中药资源区划分析系统的设计与实现＊

孙成忠，郝振国，张静华，陈国岭，杨泽东

（中国测绘科学研究院 北京 100039）

1 引言

我国的中药资源区划开始于20世纪90年代，是以第三次中药资源普查工作成果为基础进行的[1-2]。随着计算机技术特别是地理信息技术的引入和发展，众多学者在中药资源区划领域展开了研究，取得了可喜的成就[3-7]。2008年中国医学科学研究院药用植物研究所与中国测绘科学研究院共同研发的“中药材产地适宜性分析系统地理信息系统”（TCMGIS），初步实现了基于生态因子对中药材品种的产地适宜性分析，并基于此系统开展了不同种类药材的适宜性区划研究[4,8-14]。进入21世纪，中药资源的产业规划和可持续利用对中药资源区划提出了新的要求。

中药资源作为自然资源，它的分布具有明显地理特性[15]。中药材的生长与其所处的地理环境有密切关系，如海拔、温度、降水、日照、土壤等，这些生境因素在中药资源自身中并不能体现出来，只有把中药材资源与环境数据和空间地理数据结合起来，才能使中药资源的空间表达更加具体，更具有直观性和决策所需的可视性[16-17]，才能发挥和挖掘中药资源数据的实际用途，解决现有中药资源数据具体应用的问题[18]。

近年来，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）作为一门空间信息技术，在药用植物资源调查、药材蕴藏量估算、中药材适宜性区划等研究方面应用发展迅速[16]。GIS具有对地理空间数据进行采集、存储、检索、分析、模拟和显示等一系列功能，这些功能可以很好解决中药资源区划的分析和显示的统一管理问题[1]。GIS具有的信息集成、可视化表达、空间分析、查询定位等技术特点可以为中药资源区划分析应用提供大数据管理、空间关系分析、时空信息动态可视化等能力。

本文利用GIS技术，通过集成最大信息熵等计算模型，设计并实现了中药资源区划分析系统。该系统综合运用数据存储技术、数据库技术、地理信息技术等先进技术和设计思想对系统进行设计和开发。最终形成了以样点采集数据为基础，以道地药材产区的生态因子数据为支撑，以中药资源区划的应用服务为导向，以多源、多主题数据的管理为核心，以地图形式直观展示中药材资源区划的地理分布的综合区划分析系统。

2 中药资源区划分析系统设计

2.1 系统架构

中药资源区划分析系统总体架构采用三层式结构，主要有软硬件支撑层、数据层、应用服务层。软硬件支撑层由计算机基础支撑平台提供，主要包含计算机基础平台系统、本地存储设备，关系型数据库、ArcSDE空间数据库引擎等，主要作用是为上层提供数据存储管理能力和各类数据访问接口。数据层主要是系统管理的数据资源内容，主要由药材点位数据、生境数据、基础地理信息数据、辅助数据等数据组成，具体的数据存储根据数据的种类与使用方式的不同可以由关系型数据库、空间数据库进行存储。应用服务层主要包含了相应的数据查询、区划分析、地图显示等功能模块，为区划分析系统和其他应用系统提供数据应用服务。

整个系统依据相应的数据管理策略和信息安全体系构建，与存储设备、存储管理软件结合，最终通过系统界面向用户提供服务。系统总体架构图如图1所示。

2.2 系统设计

中药资源区划分析系统基于空间数据库构建，划分为4个层次，如图2所示。

（1）数据层存储了整个平台运行时的处理数据和控制数据，为平台运行提供基本的数据支撑，主要包含中药采样点数据库、生境因子数据库和中药材元数据等数据。

（2）数据访问层为应用组件提供各类数据访问的接口，根据不同的数据存储模式有空间数据引擎、关系数据库访问接口及文件系统访问组件。生境因子数据库及采样数据库中的空间据及属性数据通过ArcSDE组件进行存储和访问，数据层中的其他数据则通过ADO.NET组件进行处理和访问。

（3）组件层提供平台区划空间分析处理和产品制作所需的算法、功能和支撑组件。各类业务组件的集合，这些组件分别完成不同的功能，根据要求，包含：地图显示组件、数据库管理组件、数据查询组件、地图管理组件、区划分析组件和辅助工具组件等。其中系数据库管理组件是平台运行的基础，提供药材点位数据、环境因子空间数据、数据组织和交换、基础数据处理等功能支持；区划分析组件是平台运行的核心，提供算法支持、数据分析、空间分析等核心运算；地图显示组件、数据查询组件等是平台为地图空间显示、数据查询等提供功能支持。

