蔡音亭

(上海市九段沙濕地自然保護(hù)區(qū)管理事務(wù)中心，上海 200135)

記錄和監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物對(duì)保護(hù)物種和其生存環(huán)境至關(guān)重要，調(diào)查自然資源并建立檔案也是我國(guó)自然保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)的主要職責(zé)。鳥(niǎo)類(lèi)處于食物鏈的較高等級(jí)，其調(diào)查技術(shù)成熟、容易實(shí)施，常作為監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的指示生物，鳥(niǎo)類(lèi)也是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要類(lèi)群。長(zhǎng)期的鳥(niǎo)類(lèi)監(jiān)測(cè)在世界范圍內(nèi)的多個(gè)國(guó)家大規(guī)模開(kāi)展，如美國(guó)繁殖鳥(niǎo)類(lèi)調(diào)查(Hudson et al, 2017; Sauer et al, 2017)，英國(guó)普通鳥(niǎo)類(lèi)調(diào)查、繁殖鳥(niǎo)類(lèi)調(diào)查(Freeman et al, 2002)，西澳大利亞鸻鷸類(lèi)調(diào)查(Rogers et al, 2020)。調(diào)查數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)種群變化(Hudson et al, 2017; Sutherland et al, 2004)，確定保護(hù)的優(yōu)先次序，識(shí)別受威脅物種，探索基本的生態(tài)關(guān)系(Edwardset al, 2020)。我國(guó)的鳥(niǎo)類(lèi)監(jiān)測(cè)雖然起步較晚，但近20年也在不同地理尺度上實(shí)施，在全國(guó)尺度上，如全國(guó)陸生野生動(dòng)物資源調(diào)查(郜二虎等, 2014)，在區(qū)域尺度上，如中國(guó)沿海水鳥(niǎo)同步調(diào)查(China Coastal Waterbird Census Group et al., 2015)、上海市水鳥(niǎo)同步調(diào)查(裴恩樂(lè)等, 2012)，鳥(niǎo)類(lèi)分布的重要地點(diǎn)也自行組織調(diào)查，累積了大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)常儲(chǔ)存在多個(gè)文件中，傳統(tǒng)的文件處理環(huán)境難以方便地獲取所需數(shù)據(jù)，相同信息可能在幾個(gè)地方重復(fù)儲(chǔ)存，存在數(shù)據(jù)冗余和不一致問(wèn)題，數(shù)據(jù)錄入和初步統(tǒng)計(jì)中容易因?yàn)槿斯な韬霭l(fā)生錯(cuò)漏，結(jié)合監(jiān)測(cè)路線(xiàn)、物種信息統(tǒng)計(jì)匯總數(shù)據(jù)也不方便，需要開(kāi)發(fā)高效的系統(tǒng)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，為保護(hù)區(qū)管護(hù)水平提升和生物多樣性保護(hù)研究提供支持(陳志方等, 2012; 廖寶雄等, 2020)。

本研究結(jié)合多年水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)實(shí)踐，從濕地自然保護(hù)區(qū)管理需要出發(fā)，設(shè)計(jì)了濕地自然保護(hù)區(qū)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使用Windows版本的XAMPP軟件集成包和Tableau Desktop軟件，以My SQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，HTML和PHP編輯的Web頁(yè)面以及Tableau Desktop作為前端進(jìn)行系統(tǒng)初建，功能模塊設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了野外調(diào)查的實(shí)際情況和濕地水鳥(niǎo)群落特征。利用該系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理人員可以高效地錄入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)查信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢索查詢(xún)，系統(tǒng)高效生成并展示單次監(jiān)測(cè)報(bào)告和年度調(diào)查簡(jiǎn)報(bào)，提高了數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)的效率，保護(hù)區(qū)管理人員還能查詢(xún)?yōu)g覽不同時(shí)間范圍內(nèi)單個(gè)物種分布情況和數(shù)量信息的可視化展示。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濕地自然保護(hù)區(qū)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式和C/S(客戶(hù)端/服務(wù)器)模式結(jié)合的包括數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層三層的分布式結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層采用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，是系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)和核心，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)有關(guān)監(jiān)測(cè)記錄、物種和路線(xiàn)等信息。中間層為Web應(yīng)用服務(wù)層，用于接受用戶(hù)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)反饋處理結(jié)果。應(yīng)用層即表示層，B/S模式的表示層為瀏覽器，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器瀏覽監(jiān)測(cè)報(bào)告，C/S模式的表示層通過(guò)Tableau Desktop實(shí)現(xiàn)，Tableau與數(shù)據(jù)庫(kù)連接充當(dāng)前端可視化工具，用戶(hù)在篩選器選擇物種和監(jiān)測(cè)時(shí)間，查詢(xún)不同時(shí)間范圍內(nèi)單個(gè)物種分布情況和數(shù)量信息(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 system structure diagram

