其生態(tài)適宜區(qū)與布局,采用定性與定量相結(jié)合的方法劃定了40種藥材的適宜區(qū)[1]。中藥資源區(qū)劃的劃分對(duì)于藥材的引種和擴(kuò)種、開(kāi)發(fā)和保護(hù)瀕危藥材物種、促進(jìn)中藥材資源可持續(xù)利用都有非常重要的意義。20世紀(jì)90年代以后,隨著地理信息技術(shù)的引入和發(fā)展,中藥資源領(lǐng)域的眾多學(xué)者相繼開(kāi)展了中藥資源區(qū)劃的研究,在中藥資源區(qū)劃研究上取得了重要進(jìn)展和諸多成果[3-8]。進(jìn)入21世紀(jì),中藥資源產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,中藥資源賦予了新的含義,大量的中藥品種種植用于成分提取。中藥品質(zhì)及成分含量越來(lái)越受到生產(chǎn)企業(yè)的重視,因此,中藥資源品質(zhì)區(qū)劃的研究對(duì)中藥資源的產(chǎn)業(yè)布局具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃對(duì)藥材生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。本文在中藥生態(tài)分布區(qū)劃的基礎(chǔ)上,結(jié)合藥材的生長(zhǎng)分布情況和主要成分含量,利用地理信息技術(shù)對(duì)中藥材生產(chǎn)區(qū)劃分析的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索性研究,即區(qū)劃分析模型構(gòu)建;并以中藥材有效成分為基礎(chǔ),探索中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃技術(shù)和方法,為中藥材種植和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供技術(shù)支撐。
1. 地理信息技術(shù)
地理信息技術(shù)是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件的支持下,運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論,科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù),以提供規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息技術(shù)[2]。其特點(diǎn)為數(shù)據(jù)借助于圖形圖像來(lái)描述,屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理,具有空間分析、提煉挖掘數(shù)據(jù)成果等功能。地理信息技術(shù)已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)處理、集成和可視化最成功的技術(shù)之一,并作為空間信息技術(shù)處理的有效工具極大地推動(dòng)了空間信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
2. 最大熵模型
最大熵模型(maximum entropy,MaxEnt)是一個(gè)密度估計(jì)和物種分布預(yù)測(cè)模型,是以最大熵理論為基礎(chǔ)的一種選擇性方法。最大熵模型從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優(yōu)分布,首先確定特征空間,即確定物種已知分布區(qū)域;然后尋找限制物種分布的約束條件(環(huán)境變量),構(gòu)筑約束結(jié)合;最后建立二者之間的相互關(guān)系[9]。
2006年,Steven Phillips等[8]基于生態(tài)位理論,考慮了氣候、海拔、植被等環(huán)境因子,以最大熵模型原理作為統(tǒng)計(jì)推斷工具,構(gòu)建了物種地理尺度上空間分布的生態(tài)位模型,編寫(xiě)了MaxEnt軟件,用于預(yù)測(cè)物種的潛在地理分布。
3. 地理信息技術(shù)空間分析原理
利用地理信息空間分析技術(shù)能夠?qū)τ绊懰幉姆植己推焚|(zhì)形成的多因素進(jìn)行復(fù)合分析,從而對(duì)藥材的區(qū)劃進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。其中,空間分析技術(shù)主要包括柵格數(shù)據(jù)的空間分析技術(shù)和矢量數(shù)據(jù)的空間分析技術(shù)。在地理信息技術(shù)支持下:①可以利用GIS數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換功能將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型或系統(tǒng)規(guī)定的格式;②可以利用GIS空間分析(特別是空間疊加分析)和圖形顯示功能,研究各要素的空間分布特征及要素之間的關(guān)系;③可以利用GIS與外部程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能,對(duì)地理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作、分析;④可以利用GIS的數(shù)據(jù)分析功能,對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)提供可靠數(shù)值;⑤可以利用柵格分析功能和區(qū)劃分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行分區(qū),并利用GIS的圖形輸出功能輸入需要的地圖。
