基于GIS的中国山羊品种资源管理系统研制

2011-06-04姜勋平蔡忠亮

中国草食动物科学 2011年4期

吴诗，姜勋平，蔡忠亮

（1.华中农业大学动物科技学院，湖北武汉 430070；2.武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系，湖北武汉 430079）

1 引言

中国是世界上山羊品种资源最丰富的国家，也是世界上山羊饲养量最多的国家，总量约1.5亿头。有记录的地方山羊品种43个，培育品种4个，其中22个品种列入中国羊品种志。

我国的山羊品种分布于中国全境，范围非常广泛，北至黑龙江，南至海南岛，东到黄海边，西达青藏高原。山羊适应性极好，不管是在高山深谷和高温高湿的南方，还是在荒漠沙滩和严寒干旱的北方，都有山羊的分布，并是当地农牧民的重要生产和生活资料。由于全国各地自然生态和生产条件差别极为悬殊，山羊在千差万别的生境中逐步形成了各具遗传特色、体型外貌特征和生产性能的固有品种［1］。目前有记录的地方山羊品种有43个，如辽宁绒山羊、海南雷州山羊、西藏山羊、长江三角州白山羊、两湖马头山羊等；还有许多地方种群尚无系统研究和记载。

针对传统的山羊品种资源管理方式，只能通过字面或者图片直观地了解中国山羊的品种资源情况，然而这种方式更新速度较慢，查询也比较繁琐。随着信息技术的快速发展，已经无法满足广大养羊户和专业人士的需求，迫切需要建立一个现代化的管理系统来满足生产及科研对品种资源信息管理及其应用服务的需求。地理信息系统（geography information system，GIS）是一种集地理空间特征和各种统计信息为一体的特殊信息系统，具有对（地理空间及专题空间）数据进行管理、分析及可视化的有力工具［2］。而山羊品种分布具有明显的地理区域特征，采用GIS技术进行山羊信息资源管理则是一种非常行之有效的方法，目前，国内尚未出现基于GIS的山羊遗传资源信息管理系统。

地理信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统发生、发展及其演化规律，从而实现资源、环境与社会的宏观调控。美国联邦数字地图协调委员会（federal interagency coordinating committee on digital cartography，FICCDC）对于GIS的定义是：“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题［2］”。随着科学技术的进步，GIS的应用也越来越多，广泛出现在生活科技的各个方面。在农业科技方面，应用GIS也可以解决很多实际的问题，可以应用地理信息系统建立农业资源数据库，利用GIS进行农业生产管理和辅助决策。在国外，也已经出现了一些在精准农业应用中的软件，包括农田边界图管理、土壤肥力管理、产量分布图管理分析和GIS制图等［1］。

农业专家系统（expert system，ES）是一类能够模拟人类推理过程，并通过计算机形象直观地向用户提供农业生产问题的软件。与人类专家相比，它拥有综合性的知识和高速处理知识的本领，且不受时间、空间的限制和人类情感的影响［3］。同时，农业专家系统还可以将各类农业信息和农业知识通过网络技术保存和传播出去，甚至将一些分散的、局部性的单项技术整合起来，形成一套完整的计算机决策技术体系，促进农业生产。

因此，针对全国范围内的山羊地理分布特征，作者以地理信息系统的资源管理、空间建模与分析、信息可视化等功能为支撑，建立具有智能推理与决策支持功能的中国地方山羊品种资源管理系统，实现对山羊资源信息的管理、建模、分析及可视化。本论文以GIS和Internet技术为技术支撑，建立面向山羊资源信息管理的数据库，并采用VB.NET、ASP等技术设计与开发系统，实现对空间数据与山羊相关的专题数据管理、信息查询与分析、制图可视化等功能。

2 系统设计的基础

2.1 B/S架构本系统采用了目前应用比较广泛的B/S三层体系结构。通常来说，将C/S结构称之为胖客户端工作模式，即客户机/服务器（client/server）两层结构模式，这种模式是将数据统一存储在服务器上，而相关的交互业务都在客户端实现，当扩展到广域网的时候，这种模式就难以管理庞大的客户端机群。B/S结构则称瘦客户端工作模式，它是将原来属于客户端的交互业务独立出来，与数据库服务器中的存储过程相合并形成一个单独的应用层（如图1所示）。这样，就提高了系统的灵活性和计算能力。

