濕地自然保護區水鳥監測數據管理系統設計和初建

蔡音亭

(上海市九段沙濕地自然保護區管理事務中心，上海 200135)

記錄和監測野生動物對保護物種和其生存環境至關重要，調查自然資源并建立檔案也是我國自然保護區管理機構的主要職責。鳥類處于食物鏈的較高等級，其調查技術成熟、容易實施，常作為監測環境變化的指示生物，鳥類也是濕地生態系統中的重要類群。長期的鳥類監測在世界范圍內的多個國家大規模開展，如美國繁殖鳥類調查(Hudson et al, 2017; Sauer et al, 2017)，英國普通鳥類調查、繁殖鳥類調查(Freeman et al, 2002)，西澳大利亞鸻鷸類調查(Rogers et al, 2020)。調查數據可用于監測種群變化(Hudson et al, 2017; Sutherland et al, 2004)，確定保護的優先次序，識別受威脅物種，探索基本的生態關系(Edwardset al, 2020)。我國的鳥類監測雖然起步較晚，但近20年也在不同地理尺度上實施，在全國尺度上，如全國陸生野生動物資源調查(郜二虎等, 2014)，在區域尺度上，如中國沿海水鳥同步調查(China Coastal Waterbird Census Group et al., 2015)、上海市水鳥同步調查(裴恩樂等, 2012)，鳥類分布的重要地點也自行組織調查，累積了大量數據。監測獲得的數據常儲存在多個文件中，傳統的文件處理環境難以方便地獲取所需數據，相同信息可能在幾個地方重復儲存，存在數據冗余和不一致問題，數據錄入和初步統計中容易因為人工疏忽發生錯漏，結合監測路線、物種信息統計匯總數據也不方便，需要開發高效的系統存儲和管理數據，為保護區管護水平提升和生物多樣性保護研究提供支持(陳志方等, 2012; 廖寶雄等, 2020)。

本研究結合多年水鳥監測實踐，從濕地自然保護區管理需要出發，設計了濕地自然保護區水鳥監測數據管理系統，使用Windows版本的XAMPP軟件集成包和Tableau Desktop軟件，以My SQL作為后臺數據庫，HTML和PHP編輯的Web頁面以及Tableau Desktop作為前端進行系統初建，功能模塊設計時充分考慮了野外調查的實際情況和濕地水鳥群落特征。利用該系統，數據庫管理人員可以高效地錄入監測數據和調查信息，實現復雜的檢索查詢，系統高效生成并展示單次監測報告和年度調查簡報，提高了數據簡單統計的效率，保護區管理人員還能查詢瀏覽不同時間范圍內單個物種分布情況和數量信息的可視化展示。

1 總體結構設計

濕地自然保護區水鳥監測數據管理系統設計采用B/S(瀏覽器/服務器)模式和C/S(客戶端/服務器)模式結合的包括數據層、中間層和應用層三層的分布式結構。數據層采用My SQL數據庫，是系統三層結構中的基礎和核心，數據庫存儲有關監測記錄、物種和路線等信息。中間層為Web應用服務層，用于接受用戶發來的請求，從后臺數據庫反饋處理結果。應用層即表示層，B/S模式的表示層為瀏覽器，用戶可以通過瀏覽器瀏覽監測報告，C/S模式的表示層通過Tableau Desktop實現，Tableau與數據庫連接充當前端可視化工具，用戶在篩選器選擇物種和監測時間，查詢不同時間范圍內單個物種分布情況和數量信息(圖1)。

圖1 系統結構圖Fig.1 system structure diagram

2 數據庫設計

本數據管理系統的用戶定位為濕地自然保護區管理人員，系統用戶分為一般用戶和管理員用戶。一般用戶的權限主要為瀏覽和簡單查詢，可以瀏覽單次監測報告、年度監測簡報，查詢不同時間范圍內單個物種分布情況和數量信息，管理員用戶可以更新、修改、刪除數據，在后臺用SQL語句靈活地執行復雜的查詢。

