储粮昆虫区系分布的GIS表达与可视化方法研究

阎 磊，王殿轩，张 浩，白旭光，张瑞杰，姜碧若，周鸿达，马昀钊，马晓辉

（河南工业大学 粮油食品学院，粮食储藏与安全教育部工程研究中心，粮食储运国家工程实验室，河南 郑州 450001）

储粮昆虫区系分布的GIS表达与可视化方法研究

阎 磊，王殿轩*，张 浩，白旭光，张瑞杰，姜碧若，周鸿达，马昀钊，马晓辉

（河南工业大学 粮油食品学院，粮食储藏与安全教育部工程研究中心，粮食储运国家工程实验室，河南 郑州 450001）

用GIS技术分析害虫发生的适宜生境及影响因子等在农业昆虫领域已有研究应用,有关储粮昆虫的GIS技术研究与应用缺乏。以位于东经111°12'14''至115°09'33''，北纬33°44'09''至36°07'30''范围内的河南省123个地点的储粮昆虫现场调查为例，利用开源GIS系统研究了该区域储粮昆虫分布及相关数据的可视化方法，通过特征数据选择、结构化数据分析建立了储粮昆虫区域分布特性的结构化数据表，在GIS中加载地图数据，进行储粮昆虫分布图形化表达，编制了相应的软件程序。以玉米象为例，结合GIS分析其区域分布特性，示例实现储粮昆虫分布的直观的可视化表达，可有助于更有效地进行储粮昆虫学的科学研究和害虫防治的信息化管理。

储粮昆虫；区域分别；GIS表达；可视化

0 引言

GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学理论和方法，综合地、动态地获取、存储、传输、管理、分析和利用地理信息的空间信息系统[1-2]。除了在地理科学、测绘科学方面的传统应用外，GIS在环境、农业等多种国民经济的重要领域得到了广泛应用[3]。近年来，利用GIS技术并结合生物地理统计学进行害虫空间分布等也在农业昆虫及综合治理领域得到应用，其方法主要是通过运用GIS系统空间分布格局间的时空分析和叠置分析来查明害虫发生的适宜生境及影响因子[4-5]，对于农业害虫研究领域，研究集中于害虫的空间分布方面，研究采样方法多以被研究地理区域的均匀网格采样为主，结合GIS进行局部或区域色块图表示，侧重于研究某一种害虫（如飞蝗）的地理分布格局，或结合农作物、植被、林地等通过遥感技术获得的数据进行大尺度害虫的种群预测等[6-7]。但对储粮昆虫，其发生特点具有许多与农业昆虫不一样的情况，如人类经济活动影响到害虫发生与传播、储粮设施条件影响到害虫发生与感染、储粮种类与质量状况影响到昆虫的发生与发展等，特定发生场所的储粮昆虫区域分布研究，客观存在储粮昆虫在运用GIS技术时的一些特别情况，但目前缺少储粮昆虫的GIS表达和可视化方法的研究与应用。

另外，储粮昆虫的区系或区域分布特性研究主要集中于发生场所、区域分布等的调查报告、统计、分析，且往往以行政管理上的省、市为报告单位，对于储粮昆虫发生场所也少有关于其发生场所的具体信息，结果展示一般也以文字或图表形式呈现，或以静态地图手工标注的形式展示，缺乏结合GIS技术的动态、可视化表达和多重分析。再者，自然条件下农业昆虫分布主要受农业的生态环境因素影响，储粮昆虫分布除了自然生态环境因素影响外，更与储藏场所设施条件、储粮品种及参数、保管管理手段有关，同时还与粮食流通物流传播途径有关，所涉及因素更复杂，在进行GIS系统应用时需要考虑有针对性的多因素特征数据。

在GB/T 29890—2013《粮油储藏技术规范》中，将我国划分为高寒干燥储粮区、低温干燥储粮区、低温高湿储粮区、中温干燥储粮区、中温高湿储粮区、中温低湿储粮区、高温高湿储粮区等7个不同的储粮生态区域[8]。其中明确指出：“由于同一储粮生态区域内因海拔、地形等差异，不同地区的实际储粮生态环境可能存在差异。”对于储粮昆虫的GIS研究中，除了生态区因素外，还要综合考虑其他多种因素，包括了诸如地理位置、气象气候条件、仓房设施条件、粮食物流路径等。本文结合第七次全国储粮虫螨专项调查[9]，尝试以GIS技术为基础，以河南省17个地市涉及粮库、粮油加工厂、农户等123个地点储粮昆虫现场调查为实例，研究储粮昆虫区域分布特征的可视化方法，提取主要储粮昆虫的区域分布特征数据，特别是有别于农业昆虫研究的储粮生态区、储粮设施、粮食流通来源、采集场所类别等特征数据元素，进行结构化分析和数据的GIS表达，以期直观、动态、可视化分析储粮昆虫区域分布，为储粮昆虫生态学研究和储粮昆虫科学防治提供参考。