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的用戶(hù)定位為濕地自然保護(hù)區(qū)管理人員，系統(tǒng)用戶(hù)分為一般用戶(hù)和管理員用戶(hù)。一般用戶(hù)的權(quán)限主要為瀏覽和簡(jiǎn)單查詢(xún)，可以瀏覽單次監(jiān)測(cè)報(bào)告、年度監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)，查詢(xún)不同時(shí)間范圍內(nèi)單個(gè)物種分布情況和數(shù)量信息，管理員用戶(hù)可以更新、修改、刪除數(shù)據(jù)，在后臺(tái)用SQL語(yǔ)句靈活地執(zhí)行復(fù)雜的查詢(xún)。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)確定數(shù)據(jù)庫(kù)模式，概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它從用戶(hù)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)對(duì)系統(tǒng)建模，最終形成一個(gè)獨(dú)立于具體的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型。實(shí)體-聯(lián)系(E-R)數(shù)據(jù)模型提供了一種識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中表示的實(shí)體以及這些實(shí)體間如何關(guān)聯(lián)的方式(Silberschatz et al, 2021)。

濕地自然保護(hù)區(qū)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)一般采用沿固定路線(xiàn)觀(guān)察、直接計(jì)數(shù)鳥(niǎo)類(lèi)的方法開(kāi)展。數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)體包括監(jiān)測(cè)、物種和路線(xiàn)，實(shí)體間以記錄作為聯(lián)系(圖2)。

圖2 濕地自然保護(hù)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)體-聯(lián)系圖Fig.2 Entity-relationship diagram of the bird monitoring database of the wetland nature reserve

監(jiān)測(cè)實(shí)體的屬性主要包括監(jiān)測(cè)日期、主要調(diào)查人、其他調(diào)查人、數(shù)據(jù)審核人、天氣和監(jiān)測(cè)備注等。監(jiān)測(cè)日期是監(jiān)測(cè)實(shí)體的主鍵。調(diào)查人發(fā)現(xiàn)、識(shí)別物種的能力和數(shù)量估計(jì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響，野外調(diào)查常為兩人及以上共同開(kāi)展，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)實(shí)體時(shí)將主要調(diào)查人和其他調(diào)查人分兩個(gè)屬性記錄。如果在自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展常規(guī)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)的頻次多，無(wú)法保證所有的監(jiān)測(cè)都在“理想”的情況下進(jìn)行，可以在監(jiān)測(cè)備注記錄調(diào)查時(shí)遇到的異常，如因交通工具損壞、天氣突變等造成不能完成全部路線(xiàn)調(diào)查的情況，有助于后續(xù)數(shù)據(jù)匯總分析時(shí)處理異常值和分析原因。

路線(xiàn)實(shí)體的屬性主要包括監(jiān)測(cè)路線(xiàn)編號(hào)、監(jiān)測(cè)路線(xiàn)名、路線(xiàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)的經(jīng)緯度、路線(xiàn)長(zhǎng)度、生境類(lèi)型和路線(xiàn)備注等。監(jiān)測(cè)路線(xiàn)編號(hào)是路線(xiàn)實(shí)體的主鍵，監(jiān)測(cè)路線(xiàn)應(yīng)保持固定(上海市市場(chǎng)監(jiān)督管理局, 2019)。

物種實(shí)體的屬性主要包括物種編號(hào)、物種名、學(xué)名、目名、科名、IUCN保護(hù)等級(jí)(蔣志剛等, 2003)、國(guó)家陸生野生動(dòng)物重點(diǎn)保護(hù)等級(jí)、居留型、是否為水鳥(niǎo)、水鳥(niǎo)的生態(tài)類(lèi)群(陳家寬, 2003)、是否是中澳候鳥(niǎo)保護(hù)協(xié)定名錄中的候鳥(niǎo)、是否是中日候鳥(niǎo)保護(hù)協(xié)定名錄中的候鳥(niǎo)、首次發(fā)現(xiàn)時(shí)間、首次發(fā)現(xiàn)人和物種備注。物種名稱(chēng)和分類(lèi)以《中國(guó)鳥(niǎo)類(lèi)分類(lèi)與分布名錄(第三版)》(鄭光美, 2017)為準(zhǔn)。物種編號(hào)是物種實(shí)體的主鍵，在野外調(diào)查時(shí)遇到無(wú)法鑒定到具體物種的鳥(niǎo)，以能鑒定到的最小分類(lèi)單元記錄，如未識(shí)別鳥(niǎo)類(lèi)、未識(shí)別雁鴨類(lèi)、未識(shí)別銀鷗，也包含在物種實(shí)體中，以“未命名+野外能鑒定到的最小分類(lèi)單元”表示，統(tǒng)計(jì)類(lèi)群數(shù)量時(shí)，未鑒定到具體物種的記錄計(jì)算在內(nèi)，在統(tǒng)計(jì)物種數(shù)時(shí)不計(jì)算在內(nèi)。