數據庫設計確定數據庫模式，概念結構設計是數據庫設計的關鍵，它從用戶的觀點出發對系統建模，最終形成一個獨立于具體的數據庫管理系統的概念數據模型。實體-聯系(E-R)數據模型提供了一種識別數據庫中表示的實體以及這些實體間如何關聯的方式(Silberschatz et al, 2021)。

濕地自然保護區水鳥監測一般采用沿固定路線觀察、直接計數鳥類的方法開展。數據庫的實體包括監測、物種和路線，實體間以記錄作為聯系(圖2)。

圖2 濕地自然保護區鳥類監測數據庫的實體-聯系圖Fig.2 Entity-relationship diagram of the bird monitoring database of the wetland nature reserve

監測實體的屬性主要包括監測日期、主要調查人、其他調查人、數據審核人、天氣和監測備注等。監測日期是監測實體的主鍵。調查人發現、識別物種的能力和數量估計對監測結果有影響，野外調查常為兩人及以上共同開展，在設計監測實體時將主要調查人和其他調查人分兩個屬性記錄。如果在自然保護區開展常規水鳥監測的頻次多，無法保證所有的監測都在“理想”的情況下進行，可以在監測備注記錄調查時遇到的異常，如因交通工具損壞、天氣突變等造成不能完成全部路線調查的情況，有助于后續數據匯總分析時處理異常值和分析原因。

路線實體的屬性主要包括監測路線編號、監測路線名、路線起點和終點的經緯度、路線長度、生境類型和路線備注等。監測路線編號是路線實體的主鍵，監測路線應保持固定(上海市市場監督管理局, 2019)。

物種實體的屬性主要包括物種編號、物種名、學名、目名、科名、IUCN保護等級(蔣志剛等, 2003)、國家陸生野生動物重點保護等級、居留型、是否為水鳥、水鳥的生態類群(陳家寬, 2003)、是否是中澳候鳥保護協定名錄中的候鳥、是否是中日候鳥保護協定名錄中的候鳥、首次發現時間、首次發現人和物種備注。物種名稱和分類以《中國鳥類分類與分布名錄(第三版)》(鄭光美, 2017)為準。物種編號是物種實體的主鍵，在野外調查時遇到無法鑒定到具體物種的鳥，以能鑒定到的最小分類單元記錄，如未識別鳥類、未識別雁鴨類、未識別銀鷗，也包含在物種實體中，以“未命名+野外能鑒定到的最小分類單元”表示，統計類群數量時，未鑒定到具體物種的記錄計算在內，在統計物種數時不計算在內。

記錄聯系的主要屬性包括記錄編號、物種名、數量、監測日期、記錄時間、監測路線名和記錄備注等。記錄聯系關聯了監測、路線和物種實體，通過監測日期與監測實體關聯，通過監測路線名與路線實體關聯，通過物種名與物種實體關聯。如果1次野外監測在多日進行，為了便于統計管理，將監測開始的日期記錄在監測日期，監測天數記錄在備注。記錄時間是記錄發生在1天內的具體時間，潮位影響水鳥分布，利用監測日期和記錄時間還可以查詢到調查時的潮位。許多鳥類調查記錄表設計記錄各式信息，如亞種、成幼、彩色標記、行為和與調查者的距離等，但在實際監測中，這些信息只會偶爾記錄，故設計將這些內容記錄在備注，或者為專項調查設計包含所需屬性的記錄聯系。

3 功能設計和初步實現

本系統的功能模塊主要包括數據管理模塊和統計模塊。

3.1 數據管理模塊

數據管理模塊主要實現監測數據的錄入、編輯、修改、刪除和復雜查詢等功能，由管理員用戶完成。

My SQL數據庫基于關系模型，用表的集合表示數據和數據之間的聯系,實體—聯系模型定義的概念模式映射到關系模式。每次監測結束后更新記錄表，并將調查人、天氣和監測日期等作為一個元組更新監測表。現在已有能利用移動終端在野外記錄調查結果的網頁或應用，但本系統在設計時，為了盡量減少實地調查時做記錄花費的時間，推薦調查人按自己慣用的方法在野外做記錄，工作結束后再將記錄輸入記錄表，存儲為CSV格式后導入監測數據管理系統。