图1 系统总体架构图

（4）应用层主要面向不同中药材品种区划进行分析展示，直接服务于用户需求。应用层由相应的业务模块开发构成，主要有：地图管理模块、地图显示模块、区划分析模块、数据查询模块、格式转化模块、最大信息熵工具模块等。

2.3 数据库设计

数据库技术的发展，早已成为先进信息技术的重要组成部分，是现代计算机信息系统和计算机应用系统的基础和核心[19]。因此在“中药资源区划系统”系统平台中，数据库的设计和构建是整个系统平台建设的一部分，是系统进行空间分析与数据挖掘的前提。

中药资源区划分析系统主要涉及的生境因子数据、药材采样点数据与药材种类数据。其中环境因子数据量较大、分类多、含有地理信息，而药材采样点数据与药材种类数据量小，所以针对不同数据采用不同形式的数据库进行存储，主要存储形式包括地理数据库和非地理数据库。

地理数据库库主要是存储环境因子数据，包括气候类型数据、土壤类型数据、地形数据、植被数据等。非地理数据库主要是存储药材种类与中药采样点的经纬度，采用Access数据库存储。

图2 系统总体设计图

3 关键技术研究

3.1 区划关键模型研究

在中药资源区划过程中，主要涉及到关键模型包括生态区划模型、品质区划模型和生产区划模型。

（1）生态区划模型

生态区划主要研究中药基原植物的空间分布区域范围和差异性规律[20]。生态区划是开展中药资源区划的基础。在生态区划模型中，首先根据实地采样，文献收集等方式，获取中药材分布的具体经纬度信息，形成模型分析的基础数据。其次，基于点位数据，在中药资源区划基础数据库的支持下，对中药材的生态环境信息进行提取，明确中药材分布区域的生态环境特征。最后利用采样点的空间位置分布，依据最大信息熵计算模型，计算一定尺度区域上的物种分布概率值。生态区划的计算结果受采样点的数量、空间分布状态、生境因子的选取等多重因素的影响，通过模型计算，最终将输出带有空间参考的物种分布概率计算结果。

（2）品质区划分析模型

品质区划主要研究不同地区中药材有效成分的空间差异[2,20]。在品质区划中，需要根据生长区划计算结果及专家知识库，选择对中药材品质形成具有重要影响的生境因素，在此基础上，通过建立中药材品质与生境因子之间的相关关系，针对不同药材品种不同成分确定合理的因子权重。

为消除不同因子量纲对计算结果的影响，针对不同类别的环境因子数据，采用不同的标准化方法，对归一化后的结果，运用地理信息系统的栅格计算功能，形成品质区划分析体系。计算模型如下：

其中：P为品质区划模型计算结果；

Ai为第i个环境因子的权重；

Ri为第i个环境因子归一化后的栅格值。

（3）生产区划分析模型

生产区划，主要研究区域之间中药材生长能力的差异性分布规律[20]。生产区划分析需要在生态区划和品质区划的基础上，综合社会经济条件、自然生态条件等因素，通过栅格计算或矢量叠加等空间分析方法，整体分析交通、社会经济、人力资源成本等因素对中药材生产的影响。在生产区划分析中，涉及到不同因素的综合分类、栅格计算、矢量叠加、统计分析等空间分析技术。

（4）最大信息熵模型

随着中药资源区划研究的不断深入，综合利用生态位模型和地理信息系统技术对中药资源生态区划进行分析是目前较为主流的方法。在相关生态模型中，最大信息熵模型（Maxent）被许多研究证实具有很强的适应性，在生态学中有着广泛的应用。相关研究表明最大信息熵模型在对物种生境适宜性评价和分布预测中要优于其他模型[23]。最大信息熵模型是基于最大熵原理，利用物种分布点与生境（气候、土壤、植被和地形等因素）之间的非随机关系，计算物种的概率分布。即在满足已知约束的条件下，选择熵最大的模型，利用物种存在的分布点和环境变量，来推算物种的生态需求，并模拟物种的潜在分布[24]。

3.2 相关模型关键技术研究

中药资源区划涉及中药学、生态学等多个领域，在分析过程中存在着生态因子筛选及指标值确定、数据标准化、分析结果重分类等关键技术[1]。针对上述难点，在系统设计中，主要设计方法如下：