記錄聯(lián)系的主要屬性包括記錄編號(hào)、物種名、數(shù)量、監(jiān)測(cè)日期、記錄時(shí)間、監(jiān)測(cè)路線(xiàn)名和記錄備注等。記錄聯(lián)系關(guān)聯(lián)了監(jiān)測(cè)、路線(xiàn)和物種實(shí)體，通過(guò)監(jiān)測(cè)日期與監(jiān)測(cè)實(shí)體關(guān)聯(lián)，通過(guò)監(jiān)測(cè)路線(xiàn)名與路線(xiàn)實(shí)體關(guān)聯(lián)，通過(guò)物種名與物種實(shí)體關(guān)聯(lián)。如果1次野外監(jiān)測(cè)在多日進(jìn)行，為了便于統(tǒng)計(jì)管理，將監(jiān)測(cè)開(kāi)始的日期記錄在監(jiān)測(cè)日期，監(jiān)測(cè)天數(shù)記錄在備注。記錄時(shí)間是記錄發(fā)生在1天內(nèi)的具體時(shí)間，潮位影響水鳥(niǎo)分布，利用監(jiān)測(cè)日期和記錄時(shí)間還可以查詢(xún)到調(diào)查時(shí)的潮位。許多鳥(niǎo)類(lèi)調(diào)查記錄表設(shè)計(jì)記錄各式信息，如亞種、成幼、彩色標(biāo)記、行為和與調(diào)查者的距離等，但在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，這些信息只會(huì)偶爾記錄，故設(shè)計(jì)將這些內(nèi)容記錄在備注，或者為專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查設(shè)計(jì)包含所需屬性的記錄聯(lián)系。

3 功能設(shè)計(jì)和初步實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)管理模塊和統(tǒng)計(jì)模塊。

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改、刪除和復(fù)雜查詢(xún)等功能，由管理員用戶(hù)完成。

My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)基于關(guān)系模型，用表的集合表示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,實(shí)體—聯(lián)系模型定義的概念模式映射到關(guān)系模式。每次監(jiān)測(cè)結(jié)束后更新記錄表，并將調(diào)查人、天氣和監(jiān)測(cè)日期等作為一個(gè)元組更新監(jiān)測(cè)表?，F(xiàn)在已有能利用移動(dòng)終端在野外記錄調(diào)查結(jié)果的網(wǎng)頁(yè)或應(yīng)用，但本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了盡量減少實(shí)地調(diào)查時(shí)做記錄花費(fèi)的時(shí)間，推薦調(diào)查人按自己慣用的方法在野外做記錄，工作結(jié)束后再將記錄輸入記錄表，存儲(chǔ)為CSV格式后導(dǎo)入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將物種表“物種名”屬性作為記錄表“物種名”屬性的外鍵約束，因此在記錄表錄入一條記錄時(shí)，該條記錄的“物種名”必須已經(jīng)在物種表的“物種名”屬性中存在。如果在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)水鳥(niǎo)物種新記錄，受該外鍵約束無(wú)法錄入，此時(shí)需要將新記錄的物種作為一個(gè)元組新增到物種表。另外，通過(guò)該外鍵約束條件也能發(fā)現(xiàn)物種名錄入錯(cuò)誤的情況。

3.2 統(tǒng)計(jì)分析模塊

瀏覽器/服務(wù)器模式的統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，利用PHP與后臺(tái)數(shù)據(jù)鏈接(陳志方等, 2016)，展示單次監(jiān)測(cè)報(bào)告和年度監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)?？蛻?hù)端/服務(wù)器模式通過(guò)Tableau Desktop與數(shù)據(jù)庫(kù)連接實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)利用篩選器選擇物種和監(jiān)測(cè)時(shí)間，查詢(xún)不同時(shí)間范圍內(nèi)單個(gè)物種分布情況和數(shù)量信息的可視化展示。