1 特征数据的提取和结构化分析

1.1 可视化分析技术思路

结合储粮昆虫具体调查与分布情况，根据储粮昆虫区域分布数据特征，进行选择和结构化数据分析，建立储粮昆虫区域分布特性结构化数据表，在开源GIS中加载地图数据，进行储粮昆虫的图形化表达，编制软件程序，实现可视化的区域分布特征表达。具体表述为：（1）分析储粮昆虫区域分布相关的储粮设施、环境等特征数据，选择其中可用于可视化表达的数据，进行结构化数据分析，建立关系型结构化数据表；（2）优化选用开源GIS系统， 以其API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）为基础，编写应用程序；（3）在程序中加载河南省的储粮昆虫基础空间数据，将结构化分析数据进行储粮昆虫采集点图形显示，进行可视化表达；（4）在可视化表达结果中进行储粮昆虫区域分布特征分析，可进行虫种选择或地区选择等进行查询显示，统计图表区域分析，动态显示分布图表等。

1.2 GIS可视化表达的特征数据选择

储粮昆虫的区域分布特征考虑但不限于自然生态区域，将应用于GIS可视化表达的储粮昆虫区域分布特征数据划分为昆虫发生信息、粮食粮情信息、区域地理信息、环境因子信息、粮食物流信息和基本采集信息等6类特征数据。在各类特征数据中，进一步细化这些特征数据及因素，如表1所示。

表1 特征数据项Table 1 Characteristic data item

1.3 结构化数据分析

通过对特征数据的分析和选择，所有特征数据都可以按照结构化数据进行处理，不存在非结构化数据。本文采用关系型数据库进行数据管理，并对6类特征数据进行元数据信息构建，并建立6个基本的数据表，通过采集编号进行多表级联。采集编号是指“第七次全国储粮虫螨专项调查”工作中在一个采集地点进行的不可再分的最小采集行为所对应的编号，每一个采集编号对应了唯一的一次采集行为，并以此作为结构化数据处理的主键来构建和关联各个数据表，构建的数据表结构如图1所示。其中的CHBH（采集编号）字段作为关联各个数据表的主键和外键。

基于结构化分析，系统构建对应的数据库（见表 2—表 7）。

2 基于GIS的储粮害虫数据可视化表达

2.1 开源GIS系统的选择

GIS技术应用中，有包括ArcGIS、MapInfo等商业 GIS平台和MapWindows GIS、QGIS等开源 GIS平台在内的多种GIS平台可供选择，在本研究的系统应用中，应充分考虑和兼顾GIS系统功能发挥特性、系统的二次开发需求、系统的经济性、系统的技术领域适用性等因素。

商用GIS平台的产品功能较强，内容丰富，但大都不支持脱离软件环境的二次开发，且售价较高，并不利于小型GIS应用开发。开源GIS系统在某一特定应用场景中具备技术优势，并且因其开源特性，更适用于二次应用开发。在开源GIS系统中，MapWindows对于C#等程序设计语言提供完善的API调用接口[10]，QGIS系统的主要特性是其支持多个操作系统平台，对于C#的API调用不如MapWindows完善。开源GIS系统经济性好，基本不存在购置费用，可很好融入自主开发系统内。Map－Windows是面向通用领域的GIS平台，QGIS更适用于在其软件内的GIS应用。

图1 结构化数据表图Fig．1 Structured data table

表2 储粮昆虫信息数据Table 2 Data structure of stored grain insect information

表3 粮食粮情信息数据Table 3 Data structure of stored grain and state

表4 区域地理信息数据Table 4 Data structure of regional geographic information

表5 基本采集信息数据Table 5 Data structure of insect collection information

表6 环境因子信息数据Table 6 Data structure of environmental factors information

表7 粮食物流信息数据Table 7 Data structure of grain logistics information

对于储粮害虫区域分布GIS表达系统，结合各因素进行分析。由于储粮害虫GIS系统需要进行二次开发，因此应选择开源系统作为GIS平台。储粮害虫GIS系统采用C#语言开发，选择开源的Map－Windows能充分发挥GIS系统功能特性，且开源系统经济性好，特别有利于储粮害虫GIS系统等公益性软件系统。MapWindows支持在其上进行不同领域的数据分析和技术应用，对于储粮害虫GIS系统应用具有良好的技术适用性。

