基于GIS的中國山羊品種資源管理系統研制

吳 詩，姜勛平，蔡忠亮

（1.華中農業大學動物科技學院，湖北武漢 430070；2.武漢大學資源與環境科學學院地理信息科學系，湖北武漢 430079）

1 引言

中國是世界上山羊品種資源最豐富的國家，也是世界上山羊飼養量最多的國家，總量約1.5億頭。有記錄的地方山羊品種43個，培育品種4個，其中22個品種列入中國羊品種志。

我國的山羊品種分布于中國全境，范圍非常廣泛，北至黑龍江，南至海南島，東到黃海邊，西達青藏高原。山羊適應性極好，不管是在高山深谷和高溫高濕的南方，還是在荒漠沙灘和嚴寒干旱的北方，都有山羊的分布，并是當地農牧民的重要生產和生活資料。由于全國各地自然生態和生產條件差別極為懸殊，山羊在千差萬別的生境中逐步形成了各具遺傳特色、體型外貌特征和生產性能的固有品種［1］。目前有記錄的地方山羊品種有43個，如遼寧絨山羊、海南雷州山羊、西藏山羊、長江三角州白山羊、兩湖馬頭山羊等；還有許多地方種群尚無系統研究和記載。

針對傳統的山羊品種資源管理方式，只能通過字面或者圖片直觀地了解中國山羊的品種資源情況，然而這種方式更新速度較慢，查詢也比較繁瑣。隨著信息技術的快速發展，已經無法滿足廣大養羊戶和專業人士的需求，迫切需要建立一個現代化的管理系統來滿足生產及科研對品種資源信息管理及其應用服務的需求。地理信息系統（geography information system，GIS）是一種集地理空間特征和各種統計信息為一體的特殊信息系統，具有對（地理空間及專題空間）數據進行管理、分析及可視化的有力工具［2］。而山羊品種分布具有明顯的地理區域特征，采用GIS技術進行山羊信息資源管理則是一種非常行之有效的方法，目前，國內尚未出現基于GIS的山羊遺傳資源信息管理系統。

地理信息科學的本質是從信息流的角度來揭示地球系統發生、發展及其演化規律，從而實現資源、環境與社會的宏觀調控。美國聯邦數字地圖協調委員會（federal interagency coordinating committee on digital cartography，FICCDC）對于GIS的定義是：“GIS是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統設計用來支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題［2］”。隨著科學技術的進步，GIS的應用也越來越多，廣泛出現在生活科技的各個方面。在農業科技方面，應用GIS也可以解決很多實際的問題，可以應用地理信息系統建立農業資源數據庫，利用GIS進行農業生產管理和輔助決策。在國外，也已經出現了一些在精準農業應用中的軟件，包括農田邊界圖管理、土壤肥力管理、產量分布圖管理分析和GIS制圖等［1］。

農業專家系統（expert system，ES）是一類能夠模擬人類推理過程，并通過計算機形象直觀地向用戶提供農業生產問題的軟件。與人類專家相比，它擁有綜合性的知識和高速處理知識的本領，且不受時間、空間的限制和人類情感的影響［3］。同時，農業專家系統還可以將各類農業信息和農業知識通過網絡技術保存和傳播出去，甚至將一些分散的、局部性的單項技術整合起來，形成一套完整的計算機決策技術體系，促進農業生產。

因此，針對全國范圍內的山羊地理分布特征，作者以地理信息系統的資源管理、空間建模與分析、信息可視化等功能為支撐，建立具有智能推理與決策支持功能的中國地方山羊品種資源管理系統，實現對山羊資源信息的管理、建模、分析及可視化。本論文以GIS和Internet技術為技術支撐，建立面向山羊資源信息管理的數據庫，并采用VB.NET、ASP等技術設計與開發系統，實現對空間數據與山羊相關的專題數據管理、信息查詢與分析、制圖可視化等功能。

2 系統設計的基礎

2.1 B/S架構 本系統采用了目前應用比較廣泛的B/S三層體系結構。通常來說，將C/S結構稱之為胖客戶端工作模式，即客戶機/服務器（client/server）兩層結構模式，這種模式是將數據統一存儲在服務器上，而相關的交互業務都在客戶端實現，當擴展到廣域網的時候，這種模式就難以管理龐大的客戶端機群。B/S結構則稱瘦客戶端工作模式，它是將原來屬于客戶端的交互業務獨立出來，與數據庫服務器中的存儲過程相合并形成一個單獨的應用層（如圖1所示）。這樣，就提高了系統的靈活性和計算能力。

