基于GIS 的陜西省動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李文鳳，楊亞莉，李 龍

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物工程分院，陜西 楊凌 712100；2.楊陵區(qū)行政審批服務(wù)局，陜西 楊凌 712100）

隨著信息技術(shù)高效、迅速地在畜牧業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，畜牧業(yè)信息化已產(chǎn)生了新的定義，即以科技生產(chǎn)力促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展，通過通信、遙感和光電技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)信息手段，準(zhǔn)確、有效地獲取畜牧業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營(yíng)信息，從而提高其生產(chǎn)效率和決策水平［1，2］。通過畜牧業(yè)信息化，可以及時(shí)把有效、準(zhǔn)確信息反饋到畜牧業(yè)相關(guān)技術(shù)和使用人員手中，更便于系統(tǒng)化應(yīng)用和推廣，這也是傳統(tǒng)畜牧業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的過程。

1 中國(guó)畜牧業(yè)信息化發(fā)展概況

20 世紀(jì)80 年代以來，中國(guó)開始把信息技術(shù)與農(nóng)牧業(yè)、資源、環(huán)境等方面進(jìn)行結(jié)合研究并推廣應(yīng)用，尤其是由中國(guó)科學(xué)院完成的草原草畜平衡等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣已取得極大成功［3，4］。中國(guó)信息化技術(shù)和畜牧業(yè)的研究應(yīng)用發(fā)展較快，在全國(guó)畜牧業(yè)“十一五”和“十二五”規(guī)劃中都以全面推進(jìn)畜牧業(yè)信息化發(fā)展為主要內(nèi)容，逐漸形成相對(duì)完整的畜牧業(yè)信息化建設(shè)體系。在提升了畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，進(jìn)一步提高其標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化，使畜牧業(yè)發(fā)展成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的現(xiàn)行表率。但信息數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，且各地發(fā)展不平衡［5，6］，信息共享原則和標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一，因此進(jìn)一步加強(qiáng)信息化建設(shè)，加強(qiáng)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是提高畜牧業(yè)發(fā)展力的有效保障和必要前提［7，8］。

在畜牧業(yè)迅速發(fā)展的今天，中國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，散養(yǎng)和偏僻分布狀況明顯減少，家庭牧場(chǎng)和養(yǎng)殖專業(yè)合作社等新型經(jīng)營(yíng)主體快速發(fā)展，規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)，動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)以及進(jìn)出口業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)［9］。隨著國(guó)家大力推行農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策，大型動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)得以迅速發(fā)展，但這也導(dǎo)致了一些問題。由于養(yǎng)殖畜禽數(shù)量龐大，種類多樣，且養(yǎng)殖業(yè)不夠成熟、流通渠道的增多等，導(dǎo)致動(dòng)物疫病暴發(fā)頻率和范圍在不斷增加［10，11］，這也導(dǎo)致了動(dòng)物養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的下降，直接影響到了養(yǎng)殖戶的積極性，因此，在畜牧業(yè)信息化發(fā)展的現(xiàn)今，利用GIS和RS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)精細(xì)化管理、生產(chǎn)和運(yùn)行具有重大意義。

目前GIS 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)物防疫中，研究人員通過建立監(jiān)控體系及時(shí)高效進(jìn)行信息溝通，利用時(shí)空模型進(jìn)行疫病的空間分布模式、流行趨勢(shì)、影響因素等評(píng)估研究，能及時(shí)有效地進(jìn)行疫病的防范和救治，避免擴(kuò)散，并為政府和相關(guān)部門應(yīng)用GIS 技術(shù)平臺(tái)建立提高疫情快速反應(yīng)和應(yīng)對(duì)提供科學(xué)依據(jù)。GIS 應(yīng)用于動(dòng)物流行病學(xué)最基礎(chǔ)的功能就是研究疫病分布，Cringoli等［12］利用GIS對(duì)意大利亞平寧山區(qū)牛和羊的肝片吸蟲流行情況調(diào)查研究，Schwermer等［13］、French 等［14］對(duì)GIS 在動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)和控制中的作用做了詳細(xì)介紹，Norstrom［15］利用GIS 對(duì)1973—1992 年英國(guó)羊疥癬病發(fā)生的空間和時(shí)間模式進(jìn)行研究，這些都表明GIS 在動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)與控制中有非常重要的作用。