水鳥監測數據管理系統設計時，將物種表“物種名”屬性作為記錄表“物種名”屬性的外鍵約束，因此在記錄表錄入一條記錄時，該條記錄的“物種名”必須已經在物種表的“物種名”屬性中存在。如果在調查中發現水鳥物種新記錄，受該外鍵約束無法錄入，此時需要將新記錄的物種作為一個元組新增到物種表。另外，通過該外鍵約束條件也能發現物種名錄入錯誤的情況。

3.2 統計分析模塊

瀏覽器/服務器模式的統計分析模塊對調查數據簡單統計，利用PHP與后臺數據鏈接(陳志方等, 2016)，展示單次監測報告和年度監測簡報。客戶端/服務器模式通過Tableau Desktop與數據庫連接實現，用戶利用篩選器選擇物種和監測時間，查詢不同時間范圍內單個物種分布情況和數量信息的可視化展示。

3.2.1 單次監測報告 一次鳥類監測完成，數據錄入到數據庫，用戶可以利用數據管理系統查詢生成的單次監測報告。報告的主要內容包括監測日期、監測人員、記錄到的鳥類種類數及數量、水鳥種類數和數量，表格匯總各監測路線記錄到的物種和數量(圖3)。

圖3 單次監測報告示例Fig.3 Example of a single monitoring report

3.2.2 年度監測簡報 年度監測簡報匯總1年內的鳥類監測數據，主要包括1年內記錄到的鳥類種類、數量及時間動態、不同生態類群水鳥(雁鴨類、鸻鷸類、鷗科鳥類和鷺科鳥類)的數量及時間動態，圖表展示選用ECharts圖表庫(賈天琳, 2018)，還可以包括本年內鳥類新記錄、重點保護和珍稀瀕危鳥類情況及鳥類名錄等(圖4)。

圖4 年度監測簡報示例Fig.4 Example of briefannual monitoring report

3.2.3 物種記錄情況 Tableau Desktop數據可視化技術能用儀表盤同時展示有關單個物種監測結果的幾個統計圖表。用戶可以通過篩選器選擇物種和監測時間，查詢不同時間范圍內單個物種分布情況和數量信息。統計圖包括每次調查記錄到所查詢物種的數量、物種分布圖、在各條監測路線遇見的頻次等。物種分布圖上，圓形的面積示意監測到的相對數量(圖5)。

圖5 可視化物種記錄情況示例Fig.5 Example of visualized species records

4 結語

本研究從濕地自然保護區管理的需要出發，設計的水鳥監測數據管理系統可以提高工作人員錄入和統計水鳥監測數據的效率，方便檢索監測結果。本系統的設計和初建針對水鳥監測數據，但也可作為利用My SQL數據庫和前端管理其他生物類群或環境因子監測數據的參考。

本研究中的數據庫在設計時，實體和聯系的屬性只包括了在濕地自然保護區開展水鳥監測時需常規記錄的內容，如果要實現特定的調查目標，可以根據需要在數據庫中增加表或屬性，如：(1)添加彩色標記觀測表，屬性包括監測日期、監測路線、彩色標記類型(旗標、頸環和鼻環等)、顏色和編號等；(2)利用距離計算水鳥豐度時，可以在記錄實體增加“距離”屬性；(3)野外調查現場記錄的移動軌跡和拍攝的照片也可作為監測實體的非格式內容存儲在數據管理系統。

本數據管理系統的用戶定位為自然保護區管理人員，未來可以更新設計開放給包括公眾在內的更多用戶，把數據管理系統作為共享監測信息的平臺。鳥類研究人員和觀鳥愛好者也可參考本設計，利用My SQL建立滿足自己需要的鳥類調查數據庫。