B/S結構的客戶端采用具有交互功能的瀏覽器，用戶通過互聯網，可以在任何地方進行操作而又不用安裝任何專門的軟件，只要有1臺可以上網的電腦就行，減輕了客戶的業務壓力，客戶端零維護。除此之外，B/S架構的軟件成本也較低，同時由于客戶端的零維護，便于我對系統進行維護和升級。

圖1 三層B/S結構體系的基本結構

2.2 WebGIS技術

2.2.1 WebGIS Internet的發展也伴隨著GIS技術的進一步應用，在Web基礎上，GIS功能也得到了有力延伸，通過網絡應運而生WebGIS。WebGIS廣義上說就是基于網絡的地理信息系統，一般由3部分組成：Web GIS瀏覽器（browser）、WebGIS 信息代理（information agent）、Web GIS服務器［4］（如圖2所示）。

2.2.2 開源GIS 隨著GIS的發展，有關GIS的各種軟件也是層出不窮，功能也是越來越齊全。然而就目前的形勢來看，這些軟件大多價格昂貴，一般作為商業用途，并不是所有的科研機構都能夠承受。自上世紀90年代，開源思想廣泛滲透到GIS領域，國內外許多科研院所相繼開發出開源GIS，相對于傳統的GIS軟件，基于開源平臺的GIS，不僅僅是免費和開放的，用戶還可以根據自己的需要增加功能，此外，開源GIS大多可進行跨平臺開發，這對各種系統的開發帶來了更大的便利，具有很明顯的優勢［5］。

圖2 WebGIS基本結構

本系統的開發采用的GIS技術是通過MapEasy技術來實現數字地圖的發布，它是一種基于開源平臺下的WebGIS技術。

一般來說，傳統的WebGIS技術在實現數字地圖的時候，是由服務器端的GIS服務器生成，而這種方法客戶端每向服務器請求一次，服務器都要重新生成地圖圖片，然后發送給客戶端，使得服務器的負載加重，同時反應速度也會很慢［6］。MapEasy利用了地圖的預生成技術和 Ajax（asynchronous javascript and XML）技術，通過大概基本的幾千行代碼形成了一個類似GoogleMap的客戶端JavaScript開源庫，可實現最基本的數字地圖功能和簡單的地物標注等功能，一個輕量級的客戶端JS庫，不需要任何插件，并且與后臺數據的獲取方式完全分離［7］。

2.3 系統開發的環境 本系統設計與開發環境為：采用Microsoft IIS為Web服務器，開發工具是Microsoft Visual Studio 2005為程序開發環境，ASP.NET和VB.NET為開發語言，Microsoft SQL Server 2000為數據庫平臺。

3 系統的設計與實現

3.1 系統的總體設計路線 本研究綜合運用動物學、地理信息系統以及計算機等相關的理論與技術方法，設計并實現了基于GIS的中國地方山羊品種資源管理系統，其技術路線如圖3所示：

3.2 系統的需求分析 首先，在設計本系統的時候所要處理的最主要目標是山羊品種的資料，因此關于數據的采集和數據庫的設計顯得格外重要。同時，由于目前可能出現的數據變動，如未知新品種的發現，生物的選擇性變異可能導致的形態學變化，一些非人為原因導致的品種地理學的變遷等，系統的升級和維護也顯得較為重要，在設計之前就應該考慮到這些問題，在設計數據庫的時候盡量考慮完全。

圖3 系統技術路線

其實，系統在設計的時候，要考慮到本系統面對的用戶和需要實現的功能，包括地圖的查詢、物種的地理標注等，設計出系統的主要框架，在設計上力求做到操作簡單，界面友好。

3.3 數據分析與處理 我國土地遼闊，山羊品種豐富，通過查詢各種資料，在全國23個普通行政區、5個民族自治區和4個直轄市，總結了43個山羊地方品種。其中一些地方品種在幾個省份都存在，如太行山羊在河北省、山西省和河南省都有記載，四川省、貴州省和陜西省都有板角山羊的記載等。而有些省份，由于受地區環境的限制，也同時存在幾種山羊品種，如四川省和云南省就有7種品種之多［8］。