储粮害虫GIS系统采用C#语言开发，通过调用MapWindows系统API进行二次开发，充分利用开源系统的经济性，在通用GIS平台基础上构建专用的储粮害虫专用的可视化表达系统。

2.2 MapWinGISocx接口调用结构

MapWinGIS.ocx是MapWindow GIS项目的核心组成部分，本文的程序采用了MapWinGIS.ocx作为内嵌的GIS引擎，来完成整个程序功能，并具有独立分发和运行的能力。MapWinGIS.ocxd以Map作为基础类，提供了自顶向下的多层类和对象的调用接口，其中包括了类、对象方法、属性、成员函数等多个层次[11]。

储粮害虫GIS系统，基础GIS数据是以区域地理信息数据的地理经度和地理纬度为基础的，在MapWindowsGIS中，直接对应AxMap类，其中AxMap类中应用AddLayer对象方法来进行图层加载，同时加载区域地理信息数据、储粮昆虫信息数据、粮食粮情信息数据、基本采集信息数据、环境因子信息数据、粮食物流信息数据，ZoomBehavior属性来指定地图缩放时的行为，MouseDownEvent成员函数来感知鼠标动作，当鼠标移动到某一调查地点时进行对应数据的查询和显示[12]。

2.3 可视化表达

可视化表达包括了若干步骤，首先需要进行基础空间数据的加载，在此基础上，装载储粮昆虫的多因素特征数据，特别是GIS相关的区域地理信息特征数据，然后结合昆虫发生信息特征数据，进行可视化表达展示。

2.3.1 加载基础空间数据

进行可视化表达，首先要加载基础的空间数据，即GIS的基础地图数据。本研究采用Shpfile文件来描述基础地图数据，shapefile文件由坐标文件（shp）、索引文件（shx）、属性文件（dbf）共同构成，每个文件都定义了详细的文件头、文件体和数据结构类型[13-14]。

在MapWinGIS控件中，首先通过加载基础shapefile来加载空间数据，MapWinGIS专门建立Shapefile类来处理相关事务。储粮害虫GIS系统中，首先通过Open方法来加载基础图层，然后通过数据库读取区域地理信息数据、储粮昆虫信息数据、粮食粮情信息数据、基本采集信息数据、环境因子信息数据、粮食物流信息数据，通过Insert－Point方法逐个点地插入储粮昆虫数据，然后调用EditInsertShape刷新整个shapefile文件，最后通过AxMap类的Redraw方法重绘整个区域。

通过AxMap类的方法加载空间数据主要代码如下：

MapWinGIS.Shapefile shpFileName=new Map－WinGIS.Shapefile（）；

//读取ShapeFile文件

fileName4.Open（Environment.CurrentDirectory+@"shphenan.shp"，null）；

//加载图层

m_layerHandle=axMap1.AddLayer（shpFileName，true）。

2.3.2 储粮昆虫GIS的可视化表达[15-16]

在本次储粮害虫专项调查中，获取到了调查采集点的区域地理信息特征数据，根据这些特征数据，可以构建对应的图形显示坐标，并进行显示。显示前，在加载空间数据的基础上，需要创建独立图层，所创建的独立图层本质上是shapefile格式的文件。然后，在独立图层上创建显示图形，本文所要显示的采集点图形，主要是离散点形式，因此要在制定图层文件类型为SHP_POINT，在图层上插入点图，然后将图层添加到GIS控件中。

SHP_POINT指定了Shapefile主要存储Point类型，Point类型的核心是由两个浮点型数据构成，分别表示平面直角坐标系的x，y坐标。存储在Shapefile文件中的Point记录格式见表8。

表8 Point类型记录格式Table 8 Record format of point type

通过AxMap类的相关方法实现图形显示的主要代码如下：

var sf=new Shapefile（）；

//创建Shapefile文件

bool result=sf.CreateNewWithShapeID（""，ShpfileType.SHP_POINT）；

//将MWShapeId字段添加到属性表中，指定Shapefile文件类型

Shape shp=new Shape（）；

//创建图层

shp.Create（ShpfileType.SHP_POINT）；

//设置Shape的类型

shp.InsertPoint（pnt，ref index）；

//将Point添加到Shape中,pnt即为要插入的离散点的位置坐标

sf.EditInsertShape（shp，ref i）；

//将 Shape添加到Shapefile中

towerShapfile.DefaultDrawingOptions.SetDefault－PointSymbol(tkDefaultPointSymbol.dpsSquare);