針對(duì)中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃的分析原理和區(qū)劃過(guò)程,中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)了中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析地理信息系統(tǒng)(geographic information system for Chinese medical resource production regionalization,CMRPRGIS)。該系統(tǒng)結(jié)合了GIS技術(shù)和區(qū)劃分析方法,可以快速實(shí)現(xiàn)基于藥材樣點(diǎn)和成分的生長(zhǎng)區(qū)劃、品質(zhì)區(qū)劃和生產(chǎn)區(qū)劃分析,為藥材區(qū)劃提供了新的技術(shù)手段。
中藥品質(zhì)的形成是一個(gè)綜合性的過(guò)程,中藥的生長(zhǎng)分布決定了品質(zhì)的形成,而自然環(huán)境又是影響分布和品質(zhì)的最重要因素。本文針對(duì)已經(jīng)建立質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的藥材,以藥材中的單一成分為目標(biāo)區(qū)劃,通過(guò)選擇影響藥材分布和品質(zhì)形成的環(huán)境因子數(shù)據(jù),利用最大熵模型(MaxEnt)計(jì)算環(huán)境因子對(duì)分布結(jié)果的貢獻(xiàn)率,即對(duì)眾多環(huán)境因子進(jìn)行篩選排序。在此基礎(chǔ)上,選擇品質(zhì)區(qū)劃指標(biāo),確定指標(biāo)范圍值,利用藥材成分與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)確定權(quán)重,建立品質(zhì)區(qū)劃模型。在品質(zhì)區(qū)劃和生產(chǎn)區(qū)劃的基礎(chǔ)上,制定分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行空間疊加建立生產(chǎn)區(qū)劃模型,最后利用土地利用數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。其中,樣品收集調(diào)查、區(qū)劃指標(biāo)選擇、指標(biāo)范圍值的確定、因子權(quán)重的計(jì)算、分析模型的建立、分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的制定等是影響區(qū)劃結(jié)果和科學(xué)性的關(guān)鍵。具體的研究路線如圖1所示。
圖1 區(qū)劃研究技術(shù)路線
整個(gè)研究主要分為以下4個(gè)過(guò)程:生長(zhǎng)區(qū)劃模型的建立、品質(zhì)區(qū)劃模型的建立、生產(chǎn)區(qū)劃模型的建立,以及中藥資源品質(zhì)區(qū)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃研究的關(guān)鍵問(wèn)題是區(qū)劃分析過(guò)程中的模型構(gòu)建,這是區(qū)劃分析的難點(diǎn)。區(qū)劃分析的主要過(guò)程是依據(jù)藥材實(shí)地調(diào)查的采樣點(diǎn)和樣品成分分析數(shù)據(jù),基于中藥資源空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣候因子數(shù)據(jù)(包括降水、氣溫等)、地形因子數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù),利用最大熵模型分析藥材的分布區(qū)劃。根據(jù)分布區(qū)劃中不同因子對(duì)藥材生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率,選取合理的分析指標(biāo),利用藥材成分和因子之間的相關(guān)性建立因子權(quán)重,采用柵格疊加的方式建立藥材的品質(zhì)區(qū)劃。在藥材分布區(qū)劃和品質(zhì)區(qū)劃的基礎(chǔ)上,分析出適合藥材種植的最適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。主要分析分析模型構(gòu)建如下:
1. 基于生態(tài)因子篩選的信息熵模型構(gòu)建
在眾多的環(huán)境因子中,選擇對(duì)品質(zhì)區(qū)劃有重要影響的環(huán)境因子指標(biāo),是進(jìn)行品質(zhì)區(qū)劃的基礎(chǔ)。依據(jù)分布區(qū)劃過(guò)程中產(chǎn)生的因子貢獻(xiàn)率數(shù)據(jù)并結(jié)合專家知識(shí)對(duì)因子進(jìn)行篩選,篩選工作利用MaxEnt軟件完成。在篩選中主要遵循兩個(gè)原則:①按照各個(gè)因子對(duì)最終結(jié)果的貢獻(xiàn)率大小,選擇貢獻(xiàn)率總和大于95%的因子;②兼顧氣溫、降水、地形、土壤類型、植被類型5大主要指標(biāo)。
2. 基于地理信息技術(shù)的生產(chǎn)區(qū)劃分析模型構(gòu)建
(1) 指標(biāo)范圍值的確定
區(qū)劃指標(biāo)范圍值的確定是保證品質(zhì)區(qū)劃質(zhì)量的基礎(chǔ),在確定環(huán)境因子后,需要確定藥材最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境因子的指標(biāo)值。根據(jù)MaxEnt軟件計(jì)算結(jié)果中環(huán)境適宜度對(duì)各個(gè)因子的響應(yīng)曲線及采樣點(diǎn)處的環(huán)境因子值兩個(gè)因素,確定各個(gè)因子的指標(biāo)值。
(2) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化模型構(gòu)建