結(jié)合中國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字畜牧是動(dòng)物疫病防控領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。將GIS 應(yīng)用于動(dòng)物疫病監(jiān)管能實(shí)現(xiàn)日常防控的有效管理，可以根據(jù)收集的基礎(chǔ)信息加載有效畜牧專題地圖、防疫數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間分析和綜合管理［16］，也可分析動(dòng)物疫病的整體空間分布，建立GIS 預(yù)測(cè)模型［17］，還可以通過GIS 對(duì)空間信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物疫病的風(fēng)險(xiǎn)管理和預(yù)警管理［18］，表明GIS 在動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)與控制中有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 陜西省畜牧業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在全面推進(jìn)現(xiàn)代化建設(shè)的重要時(shí)期，畜牧業(yè)所處國(guó)內(nèi)外的環(huán)境也在發(fā)生變化，畜牧業(yè)既面臨畜產(chǎn)品消費(fèi)剛性增長(zhǎng)、政府大力扶持等諸多有利條件，也面臨國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)沖擊、資源約束加劇、環(huán)保壓力加大和疫病風(fēng)險(xiǎn)增大等諸多挑戰(zhàn)。“十二五”期間，陜西省畜牧業(yè)進(jìn)入了生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展、質(zhì)量穩(wěn)步提高、綜合生產(chǎn)能力不斷增強(qiáng)的新階段。2019 年全省畜牧業(yè)增加值比上年增長(zhǎng)4.5% ，畜牧業(yè)產(chǎn)值占全省農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的31%，已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)。由于陜西省鮮明的地域特征，也形成“陜南生豬、陜北肉羊、渭北肉牛、關(guān)中奶畜”的產(chǎn)業(yè)布局［19］。

2006—2017 年陜西省生豬存欄量和出欄量穩(wěn)步增長(zhǎng)，2018 年由于受非洲豬瘟影響，年末存欄量有所減少，但畜禽結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，整體產(chǎn)量較為平穩(wěn)，養(yǎng)禽業(yè)發(fā)展有所提高（圖1）。2019 年底牛存欄150.17 萬頭，較2015 年年末存欄率增長(zhǎng)了2.3%；奶牛存欄27.4 萬頭，較2015 年年末存欄率下降了36.9%；家禽存欄7 760.16 萬羽，較2015 年年末存欄率增長(zhǎng)了15.2%；豬795.698 萬頭，較2015 年下降了5.9%；羊存欄815.05 萬頭，較2015 年年末存欄率增長(zhǎng)了16.1%；奶山羊存欄131.293 2 萬頭，較2015 年年末存欄率增長(zhǎng)了39.4%；兔存欄118.23 萬只，較2015 年年末存欄率下降了58.7%（圖2）。

圖1 2006—2019 年陜西省畜牧業(yè)生產(chǎn)情況

圖2 2015—2019 年陜西省畜禽存欄情況統(tǒng)計(jì)

雖然陜西省加大政府政策投資力度，全省散養(yǎng)戶逐年遞減，養(yǎng)殖專業(yè)合作社和養(yǎng)殖協(xié)會(huì)等迅速發(fā)展，并以企業(yè)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)規(guī)模化養(yǎng)殖，但各級(jí)動(dòng)物防疫仍存在問題。動(dòng)物疫病種類繁多，地區(qū)分布相對(duì)較廣，家庭養(yǎng)殖或偏遠(yuǎn)地區(qū)更易受到疫病侵害。同時(shí)，畜牧產(chǎn)業(yè)涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如果處理不當(dāng)也可能會(huì)傳播疫病，再加上國(guó)際畜牧產(chǎn)業(yè)交易頻繁，也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物疫情日益復(fù)雜化。

近幾年根據(jù)陜西省畜牧業(yè)生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物疫情流行快，易導(dǎo)致牲畜死亡，降低養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅當(dāng)?shù)氐男竽琉B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。因此，建立系統(tǒng)的動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于信息化畜牧業(yè)發(fā)展，提高產(chǎn)值并進(jìn)行宏觀決策和統(tǒng)籌具有非常重要的意義，動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)可以動(dòng)態(tài)化掌握當(dāng)?shù)貏?dòng)物疫病狀況，確保疫病預(yù)防工作可防、可控和有效性。