B/S结构的客户端采用具有交互功能的浏览器，用户通过互联网，可以在任何地方进行操作而又不用安装任何专门的软件，只要有1台可以上网的电脑就行，减轻了客户的业务压力，客户端零维护。除此之外，B/S架构的软件成本也较低，同时由于客户端的零维护，便于我对系统进行维护和升级。

图1 三层B/S结构体系的基本结构

2.2 WebGIS技术

2.2.1 WebGIS Internet的发展也伴随着GIS技术的进一步应用，在Web基础上，GIS功能也得到了有力延伸，通过网络应运而生WebGIS。WebGIS广义上说就是基于网络的地理信息系统，一般由3部分组成：Web GIS浏览器（browser）、WebGIS 信息代理（information agent）、Web GIS服务器［4］（如图2所示）。

2.2.2 开源GIS 随着GIS的发展，有关GIS的各种软件也是层出不穷，功能也是越来越齐全。然而就目前的形势来看，这些软件大多价格昂贵，一般作为商业用途，并不是所有的科研机构都能够承受。自上世纪90年代，开源思想广泛渗透到GIS领域，国内外许多科研院所相继开发出开源GIS，相对于传统的GIS软件，基于开源平台的GIS，不仅仅是免费和开放的，用户还可以根据自己的需要增加功能，此外，开源GIS大多可进行跨平台开发，这对各种系统的开发带来了更大的便利，具有很明显的优势［5］。

图2 WebGIS基本结构

本系统的开发采用的GIS技术是通过MapEasy技术来实现数字地图的发布，它是一种基于开源平台下的WebGIS技术。

一般来说，传统的WebGIS技术在实现数字地图的时候，是由服务器端的GIS服务器生成，而这种方法客户端每向服务器请求一次，服务器都要重新生成地图图片，然后发送给客户端，使得服务器的负载加重，同时反应速度也会很慢［6］。MapEasy利用了地图的预生成技术和 Ajax（asynchronous javascript and XML）技术，通过大概基本的几千行代码形成了一个类似GoogleMap的客户端JavaScript开源库，可实现最基本的数字地图功能和简单的地物标注等功能，一个轻量级的客户端JS库，不需要任何插件，并且与后台数据的获取方式完全分离［7］。

2.3 系统开发的环境本系统设计与开发环境为：采用Microsoft IIS为Web服务器，开发工具是Microsoft Visual Studio 2005为程序开发环境，ASP.NET和VB.NET为开发语言，Microsoft SQL Server 2000为数据库平台。

3 系统的设计与实现

3.1 系统的总体设计路线本研究综合运用动物学、地理信息系统以及计算机等相关的理论与技术方法，设计并实现了基于GIS的中国地方山羊品种资源管理系统，其技术路线如图3所示：

3.2 系统的需求分析首先，在设计本系统的时候所要处理的最主要目标是山羊品种的资料，因此关于数据的采集和数据库的设计显得格外重要。同时，由于目前可能出现的数据变动，如未知新品种的发现，生物的选择性变异可能导致的形态学变化，一些非人为原因导致的品种地理学的变迁等，系统的升级和维护也显得较为重要，在设计之前就应该考虑到这些问题，在设计数据库的时候尽量考虑完全。

图3 系统技术路线

其实，系统在设计的时候，要考虑到本系统面对的用户和需要实现的功能，包括地图的查询、物种的地理标注等，设计出系统的主要框架，在设计上力求做到操作简单，界面友好。

3.3 数据分析与处理我国土地辽阔，山羊品种丰富，通过查询各种资料，在全国23个普通行政区、5个民族自治区和4个直辖市，总结了43个山羊地方品种。其中一些地方品种在几个省份都存在，如太行山羊在河北省、山西省和河南省都有记载，四川省、贵州省和陕西省都有板角山羊的记载等。而有些省份，由于受地区环境的限制，也同时存在几种山羊品种，如四川省和云南省就有7种品种之多［8］。