由于不同的環(huán)境因子有不同的量綱,因此在進(jìn)行分析前必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究中對(duì)氣溫、降水等連續(xù)值采用絕對(duì)偏差中間值標(biāo)準(zhǔn)化方法,方法如下
式中,n為標(biāo)準(zhǔn)化后的值,取值范圍為0~99;mf為因子適宜指標(biāo)的中間值;X為因子值;Δ可表示為
對(duì)于植被類型、土壤類型等離散性數(shù)據(jù)則采用二值化標(biāo)準(zhǔn)化方法,即因子值等于指標(biāo)值的為0,反之為99。
(3) 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模型構(gòu)建
不同的環(huán)境指標(biāo)對(duì)成分形成的作用大小不同,因此,在計(jì)算中應(yīng)賦予不同的權(quán)重。本文指標(biāo)的權(quán)重根據(jù)不同藥材成分與不同環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)性來(lái)確定。相關(guān)性越強(qiáng)的因子權(quán)重越大,反之越小。權(quán)重確定采用相關(guān)系數(shù)排序打分法,同時(shí)要確保各個(gè)因子的權(quán)重之和為1。
(4) 品質(zhì)區(qū)劃模型構(gòu)建
根據(jù)以上步驟形成的環(huán)境指標(biāo)值和指標(biāo)的權(quán)重,利用地理信息技術(shù)中的空間分析方法,將賦予了權(quán)重的因子指標(biāo)進(jìn)行疊加分析,得到基于某個(gè)成分的空間分析模型,該模型在任一點(diǎn)上,都表現(xiàn)為與最優(yōu)生長(zhǎng)區(qū)的相似程度,用相似距離值的概念來(lái)表達(dá)。
(5) 生產(chǎn)區(qū)劃數(shù)據(jù)重分類分析模型構(gòu)建
生產(chǎn)區(qū)劃圖的建立首先需要對(duì)分布區(qū)劃和品質(zhì)區(qū)劃進(jìn)行分區(qū)。根據(jù)樣點(diǎn)處的生境適宜度和相似距離值,依據(jù)正態(tài)分布的原理,將分布區(qū)劃和品質(zhì)區(qū)劃依次劃分為最適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。
圖2 正態(tài)分布
1) 分區(qū)參考:依據(jù)正態(tài)分布的參數(shù)μ、δ,結(jié)合采樣點(diǎn)處的提取值,對(duì)分布區(qū)劃和品質(zhì)區(qū)劃進(jìn)行分區(qū)。
2) 分布區(qū)劃分區(qū):提取采樣點(diǎn)處的生境適宜度值,以提取結(jié)果中的最小值(min)作為適宜生長(zhǎng)和不適宜生長(zhǎng)的分界線。對(duì)于適宜生長(zhǎng)的區(qū)間,則以正態(tài)分布中的μ+δ為界分為次適宜區(qū)和最適宜區(qū),即[0,min]為不適宜區(qū),[min,μ+δ]為次適宜區(qū),[μ+δ,1]為最適宜區(qū)。
3) 品質(zhì)區(qū)劃分區(qū):提取采樣點(diǎn)處的品質(zhì)相似距離值,以提取值作為樣本,計(jì)算平均值(μ)和均方差(δ),進(jìn)而以μ、δ為依據(jù)劃分,即[0,μ]為最適宜區(qū),[μ,μ+δ]為次適宜區(qū),其余為不適宜區(qū)。
1. 中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析地理信息系統(tǒng)研發(fā)
依據(jù)前述的中藥資源區(qū)劃分析技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)研究,開(kāi)發(fā)了中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析地理信息系統(tǒng)(CMRPRGIS)。該系統(tǒng)結(jié)合GIS技術(shù)、軟件工程技術(shù),特別是空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),通過(guò)GIS組件的功能專門(mén)針對(duì)中藥材生產(chǎn)區(qū)劃定制開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)以.NET平臺(tái)為基礎(chǔ),采用C/S結(jié)構(gòu),以單機(jī)桌面模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的各個(gè)功能,從而為中藥資源區(qū)劃分析提供了良好的平臺(tái)。CMRPRGIS總體設(shè)計(jì)路線如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
CMRPRGIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)藥材樣品數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、基于屬性和空間位置的交互式查詢等功能。其功能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1) 圖層管理:圖層管理主要實(shí)現(xiàn)圖層的增加、刪除、樣式設(shè)置等。系統(tǒng)提供了加載SHP、Geodatabase、Grid、SDE等不同格式的圖層。
2) 圖形顯示:圖形顯示功能主要包括圖形的放大、縮小、移動(dòng)、顯示和關(guān)閉等。
3) 區(qū)劃分析:區(qū)劃分析作為該系統(tǒng)的核心功能,主要包括了生長(zhǎng)區(qū)劃、品質(zhì)區(qū)劃和生產(chǎn)區(qū)劃。該功能按照既定的技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)3種區(qū)劃圖的制作。