3 動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能模塊

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于GIS 的陜西省動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)動(dòng)物養(yǎng)殖分類、動(dòng)物疫病資料、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律以及影響因素，用直觀判斷或者統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法對(duì)發(fā)生和發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)判斷，是一個(gè)特定的信息平臺(tái)。動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為了全面系統(tǒng)地對(duì)動(dòng)物疫病發(fā)生、發(fā)展和遷移等進(jìn)行科學(xué)管理，系統(tǒng)可以在信息化畜牧業(yè)的基礎(chǔ)上把地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)三者相結(jié)合，對(duì)動(dòng)物疫病的產(chǎn)生發(fā)展和動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)律地分析，提高對(duì)病癥的變化特征、蔓延趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)水平，并為阻斷疫病蔓延提供決策性建議。通過實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)疫情相關(guān)分析信息可視化，為政府相關(guān)部門準(zhǔn)確了解疫情信息，并為防控疫病和后續(xù)決策做出有效的判斷。

該系統(tǒng)是在地區(qū)畜禽位置遙感影像信息、各類地圖信息數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)和所在地區(qū)畜禽歷史病歷數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)上建立的綜合性信息系統(tǒng)，是結(jié)合GIS 構(gòu)建的數(shù)字化應(yīng)用型信息平臺(tái)。系統(tǒng)采用Ar?cObjects 控件進(jìn)行開發(fā)，利用AO 控件開發(fā)自主獨(dú)立的功能界面，使組件層位于用戶客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù)之間并可根據(jù)系統(tǒng)需求開發(fā)適合用戶的各類功能模塊，便于用戶進(jìn)行操作并具有類似ArcGIS 軟件的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《2019 年國(guó)家動(dòng)物疫病強(qiáng)制免疫計(jì)劃》通知中，明確規(guī)定了強(qiáng)制免疫的總體計(jì)劃和要求，并列出了免疫病種，包括口蹄疫、高致病性禽流感、布魯氏菌病等。因此，在遵循國(guó)家政策要求的基礎(chǔ)上，保證對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

（1）根據(jù)用戶需求分析，建立便于操作和溝通的用戶界面，功能模塊便捷易操作，同時(shí)具備GIS 和RS 的基本功能。

（2）系統(tǒng)采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可便于后續(xù)開發(fā)增加新的功能和補(bǔ)充模塊。

（3）所有數(shù)據(jù)應(yīng)符合開發(fā)控件的基本要求和標(biāo)準(zhǔn)，并遵守國(guó)家規(guī)定、規(guī)范，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)基本功能

根據(jù)需求分析，可把系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集、處理、分析和決策4 部分，該系統(tǒng)可劃分為空間分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、疾病數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)據(jù)輸出和幫助5 個(gè)功能模塊，同時(shí)，利用ArcObjects 提供的可視化控件中的MapControl 和PageLayoutControl 來實(shí)現(xiàn)具有ArcMap 功能的獨(dú)立應(yīng)用程序，可以更好地體現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的瀏覽和分析。

3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊 包括不同區(qū)域養(yǎng)殖場(chǎng)或合作社畜禽養(yǎng)殖基本信息、防疫基本數(shù)據(jù)和政府相關(guān)政策要求等數(shù)據(jù)。對(duì)加載的地理數(shù)據(jù)可進(jìn)行顯示、查詢，并應(yīng)用DataSourceRaster 庫(kù)完成柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)數(shù)據(jù)圖層的操作可在Map Control 控件下完成并通過TreeView 事件加載不同圖層地理數(shù)據(jù)，還可對(duì)多個(gè)圖層進(jìn)行刪除、移動(dòng)、編輯等操作；對(duì)屬性數(shù)據(jù)的查詢可通過對(duì)當(dāng)前圖層的相關(guān)對(duì)象選擇等功能實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 空間分析 通過IMap 接口實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)圖層操作進(jìn)行分析，還可通過ITopologicalOperator 接口實(shí)現(xiàn)空間拓?fù)溥\(yùn)算，應(yīng)用CboOveralyerType 控件對(duì)多個(gè)時(shí)間段的疫病發(fā)展進(jìn)行疊置分析等功能，可以根據(jù)每年疫病的空間數(shù)據(jù)計(jì)算其空間趨勢(shì)變化，對(duì)疫病分布的位置變化進(jìn)行研究；也可計(jì)算不同疫病種類、畜禽種類的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓疊加來進(jìn)行評(píng)估；還可以根據(jù)多種類型空間數(shù)據(jù)指標(biāo)來描述和分析整個(gè)區(qū)域或單獨(dú)區(qū)域的情況和空間趨勢(shì)變化等。