//设置towerShapfile图层上显示图标的类型为方块

axMap1.AddLayer（towerShapfile，true）；

//添加图层

axMap1.Redraw（）；

//刷新显示。

2.3.3 储粮昆虫区域数据引入后的GIS表达[17-18]

在2016年夏季组织的河南省现场调查中，调查了粮库、面粉厂、饲料厂、农户和其他类型等5类场所，涉及到全省123个调查点，查得害虫种类在83种以上。本文根据调查结果，以玉米象为例，抽取特征数据，构建了储粮昆虫区域分布系统，基于昆虫发生信息、区域地理信息等，提供可视化的查询功能，获得不同的可视化表达结果。

系统采用C/S（Client/Server）结构构建，由数据层、接口层、地图层、应用层等4层构成，结构图如图2所示。系统程序设计采用Microsoft Visual Studio.Net开发平台，数据引擎采用Microsoft SQL Server数据库系统。

图2 储粮昆虫区域分布系统结构图Fig.2 The system structure of stored grain insect distribution

系统主要功能围绕多参数储粮昆虫分布可视化查询，可通过虫种、地区等参数选择，进行多图层的可视化表达，并可根据使用者操作，进行图层叠加，显示多图层害虫分布点的特征数据信息。系统提供无极放大和缩小，并可以将可视化结果导出为图片保存。系统界面如图3所示。

图3 储粮昆虫GIS分布系统界面Fig.3 GIS system Interface of stored grain insect distribution

系统中，左侧上部为参数选择区域，可以按照虫种选择目、科、种进行查询显示，也可以按照区域选择省/市/自治区、市/地区进行查询显示，左侧下部为分布统计图表区域，可根据选择查询结果动态显示分布图表。

这里以玉米象为例进行说明，系统主界面显示加载的河南省shapefile地图作为基础图层，在左侧选择鞘翅目象甲科昆虫玉米象进行查询，系统生成该昆虫区域分布图层，并以圆点标示玉米象分布地点，图层可以进行无级缩放。从分布图可以看出，玉米象在所调查的123个调查点中有广泛分布。在系统左侧下部，给出了不同类型场所的玉米象分布比例，玉米象在各类调查场所均有明显分布。例如，图例中关于饲料厂的信息所占比例较低，说明在所进行和统计的昆虫调查场所中饲料厂占比相对较低。

在系统右侧上部详细给出玉米象的分布数据，包括采集地点信息、场所类别信息等。当鼠标移动到害虫分布图层，点击害虫分布圆点，系统在右侧下部信息栏输出显示当前害虫分布点的调查采集详细信息。如当前图例显示的是河南省平顶山市某粮食储备企业的调查结果，可以看到虫种、虫态、害虫密度、生态区、采集地点、采集点类型、采集时间、仓房类型、地理经度、地理纬度、粮食产地、收获年度、粮食品种、粮仓温度、大气温度、物流信息等信息，该采集地详细信息列表见表9。

从示例中可以看出，主要储粮昆虫玉米象在该调查地发生所涉及的主要因素进行清晰展示，且符合玉米象的实际发生情况，直观的数字化表达对于研究储粮昆虫分布与发生发展规律等可提供有效的可视化途径。

3 小结

研究表明，储粮昆虫的GIS应用有显著区别于农业昆虫等开放生态环境中的情况，特别是在相关因素及处理方面更为复杂和多样化，本文中研究的储粮昆虫GIS系统适用于储粮昆虫区域分布及其特性的可视化表达。以“第七次全国储粮虫螨专项调查”中覆盖河南省几乎全部地市120多家企业单位的调查数据为基础，进行的数据机构化分析，采用的开源GIS技术，构建的可视化区域分布结果等，具有包含因素多样、数据直观、表达全面、实用性好等特点。经过计算机实际运行测试，能够实现互联互通、即接即现，能够适应储粮昆虫区域分布及其特性研究需求。该系统内容自主开发，具有良好的可扩展性，可根据数据来源的多样性展示各种储粮昆虫调查信息，并进行详尽的分类查询和统计分析。

表9 采集详细信息示例Table 9 Example of detail survey information

［1］ TOMLINSON R F.A geographicinformation system for regional planning ［J］.Journal of Geographical Systems，1969，78（1）:45-48.