a. 生長(zhǎng)區(qū)劃:生長(zhǎng)區(qū)劃主要用于實(shí)現(xiàn)加載MaxEnt軟件的計(jì)算結(jié)果,顯示和輸出生長(zhǎng)區(qū)劃圖,并將區(qū)劃結(jié)果作為生產(chǎn)區(qū)劃的輸入文件進(jìn)行處理。
b. 品質(zhì)區(qū)劃:該區(qū)劃功能主要包括:根據(jù)采集點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)和樣品成分分析數(shù)據(jù)生成SHP文件、品質(zhì)區(qū)劃指標(biāo)選擇、因子標(biāo)準(zhǔn)化、權(quán)重計(jì)算、柵格計(jì)算,以及品質(zhì)區(qū)劃分區(qū)。
c. 生產(chǎn)區(qū)劃:生產(chǎn)區(qū)劃包括生產(chǎn)區(qū)劃圖的制作、屬性的查詢和結(jié)果的優(yōu)化處理等。
4) 空間查詢:空間查詢主要包括單純的屬性查詢、與空間位置有關(guān)的查詢、屬性和空間的聯(lián)合查詢等。
5) 數(shù)據(jù)編輯:實(shí)現(xiàn)與地圖的交互式操作,主要用于矢量數(shù)據(jù)的添加、刪除等更新操作。
6) 圖形輸出:根據(jù)實(shí)際需要輸出中藥材的生長(zhǎng)區(qū)劃圖、品質(zhì)區(qū)劃圖或生產(chǎn)區(qū)劃圖、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖表等。
2. 中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析地理信息系統(tǒng)應(yīng)用
利用CMRPRGIS系統(tǒng)對(duì)全國(guó)不同區(qū)域的20多個(gè)名貴中藥材品種進(jìn)行基于品質(zhì)的生產(chǎn)區(qū)劃分析,取得了很好的應(yīng)用效果。依據(jù)這些藥材實(shí)地調(diào)查采樣的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)和樣品成分分析數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取溫度數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、地形因子數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù),在分析系統(tǒng)中分析出每種藥材的分布區(qū)劃、品質(zhì)區(qū)劃和生產(chǎn)區(qū)劃,進(jìn)而按照分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù),分析出最適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。
基于地理信息技術(shù)的中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃分析通過(guò)將地理信息學(xué)、中藥資源學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)等多個(gè)學(xué)科相關(guān)的理論和方法有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了基于藥材品質(zhì)的生產(chǎn)區(qū)劃分析。該方法以藥材道地產(chǎn)區(qū)和主產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境因子與中藥成分之間的相關(guān)性為基礎(chǔ),通過(guò)因子篩選、標(biāo)準(zhǔn)化、權(quán)重等模型構(gòu)建,以科學(xué)分析方法來(lái)確定藥材的生產(chǎn)區(qū)劃,為指導(dǎo)道地藥材的規(guī)?;a(chǎn)提供了創(chuàng)新的思路。
CMRPRGIS系統(tǒng)研發(fā)是基于藥材成分與環(huán)境因子的關(guān)系,運(yùn)用組件化技術(shù),針對(duì)中藥材的生長(zhǎng)、品質(zhì)和生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的地理信息系統(tǒng),可以快速實(shí)現(xiàn)基于藥材采樣點(diǎn)和成分的生長(zhǎng)區(qū)劃、品質(zhì)區(qū)劃和生產(chǎn)區(qū)劃分析,為國(guó)家和省一級(jí)中藥資源生產(chǎn)區(qū)劃劃分和產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃提供新的技術(shù)手段。而由CMRPRGIS分析得出的中藥材分布、品質(zhì)和生產(chǎn)區(qū)劃的結(jié)果可以為藥材的開(kāi)發(fā)利用和引種栽培提供科學(xué)參考,對(duì)促進(jìn)我國(guó)中藥資源保護(hù)利用和開(kāi)發(fā)具有重要意義。
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SUN Chengzhong,HAO Zhenguo,ZHU Shoudong,HUANG Luqi,ZHANG Xiaobo,GUO Lanping
2016-07-22;
中央本級(jí)重大增減支項(xiàng)目(2060302)
孫成忠(1964—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要從事地理信息技術(shù)及行業(yè)GIS研究。E-mail:scz@casm.ac.cn
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10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0410.
P208
B
0494-0911(2016)12-0096-04
修回日期:2016-09-14