3.3.3 疫病數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型 動(dòng)物疫病趨勢(shì)和發(fā)展變化是其動(dòng)態(tài)研究的重要內(nèi)容，可通過空間變化對(duì)不同地域畜禽養(yǎng)殖引起疫病的分布情況、流行趨勢(shì)等進(jìn)行追蹤和發(fā)展變化的研究。因此，還可借鑒已有的動(dòng)態(tài)空間模型對(duì)全省動(dòng)物疫病的動(dòng)態(tài)檢測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)律的分析，預(yù)防與防治相結(jié)合，在疫情流行區(qū)域范圍內(nèi)采集樣本，分析疫病流行情況，明確其種類，為后續(xù)的研究提供重要的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

在數(shù)據(jù)分析模型中可以嵌套采用較為完善的專家預(yù)測(cè)系統(tǒng)和專家診斷系統(tǒng)等畜牧業(yè)專家系統(tǒng)，這樣可以更及時(shí)方便地對(duì)疫病進(jìn)行預(yù)防、監(jiān)控并給予決策人員或部門提供有效的信息數(shù)據(jù)便于判斷導(dǎo)向。3.3.4 數(shù)據(jù)輸出 可以根據(jù)需求生成各種形式的文字、報(bào)表，并在PageLayoutControl 控件下生成專題圖，尤其對(duì)于地理信息數(shù)據(jù)可采用多種格式保存或輸出。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)保證在既定的畜牧業(yè)環(huán)境下提供全面、可靠、安全的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，考慮到全省的數(shù)據(jù)量較大，可把屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)；針對(duì)空間數(shù)據(jù)可使用Geodatabase 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

屬性數(shù)據(jù)主要包括不同時(shí)間畜禽養(yǎng)殖、疫病防疫等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)分布、基礎(chǔ)信息、防疫情況、產(chǎn)生何種疫病等數(shù)據(jù)；動(dòng)物疫病樣本數(shù)據(jù)，疫病防治數(shù)據(jù)以及相關(guān)法規(guī)政策和全省的統(tǒng)計(jì)資料等數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)主要包括：動(dòng)物疫病的點(diǎn)、面數(shù)據(jù)圖、疫病取樣地?cái)?shù)據(jù)、各類地形專題圖、畜禽養(yǎng)殖分布影像和其他遙感影像資料等數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

基于GIS 的陜西省動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全省動(dòng)物防疫的科學(xué)管理，促進(jìn)其對(duì)動(dòng)物疫病的有效防控。該系統(tǒng)在畜牧防疫方面一個(gè)重要的應(yīng)用就是能夠加強(qiáng)對(duì)動(dòng)物疫病防疫體系的監(jiān)管，可以全方位、及時(shí)高效地處理相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)管體系內(nèi)對(duì)疫情進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反饋，對(duì)動(dòng)物疫情的發(fā)生和擴(kuò)散都有著一定的監(jiān)控，并在發(fā)生事故后進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警與控制，甚至在疫病產(chǎn)生之前就先預(yù)判并有效遏制。同時(shí)，政府和相關(guān)部門可以通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于養(yǎng)殖人員遇到的各種突發(fā)狀況的處理，根據(jù)收集和傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合和管理，使畜禽安全得到保障，減少養(yǎng)殖人員的經(jīng)濟(jì)損失。

通過系統(tǒng)的建立可以有效提高疫病的防控，從而增加畜產(chǎn)品的產(chǎn)量，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)，系統(tǒng)的投入可以節(jié)約畜禽業(yè)的生產(chǎn)成本，減少人力投入，提高畜牧業(yè)信息化的管理。動(dòng)物疫病動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)GIS 和RS 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息化畜牧業(yè)的發(fā)展，通過數(shù)據(jù)視圖和版面設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)對(duì)地區(qū)畜禽疾病的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，研究其動(dòng)物疫病變化特征、追蹤流行病學(xué)軌跡以及后續(xù)畜禽養(yǎng)殖的生態(tài)環(huán)境價(jià)值評(píng)估，并為陜西省畜禽業(yè)均衡發(fā)展提供決策性服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全省的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。