［2］ 王家耀.空间信息系统原理［M］.北京:科学出版社，2001.

［3］ 储征伟，杨娅丽.地理信息系统应用现状及发展趋势［J］.现代测绘，2011（1）:19-22.

［4］ 郝立武.地理信息系统和地质统计学在昆虫生态学中的应用［J］.农业工程，2011（3）:96-99.

［5］ 王正军，程家安，祝增荣.地理信息系统及其在害虫综合治理中的应用［J］.浙江农业学报，2000（4）:233-238.

［6］ 刘垚，包云轩，陆明红，等.基于WRFFlexpart的一次褐飞虱回迁过程模拟研究［J］.生态学报，2017（13）:1-10.

［7］ 洪波，张锋，李英梅，等.GIS在农业病虫害预警研究中的应用［J］.陕西农业科学，2011(3):170-173.

［8］ 粮油储藏技术规范：GB/T 29890—2013［S］.

［9］ 国家粮食局.国家粮食局办公室关于开展第七次全国储粮虫螨专项调查的通知（国粮办储〔2016〕95 号）［Z］.2016

［10］ DANIEL P AMES.Christopher michaelis and ted dunsford，introducing the MapWindow GIS project［J］.The Journal of the Open Source Geospatial Foundation，2007，2（9）： 1-5.

［11］ AMES D P，MICHAELIS C ，DUNSFORD T.Introducing the MapWindow GIS project［J］.OSGeo Journal， 2007，2：13-16.

［12］ AMES D P.MapWinGis reference manual:A function guide for the free MapWindow GIS ActiveX map component[EB/OL][2017-03-15].https://zh.scribd.com/document/88720613/MapWinGIS-Reference-Manual.

［13］ 柳佳佳，栾晓岩.ShapeFile格式文件写入方法研究［J］.测绘通报，2012（9）:90-92.

［14］ ESRI shapefile technical description：An ESRI white paper[EB/OL] [2017-04-30].https://www.esri.com/library/whitepapers/pdfsshapefile pdf.

［15］ 张伟，廖国忠，覃庆炎.基于开源GIS构建矿区物探资料二维可视化软件［J］.物探与化探，2014（5）:1064-1069.

［16］ 吕秀琴，张毅.MapWinGIS应用于GIS程序设计实践［J］.实验技术与管理，2012（10）:110-113.

［17］ 杨益飞，刘小勇.基于MapWinGIS的组件式GIS开发及应用［J］.测绘与空间地理信息，2010（6）:143-145.

［18］ 曹昌磊，赵雪莲，梅红波.MapGIS向shapefile数据格式转换插件开发及其应用［J］.国土资源遥感，2016（2）:193-197.

A RESEARCH ON GIS EXPRESSION AND VISUALIZATION METHOD WITH REGIONAL DISTRIBUTION SURVEY OF STORED GRAIN INSECT

YAN Lei，WANG Dianxuan，ZHANG Hao，BAI Xuguang，ZHANG Ruijie，JIANG Biruo，ZHOU Hongda，MA Yunzhao，MA Xiaohui
（School of Food Science and Technology，Engineering Research Center of Grain Storage and Security of Ministry of Education，Grain Storage and Logistics National Engineering Laboratory，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

GIS technology is used to analyze the suitable habitat and influencing factors of insects occurrence in the field of agricultural insect research has been applied，and research and application of GIS technology in grain storage insects is lacked.In this paper，across the east longitude 111°12'14''to 115°09'33''，latitude 33°44'09''to 36°07'30''range，Henan Province，a total of 123 locations of the storage results of field sampling survey were taken as an example to construct a regional distribution of stored grain insects based on open source GIS.The structured data tables of regional distribution characteristics of stored grain insects were established by feature data selection and structured data analysis.The map data were loaded in open source GIS，and the software program was compiled.And the Motschulsky is used as an example to analyze its regional distribution characteristics and realize the intuitive visual expression of insect distribution，which can help to carry out the scientific research of grain storage and the information management of insect control.

stored grain insect；GIS；regional distribution；data visualization

S379.5

：B

1673-2383(2017)04-0106-07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170828.0857.040.html

网络出版时间：2017-8-28 8:57:28

2017-06-05

粮食公益性行业科研专项（201513002）；河南工业大学科学研究基金（2016XTCX02）

阎磊（1977—），男，河南焦作人，工程师，主要研究方向为粮食信息化技术。

*通信作者