通过省份将不同山羊品种进行划分，整理数据如下：

1）民族自治区：①内蒙古自治区：内蒙古绒山羊，中卫山羊；②广西壮族自治区：隆林山羊，都安山羊；③宁夏回族自治区：中卫山羊；④新疆维吾尔自治区：新疆山羊；⑤西藏自治区：西藏山羊。

2）普通行政区：①河北省：太行山羊，承德无角山羊；②山西省：太行山羊，吕梁黑山羊；③辽宁省：辽宁绒山羊；④江苏省：黄淮山羊，长江三角洲白山羊；⑤浙江省：长江三角洲白山羊；⑥安徽省：黄淮山羊；⑦福建省：福清山羊，戴云山羊；⑧江西省：赣西山羊，广丰山羊；⑨山东省：济宁青山羊，沂蒙黑山羊，鲁北白山羊；⑩河南省：太行山羊，黄淮山羊，伏牛白山羊；[11]湖北省：马头山羊，宜昌白山羊；[12]湖南省：马头山羊，湘东黑山羊；[13]广东省：雷州山羊；[14]海南省：雷州山羊；[15]四川省：成都麻羊，建昌黑山羊，板角山羊，白玉黑山羊，雅安奶山羊，古欗马羊，川东白山羊；[16]贵州省：板角山羊，贵州白山羊；[17]云南省：凤庆无角黑山羊，圭山山羊，临沧长毛山羊，龙陵山羊，马关无角山羊，云岭山羊，昭通山羊；[18]陕西省：陕南白山羊，板角山羊，子午岭黑山羊；[19]甘肃省：河西绒山羊，中卫山羊，子午岭黑山羊；[20]青海省：柴达木山羊。

3）直辖市：①上海市：长江三角洲白山羊；②重庆市：川东白山羊。

3.4 数据库设计与建立本系统的数据库包括两个，本系统采用开源GIS的技术，通过Mapeasy现有的代码技术，根据国家基础地理信息中心提供的全国1∶400万电子地图为基础，建立起来空间数据库。属性数据库主要包括用户信息、山羊基本数据和图片信息。包括以下几个数据库：用户数据库（pzglDb_Users），其结构如图4；山羊基本情况数据库（pzglDb_Goat），其结构如图5；山羊图片数据库（pzglDb_ImageData），其结构如图6。

图4 用户

图5 山羊基本信息

图6 山羊图片

3.5 系统功能结构设计根据系统的需求分析，给出了系统需要实现的功能，将这些功能划分成几个模块实现，具体包括以下几个模块：用户登陆子系统、地图服务、数据管理系统、系统管理子系统。这几个系统在功能上是独立的，如图7所示。

图7 系统功能结构

3.6 系统功能和试验网站本系统在设计完成之后，建立了试验网站（http：//evo.hzau.edu.cn/），可以实现网络地图的一些通用功能，包括：①地图缩放：对所要显示的空间数据进行缩小和放大；②视图漫游：对所显示的空间数据进行上下左右漫游；③新建图层：加入不同内容或者更加精确的图层；④删除图层：删除不需要的图层；⑤点位标注：将不同地区的山羊标注到地图上；⑥专题数据的双向查询：指属性到空间位置的查询及空间位置到属性的双向查询功能，即通过输入山羊称或地区位置等属性信息自动定位并显示山羊所在地图上的位置，或通过鼠标点击不同的地理位置显示山羊相关属性信息等（图 8，9）。

此外，还可以实现山羊品种的查询功能，实现在地图上的可视化，羊业用户和羊业养殖户通过互联网足不出户就掌握到这些信息，为羊场的建设和选种带来便捷。

图8 山羊资源分布系统主界面

图9 山羊信息显示界面

4 结语

本系统以计算机技术为基础，以地理信息技术和网络技术为支撑而建成，建成后的种质资源管理系统又具有地理信息的新特征。建立在GIS基础上的山羊资源管理系统，为生产管理者带来便捷，引导羊业养殖者在建场选址和品种选择上有序进行。随着网络技术和科学技术的进一步发展，该系统也将进一步升级和完善，根据建立起来的种质资源库，整合山羊疾病的评估系统，对系统的功能进一步实现和完善，以适应生产的需求，从而更好为提高养羊业的经济效益服务。

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