基于WebGIS的长白山植物资源与质量信息系统构建1)

张 达 朱卫红 朴东范

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室(延边大学)，延吉，133002) (延边大学)

长白山位于吉林省东南部地区，是中、朝两国界山。是图们江、鸭绿江、松花江的三江发源地。长白山植物资源十分丰富，是中国秦岭以北唯一一处生物多样性保护的关键区域，是欧亚大陆东部植物种类最集中的地区之一［1］。这些植物或用材，或入药，或食用，具有极高的经济和科研价值。

地理信息系统(geographic information system，GIS)是近20 a来新兴的一门集地理学、计算机、遥感技术和地图学于一体的边缘学科，是一种集数据采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息于一体的计算机系统。随着Internet技术的发展，地理信息系统出现了一种新形式——WebGIS(网络地理信息系统)。WebGIS模式使GIS从面向数据管理跨入面向空间数据服务，使GIS从部门级、企业级应用拓展至社会化的广泛应用［2］。WebGIS技术应用于植物信息的管理与共享已有很多先例，龙腾芳建立了基于WebGIS的粤北野生植物资源信息系统，实现了信息的查询检索与分类统计功能［3］;翁梅等［4］建立了基于GIS技术的河南省重点保护植物管理信息系统。针对长白山地区，虽然刘贵富等［5］已经建立了长白山野生经济植物数据库和长白山区野生中草药信息库，但是基于WebGIS平台体系、面向长白山地区植物资源信息、尤其是质量信息的信息系统还处于空白阶段。

近年来，项目组通过对长白山地区植物资源进行详细调查，已积累了大量植物资源信息和植物质量信息。本系统采用PHP+Apache+MySQL+ArcGIS Server结构体系，依托ArcGIS Server实现 WebGIS功能，实现了数据的共享和高效利用。

1 研究区概况

本文以长白山管委会规划区域中国一侧(长白山自然保护区、和龙林业局、白河林业局、露水河林业局、泉阳林业局、松江河林业局、临江林业局、长白林业局)为研究区域(见图1)。该区域地理坐标为东经 127°28'0″～128°16'48″，北纬 4l°42'0″～42°25'18″。属温带大陆性季风区，年平均气温4.3℃，最高气温37℃，最低气温-40℃。于1980年列入联合国国际生物圈保护区［6］。该区域是北半球同纬度地区生物物种保存最完整、植物物种最丰富的地区。据统计，共有野生植物2 700多种［7］。

图1 研究区范围

2 数据信息的获取与处理

植物资源信息的收集途径：(1)实地考察。通过对长白山自然保护区及其他重点区域的实地考察，大致了解到植物的分布范围、生境，同时拍摄了一些野外植物照片。(2)植物资源信息等文字资料搜集。主要通过相关文献资料，如《中国植物红皮书》、《中国长白山植物》及《长白山植物药志》等，同时查阅国内国外相关网站。(3)通过与长白山管理委员会相关技术人员的合作、交流，对部分特殊植物的生境、形态及应用部位有了更加全面的了解，保证了数据的准确性与完整性。最后将数据进行规范化处理，整理成统一格式、录入进库。

质量信息数据主要通过与延边大学分析测试中心合作获得。采集植物样品之后，选取植物的不同部位，将植物样品干燥、粉碎过筛，称取一定量的植物样品。配置样品溶液，采用GC-MS分析得到成分色谱图，通过定性、定量分析得到植物中的质量信息数据。最后将得到的质量信息数据进行规范化处理，并整理成统一格式。

3 系统设计

本系统采用“客户端—服务器—数据库”的B/S(浏览器/服务器)3层架构(见图2)。系统每一层都对其相应的用户应用逻辑进行了恰当的封装，做到了联系紧密、职责明确，便于根据用户需求对系统功能进行灵活的更改、扩充［8］。

数据库主要采用MySQL建立长白山植物资源与质量信息。数据包括植物资源信息数据及植物质量信息数据，同时也包含大量的地理图形数据及其属性数据。据此，数据库主要分为以下两个方面：(1)关系型数据库：以表的形式为基础建立的数据模型，各个表之间通过外键进行关联。主要存储植物的资源信息和质量信息。根据数据的不同类型，共建立4种不同表格，即植物资源信息表、植物成分信息表、植物农残信息表及植物活性信息表。(2)空间数据库：包括系统中的空间数据，包括各种矢量数据，将这些矢量数据作为地图图层，存储为具有相同空间参考系的ArcMap的mxd文件，这样可以保存图层的原样式符号，并且被ArcGISServer加载起来也比较方便。在充分考虑研究区的各种地理空间信息的基础上，结合实际应用需要，空间数据库中根据需求设置了包括行政辖区、公路、水系、城镇居民点以及植物采样点等5个图层。数据库总体结构如图3所示。

图2 系统体系结构

服务器用来接收来自客户端的请求，并根据用户请求类型，作出响应。服务器端为PHP+Apache+MySQL+ArcGISServer，系统的GIS功能是依托Arc-GISServer实现。ArcGIS Server是一个用于构建集中管理、支持多用户的企业级GIS应用的平台。同时，ArcGISServer是一个分布式系统，由分布在多台机器上的各个角色协同工作［9］。