（1）因子筛选及指标值确定

对于品质区划和生产区划而言，需要确定对其结果产生重要影响的因子。在系统中，通过最大信息熵模型的计算结果，系统可以自动读取结果文件，自动选择对区划结果贡献较大的因子，同时兼顾气候、土壤等不同类型因素的要求，最终确定参与计算的因子指标。在自动选择的基础上，系统同时提供手动选择功能，便于用户根据经验进行因子筛选。

合理确定不同类型因子的生态范围值，对中药材生态适宜性评价至关重要。通过相关模型，确定适宜性和品质区划的评价因子后，需要根据采样点确定药材的最适宜的生境因子指标值。系统运用地理信息系统的空间分析和数据统计功能，根据点位坐标提取主要因子的数值，从而确定各因子的适宜范围值。

（2）数据标准化

针对特定的中药材，某一区域地理环境和生物环境的制约，在其耐性限度之内，该药材就能够自然分布，且以中心地带为最多[7]。按照这一理论，系统采用基于适宜范围区间的绝对偏差标准化方法，对因子数据进行标准化，从而消除量纲的影响。

（3）结果重分类

通过对生态位模型计算的结果进行适宜性分级，选取中药资源的适宜性生长区域，本系统提供了自然断点分级法、人工确定阈值等多种方法进行适宜性分级，用户可以实现将中药资源的生长区划区域划分为适宜生长区域、次适宜生长区域和不适宜生长区域等。

3.3 中药资源区划系统开发相关技术研究

中药资源区划分析系统的建设涉及的核心开发技术有空间数据库技术、组件式GIS开发技术、地理信息系统等技术。

（1）地理信息技术

中药资源分布具有明显的地理空间部分特征，地理信息技术为中药资源空间分布研究提供技术支撑。地理信息系统技术不仅可以对中药资源空间数据进行编码、存储、提取和分析，而且还可以将对中药资源区划各个层面的影响进行评价，从而得到综合分析评价结果。在中药资源区划中，可以采用地理信息系统中的空间分析技术进行多因子分析评价，以图形可视化方式表现中药资源的空间分布规律。因此，在地理信息技术的支持下，中药资源区划分析系统形成了从生态区划到生产区划的全过程分析。

（2）空间数据库技术

空间数据库已经成功应用于越来越多的地理信息系统应用项目。采用关系数据库或对象关系数据库管理空间数据，可以充分利用关系数据库管理系统的数据管理功能，利用SQL语言对空间与非空间数据进行各项数据库操作，同时可以利用关系数据库的海量数据管理、事务处理、记录锁定、并发控制、数据仓库等功能，使空间数据与非空间数据一体化集成[21]。“中药资源区划分析系统”利用成熟的ArcSDE结合关系型数据库的空间数据管理模式，将空间数据存储在关系型数据库中，通过空间数据引擎以及应用服务器对空间数据进行有效管理，并通过专用开发包进行数据库功能开发，实现数据库系统的集成管理。

（3）组件式GIS开发技术

组件式软件是新一代GIS的重要基础，COMGIS的出现为传统GIS面临的多种问题提供了全新的解决思路[22]。相对于传统GIS，组件式GIS摆脱了二次开发语言的束缚，可以利用C#、Python等通用的计算机语言进行应用开发，从而便于与其他系统集成，便于开发新系统和新应用。

“中药资源区划分析系统”采用全新的ArcGIS Engine10.2技术开发，预处理系统、数据库配置系统、管理系统都基于此进行开发，系统完全脱离ArcGIS的桌面环境。ArcGISEngine由包含了大量的类库，不同的类库分别封装不同的地理信息系统功能，包含了ArcObjects中的核心功能，是对ArcObjects中大部分接口、类库进行封装所构成的，集成了大量的GIS分析功能。

ArcGISEngine是基于COM的集合，可以被多种编程语言所调用，如VB、Java、C#等。中药资源区划分析系统是以Visual Studio2012为开发环境，在.NET平台下，以C#语言为基础，利用ArcGISEngine组件进行开发，数据分析将更为灵活，系统功能更加完备，能根据不同采样点的药材品质进行生态主因子分析和相关性分析，分析中的多种分类方法更加完善，可以结合专家知识库系统和根据建立的空间数据库，对分析结果进行评估及因素权重的调整，从而提高了自动化程度。