3.2.1 單次監(jiān)測(cè)報(bào)告 一次鳥(niǎo)類(lèi)監(jiān)測(cè)完成，數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)可以利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)查詢(xún)生成的單次監(jiān)測(cè)報(bào)告。報(bào)告的主要內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)日期、監(jiān)測(cè)人員、記錄到的鳥(niǎo)類(lèi)種類(lèi)數(shù)及數(shù)量、水鳥(niǎo)種類(lèi)數(shù)和數(shù)量，表格匯總各監(jiān)測(cè)路線(xiàn)記錄到的物種和數(shù)量(圖3)。

圖3 單次監(jiān)測(cè)報(bào)告示例Fig.3 Example of a single monitoring report

3.2.2 年度監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào) 年度監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)匯總1年內(nèi)的鳥(niǎo)類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括1年內(nèi)記錄到的鳥(niǎo)類(lèi)種類(lèi)、數(shù)量及時(shí)間動(dòng)態(tài)、不同生態(tài)類(lèi)群水鳥(niǎo)(雁鴨類(lèi)、鸻鷸類(lèi)、鷗科鳥(niǎo)類(lèi)和鷺科鳥(niǎo)類(lèi))的數(shù)量及時(shí)間動(dòng)態(tài)，圖表展示選用ECharts圖表庫(kù)(賈天琳, 2018)，還可以包括本年內(nèi)鳥(niǎo)類(lèi)新記錄、重點(diǎn)保護(hù)和珍稀瀕危鳥(niǎo)類(lèi)情況及鳥(niǎo)類(lèi)名錄等(圖4)。

圖4 年度監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)示例Fig.4 Example of briefannual monitoring report

3.2.3 物種記錄情況 Tableau Desktop數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能用儀表盤(pán)同時(shí)展示有關(guān)單個(gè)物種監(jiān)測(cè)結(jié)果的幾個(gè)統(tǒng)計(jì)圖表。用戶(hù)可以通過(guò)篩選器選擇物種和監(jiān)測(cè)時(shí)間，查詢(xún)不同時(shí)間范圍內(nèi)單個(gè)物種分布情況和數(shù)量信息。統(tǒng)計(jì)圖包括每次調(diào)查記錄到所查詢(xún)物種的數(shù)量、物種分布圖、在各條監(jiān)測(cè)路線(xiàn)遇見(jiàn)的頻次等。物種分布圖上，圓形的面積示意監(jiān)測(cè)到的相對(duì)數(shù)量(圖5)。

圖5 可視化物種記錄情況示例Fig.5 Example of visualized species records

4 結(jié)語(yǔ)

本研究從濕地自然保護(hù)區(qū)管理的需要出發(fā)，設(shè)計(jì)的水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以提高工作人員錄入和統(tǒng)計(jì)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的效率，方便檢索監(jiān)測(cè)結(jié)果。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和初建針對(duì)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但也可作為利用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和前端管理其他生物類(lèi)群或環(huán)境因子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的參考。

本研究中的數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)體和聯(lián)系的屬性只包括了在濕地自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)時(shí)需常規(guī)記錄的內(nèi)容，如果要實(shí)現(xiàn)特定的調(diào)查目標(biāo)，可以根據(jù)需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中增加表或?qū)傩?，如?1)添加彩色標(biāo)記觀(guān)測(cè)表，屬性包括監(jiān)測(cè)日期、監(jiān)測(cè)路線(xiàn)、彩色標(biāo)記類(lèi)型(旗標(biāo)、頸環(huán)和鼻環(huán)等)、顏色和編號(hào)等；(2)利用距離計(jì)算水鳥(niǎo)豐度時(shí)，可以在記錄實(shí)體增加“距離”屬性；(3)野外調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)記錄的移動(dòng)軌跡和拍攝的照片也可作為監(jiān)測(cè)實(shí)體的非格式內(nèi)容存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的用戶(hù)定位為自然保護(hù)區(qū)管理人員，未來(lái)可以更新設(shè)計(jì)開(kāi)放給包括公眾在內(nèi)的更多用戶(hù)，把數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為共享監(jiān)測(cè)信息的平臺(tái)。鳥(niǎo)類(lèi)研究人員和觀(guān)鳥(niǎo)愛(ài)好者也可參考本設(shè)計(jì)，利用My SQL建立滿(mǎn)足自己需要的鳥(niǎo)類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)。