客户端是系统体系结构的顶层，主要由客户端应用程序和通用浏览器构成。它用于提交用户的请求，同时将服务器返回的结果显示给用户。

4 系统实现

该系统建立在B/S 3层结构模式之上。采用MySQL作为后台数据库，WebGIS平台采用ArcGIS Server 9.3 Enterprise for Windows，基于 ArcGIS API for Flex开发模式，构建B/S模式的信息交互平台;采用PHP、HTML等语言进行开发，适于网络环境中的发布;同时采用Web服务技术、Flash技术，增强用户体验，提高系统性能。

图3 数据库总体结构

4.1 系统主页面

友好的系统页面可以使用户的操作更加容易，实现更好的用户体验。长白山植物资源与质量信息系统首页主要包括以下两个部分，见图4。

图4 系统主页面示意图

标题栏：标识了网站名称及7个菜单项，包括“首页”、“植物目录”、“质量信息”、“空间分布”、“应用开发”、“地图查询”和“关于我们”。

主题部分：主页的主题部分主要包括“数据库简介”、“通知公告”、“研究进展”、“用户登录”和“友情链接”等几个部分。

4.2 属性查询

基于该系统的使用需求，共选取10个字段进行检索查询。检索支持单项检索，同时也支持组合式检索。用户可以选用其中1个字段进行检索，也可以同时选择若干字段输入关键字进行检索。检索的方式为模糊检索，即在检索时，只要数据库中的字段和输入的关键字有一致的地方就会显示查询结果，不必完全匹配。

4.3 质量信息在线比较及排序功能

在质量信息模块中，用户可以查看根据植物成分含量生成的成分分布图。在质量信息模块中结合使用Amcharts组件生成植物成分分布图。Amcharts是一组Flash图表，可以从动态数据读取生成。本系统通过PHP语言调取数据库中的数据，结合Amcharts组件，实现了成分信息之间进行在线比较及排序的功能。本系统实现了单种植物的成分比较以及不同植物的成分比较两种功能，举例如下：(1)单种植物的成分比较，即调取一种植物中的成分信息数据并进行排序比较，并按柱状图形式进行显示。例如，在植物成分信息的“挥发油成分”页面上，点击对应的“成分分布图”链接，就会出现此种植物中挥发性成分按含量的不同所形成的成分分布图，见图5。在本系统中，由于植物中的微量成分种类很多，因此，在调取数据库中的数据时，仅调取含量较大的微量成分数据进行比较显示。(2)不同植物的成分比较，即可以选取多种植物，调取这些植物中的相同微量成分数据进行比较显示，见图6。

4.4 地图浏览

本系统中，在质量信息中的农残信息模块采用ArcGISServer建立WebGIS网络平台，实现了地图浏览功能(放大、缩小、移动等)。WebGIS浏览页面如图7所示。

图5 单种植物成分比较示意图

图6 多种植物成分比较示意图

图7 地图浏览页面示意图

4.5 空间查询

在WebGIS平台体系中，可以实现基于植物采样点的空间查询功能。空间查询主要是获取到电子地图的图层ID和此图层中字段的内容。在定位到相应图层时使得该图层在整个地图中高亮显示。用户即可以查看该图层范围内的采样点信息和地理信息。当选定查询条件定位到某一采样点时，会弹出该采样点详细信息的显示框。图8显示的即为某一采样点的详细信息显示框。点击“查看详细农残信息”后即可查看该采样点的详细信息。

图8 空间查询显示示意图

5 结语

本系统以先进的网络技术、数据库技术、Web-GIS技术为支撑，实现了对大量植物资源信息、植物质量信息、地理空间信息及其属性信息的规范化、集成化管理，填补了该区域植物资源信息与质量信息网络平台的空白。在此网络平台的基础上，实现了信息显示、属性查询、质量信息在线比较及排序功能、地图浏览以及空间查询功能，可为该地区植物质量检测、生态保护以及可持续发展提供辅助决策支持。此外，系统以网站的形式对外发布，可供该地区的医药企业、科研单位以及政府部门等广泛使用，并促进不同学科领域的合作与交流。在研究和开发建设过程中也出现一些问题，如植物质量信息数据格式的统一以及完善WebGIS功能等，在未来的研究工作中，需要进一步提高和完善。

［1］周繇.中国长白山植物资源志［M］.北京：中国林业出版社，2010：16.

［2］王金鑫，张成才，刘治国.计算模式驱动下GIS体系结构的发展分析［J］.地理与地理信息科学，2007，23(5)：8-14.

［3］龙腾芳.基于WebGIS的粤北野生植物资源信息系统的研究［J］.微电子学与计算机，2005，22(10)：182-184.

［4］翁梅，张文狮，尹红征.基于GIS技术的河南省重点保护植物管理信息系统设计与分析［J］.河南农业大学学报，2011，45(1)：123-126.

［5］刘贵富，于俊林.长白山区野生中草药信息库的构建［J］.东北林业大学学报，2010，38(12)：124-126.

［6］梁国经，刘振生.浅析长白山西南坡野生药用植物资源［J］.中草药，2000，31(2)：153-154.

［7］郭靖.长白山野生药用植物资源的开发利用［J］.农业与技术，2009，29(5)：100-101.

［8］黄鸿，杜道生.基于WebGIS的有害生物灾害评估研究与实现［J］.地理与地理信息科学，2005，21(3)：39-42.

［9］Scottie Barnes.Server based GIS［J］.Geospatial Solutions，2004，14(5)：15-16.