4 中药资源区划分析系统开发及功能实现

本系统集成了由Steven Phillips等[25-26]基于最大熵原理开发的用于预测物种潜在地理分布的生态位模型软件，从而实现了由环境因子数据库和药材采样点来进行中药资源的多类型区划的全部工作。系统充分利用Java版的最大信息熵计算模型与ESRI的ArcGIS平台相结合，采用C#语言开发，使最大信息熵模型和软件的相关功能融为一体，极大提高了软件的自动化水平。系统界面设计如图3所示。

4.1 生态区划分析功能

在中药资源区划分析系统平台上，生态区划功能模块从空间维度出发，对药材采样点及调查区域进行可视化表达，借助专家知识、地理信息空间分析功能，将第三次资源普查数据、第四次中药资源普查数据及自有数据与地理空间有机地结合在一起，可以直观地显示单一中药材的空间分布区域，为药材道地性研究及生态适宜性研究提供数据基础。

在系统平台的生态区划功能中，首先利用已集成到平台上的生态位模型模块，通过最大信息熵模型计算单一品种药材的潜在分布区。模型通过采集的药材分布样点和生境因子，确定特征空间，构建约束组合，以熵最大为条件选择最优分布。计算完成后，通过转换模块，对计算结果赋值空间参考，生成通用的栅格格式数据。为生态区划分级、品质区划分析及专题地图生成奠定基础。生态区划分析结果如图4所示。

4.2 品质区划分析功能

图4 连翘生态区划图

在系统平台的品质区划模块中，系统可以根据生态位模型计算结果自动提取生境因子进行品质区划分析，在此基础上，利用地理信息空间分析方法，提取生境因子的适宜性指标。同时，为消除量纲对结果的影响，软件模块提供绝对偏差标准化的方法，对生境因子进行归一化处理。

药材的品质受许多因素决定，包括极端气温、极端降水等因素，因此，每种环境因子对药材品质的形成影响程度也不同，需要对各个因子进行综合评价。根据不同环境因子数值与药材成分之间的相关性，系统平台提供一种半定量的权重确定方法。除此之外，在该模块中还提供交互式界面，可以让使用人员根据需要手动填写权重。最后，根据所选主要因子和权重，计算得到药材品质的综合评价结果，将该结果生成栅格格式数据并存入数据库。同时可以将结果生成专题图输出，为药材的人工种植提供数据参考。品质区划分析结果如图5所示。

4.3 生产区划分析功能

对于传统野生药材来说，其主要受到气候、土壤、植被等自然生态环境因素的影响。在系统平台的生产区划模块中，以生态区划和品质区划为基础，从中药材生长的自然环境出发，通过确定主要分级指标，将生态区划和品质区划按照一定的标准进行分类。在生产区划分析模块中，首先利用栅格重分类功能将生态区划结果、品质区划结果、社会经济条件等栅格数据进行分级在此基础上，利用生产区划分析模块中的栅格计算功能，进行空间计算，最终生产区划计算结果以栅格格式存储，从而为决策者提供中药材生产布局信息。为定量化输出不同行政区划次适宜区和最适宜区面积，系统提供多种矢量空间分析的方法，便于对分析结果进行优化。生产区分析结果如图6所示。

5 结论

“中药资源区划分析系统”旨在应用地理信息技术、最大信息熵和空间数据库技术，以道地产区采样点数据为依托，基于中药材分布、品质进行区划分析，为中药资源保护利用和产业布局提供信息服务。系统的设计实现不仅可方便高效地分析预测中药材资源的适宜生长区域，还可对数据进行空间化、可视化管理，并能将中药材资源的生态信息与分布信息有机结合，实现中药资源的分布、品质和生产等多类型区划的自动分析，为中药材资源的产业规划和可持续利用提供准确的科学支撑，从而结束了依靠传统经验和单个气候因子分析中药材产地的做法。

利用本系统已经对几十种药材和部分省区的中药资源产业规划进行了分析，取得了很好的应用效果。通过验证证明，中药资源区划分析系统充分提高了区划分析的科学性和自动化水平，该系统实现，将中药资源区划分析流程简单化，方便用户操作，从而能快速高效、以可视化的方式展示出预测结果，使用户能够快速分析中药资源药材品种的分布、品质和生产的适宜区域，为我国各地区中药资源产业规划和资 源可持续利用提供科学的技术方法。

图5 连翘品质区划图

图6 连翘生产区划图