通過省份將不同山羊品種進行劃分，整理數據如下：

1）民族自治區：①內蒙古自治區：內蒙古絨山羊，中衛山羊；②廣西壯族自治區：隆林山羊，都安山羊；③寧夏回族自治區：中衛山羊；④新疆維吾爾自治區：新疆山羊；⑤西藏自治區：西藏山羊。

2）普通行政區：①河北省：太行山羊，承德無角山羊；②山西省：太行山羊，呂梁黑山羊；③遼寧省：遼寧絨山羊；④江蘇省：黃淮山羊，長江三角洲白山羊；⑤浙江省：長江三角洲白山羊；⑥安徽省：黃淮山羊；⑦福建省：福清山羊，戴云山羊；⑧江西省：贛西山羊，廣豐山羊；⑨山東省：濟寧青山羊，沂蒙黑山羊，魯北白山羊；⑩河南省：太行山羊，黃淮山羊，伏牛白山羊；[11]湖北省：馬頭山羊，宜昌白山羊；[12]湖南省：馬頭山羊，湘東黑山羊；[13]廣東省：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，古欗馬羊，川東白山羊；[16]貴州省：板角山羊，貴州白山羊；[17]云南省：鳳慶無角黑山羊，圭山山羊，臨滄長毛山羊，龍陵山羊，馬關無角山羊，云嶺山羊，昭通山羊；[18]陜西省：陜南白山羊，板角山羊，子午嶺黑山羊；[19]甘肅省：河西絨山羊，中衛山羊，子午嶺黑山羊；[20]青海省：柴達木山羊。

3）直轄市：①上海市：長江三角洲白山羊；②重慶市：川東白山羊。

3.4 數據庫設計與建立 本系統的數據庫包括兩個，本系統采用開源GIS的技術，通過Mapeasy現有的代碼技術，根據國家基礎地理信息中心提供的全國1∶400萬電子地圖為基礎，建立起來空間數據庫。屬性數據庫主要包括用戶信息、山羊基本數據和圖片信息。包括以下幾個數據庫：用戶數據庫（pzglDb_Users），其結構如圖4；山羊基本情況數據庫（pzglDb_Goat），其結構如圖5；山羊圖片數據庫（pzglDb_ImageData），其結構如圖6。

圖4 用戶

圖5 山羊基本信息

圖6 山羊圖片

3.5 系統功能結構設計 根據系統的需求分析，給出了系統需要實現的功能，將這些功能劃分成幾個模塊實現，具體包括以下幾個模塊：用戶登陸子系統、地圖服務、數據管理系統、系統管理子系統。這幾個系統在功能上是獨立的，如圖7所示。

圖7 系統功能結構

3.6 系統功能和試驗網站 本系統在設計完成之后，建立了試驗網站（http：//evo.hzau.edu.cn/），可以實現網絡地圖的一些通用功能，包括：①地圖縮放：對所要顯示的空間數據進行縮小和放大；②視圖漫游：對所顯示的空間數據進行上下左右漫游；③新建圖層：加入不同內容或者更加精確的圖層；④刪除圖層：刪除不需要的圖層；⑤點位標注：將不同地區的山羊標注到地圖上；⑥專題數據的雙向查詢：指屬性到空間位置的查詢及空間位置到屬性的雙向查詢功能，即通過輸入山羊稱或地區位置等屬性信息自動定位并顯示山羊所在地圖上的位置，或通過鼠標點擊不同的地理位置顯示山羊相關屬性信息等（圖 8，9）。

此外，還可以實現山羊品種的查詢功能，實現在地圖上的可視化，羊業用戶和羊業養殖戶通過互聯網足不出戶就掌握到這些信息，為羊場的建設和選種帶來便捷。

圖8 山羊資源分布系統主界面

圖9 山羊信息顯示界面

4 結語

本系統以計算機技術為基礎，以地理信息技術和網絡技術為支撐而建成，建成后的種質資源管理系統又具有地理信息的新特征。建立在GIS基礎上的山羊資源管理系統，為生產管理者帶來便捷，引導羊業養殖者在建場選址和品種選擇上有序進行。隨著網絡技術和科學技術的進一步發展，該系統也將進一步升級和完善，根據建立起來的種質資源庫，整合山羊疾病的評估系統，對系統的功能進一步實現和完善，以適應生產的需求，從而更好為提高養羊業的經濟效益服務。

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