中药资源普查野外数据采集系统设计与实现△

马卫峰，孙冠楠，张小波，王哲，朱寿东，郭兰萍*

(1.中国中医科学院 中药资源中心，北京 100700；2.农业部规划设计研究院，北京 100025；3.长春中医药大学 药学院，吉林 长春 130117)

专 稿

中药资源普查野外数据采集系统设计与实现△

马卫峰1，孙冠楠2，张小波1，王哲3，朱寿东1，郭兰萍1*

(1.中国中医科学院 中药资源中心，北京 100700；2.农业部规划设计研究院，北京 100025；3.长春中医药大学 药学院，吉林 长春 130117)

野外数据采集是中药资源普查必不可少的工作环节。然而，野外调查内容多，工作量大，再加上野外环境复杂，因此，野外调查工作往往难度较大，调查成本较高。本文设计并实现了中药资源普查野外数据采集系统旨在利用嵌入式技术和GIS技术，提高调查效率和质量。该系统采用4层软件架构模式，实现了地图基本操作、地图导航、图层控制、调查点查看、信息采集等功能，能够为第四次全国中药资源普查野外调查工作提供强有力的技术支撑。

中药资源、野外调查系统、移动GIS

中药资源是中药产业和中医药事业发展的重要物质基础，是国家的战略性资源，中医药的传承与发展全靠丰富的中药资源支撑[1]。因此，为了促进中医药事业的发展，必须加强中药资源保护，其中中药资源调查是资源保护的前提和基础[2]。数据采集是中药资源调查中取得野外数据的基础工作，是野外科学调查工作的关键环节。传统数据采集通常采用手工作业的方式，主要存在以下问题：(1)空间位置和图形的标绘精度不高；(2)调查人员填写纸质表格工作量较大，且不便于查阅；(3)调查表格之间的逻辑关系复杂，不便于有效控制；(4)内业数据的录入工作量大，且容易产生人为误差。

20世纪60年代以来，空间信息技术以其快速、方便、高效的优势，被广泛应用于社会和国民经济的各个方面，尤其是在测绘、地质调查以及资源调查工作中应用最为全面[3-4]。随着嵌入式技术的发展，空间信息技术也逐步向移动式、便携式的方向延伸和发展，并取得了重大的进步。移动GIS的出现，为提高野外调查工作的效率和质量带来了重要的技术支持。各行各业都积极研究和发展基于PDA、平板电脑等移动设备的业务调查系统[5-7]。

本文针对全国第四次中药资源普查的目标[8]设计了基于移动GIS技术的中药资源普查野外采集系统，为中药资源普查的野外调查工作提供了思路和借鉴。

1 数据采集的内容

根据全国中药资源普查技术规范中对普查对象及内容的相关规定和要求[8-9]，野生药用植物普查数据采集的对象包括药用植物的种类和药用植物的生物量。而野生药用植物调查中采集的信息大致可以分为4类：

1.1 生态环境信息

(1)植被类型，包括11个植被类型组，即针叶林、针阔叶混交林、阔叶、灌丛、荒漠、草原、草丛、草甸、沼泽、高山植被和栽培植被；(2)生态类型[10]：任何植被类型都与环境特征联系在一起，为了便于区分群落成分的生态学特点，我们以不同生态因素做基础划分了植物生态类型，如水分生态类型、温度生态类型、光生态类型和土壤生态类型等；(3)植物群落：即在一定生活环境中所有植物种群的总和；(4)土地利用，即调查样地所覆盖的地表诸要素的综合体。

1.2 地理位置信息

(1)行政区划，即调查的县名及乡镇名；(2)地理位置，即药用植物所在位置的经纬度信息；(3)地形信息，即药用植物所在位置的海拔、坡度、坡向和坡位等。

1.3 药用植物信息

(1)基源信息，即药用植物的种名、属名和科名；(2)植物个体信息，包括反应药用植物整体形态的信息，以及反应药用植物入药部位形态的信息；(3)植物特征信息：即反应药用植物局部，如根、茎、叶、花、果实和种子等形态特征的信息。

1.4 生物量信息

(1)数量信息，即药用植物所在样方内的植株数量；(2)重量信息，即在调查区域内采集的每株药用植物的地上部分和地下部分重量。

2 系统框架设计

中药资源普查野外数据采集系统涉及数据管理、数据通信、GIS操作、数据填报及多媒体信息采集等多个方面。根据系统整体的数据流及功能组成，将系统的架构划分为四个层次，由下及上依次是：数据存储层、I/O通讯层、基础组件层、应用层。下层为上层的基础，为其提供接口，最终通过应用层实现用户需要的各项功能。上层将采集的数据进行一定的加工，传递给下层，最终将数据存入数据存储层，完成采集工作。如图1所示。

图1 系统架构图

数据存储层是整个系统的基础。它负责对系统运行所需的数据，以及普查队员采集到的调查结果进行统一的存储和管理。根据数据类型的不同，分别采用文件系统和数据库系统进行存储和组织。数据存储层主要包括：(1)地图库，存储调查区的高分辨率遥感影像、行政区划矢量等数据，用于导航等；(2)样方库，存储调查目标区域位置的矢量数据，包括样地、样方套等调查单元；(3)调查结果库，存储调查结果表格数据，例如药用植物种类信息、生态环境信息、地理位置信息、药用植物生物量信息等；(4)多媒体库，存储调查过程中采集的多媒体信息，包括照片、视频、录音等信息。

I/O通讯层是整个系统的枢纽。它连接了数据层与基础组件层、应用层，负责系统数据的输入和输出。根据数据存储层组织方式的不同，I/O通讯层包含对数据库的读写模块和对文件系统的读写模块。

基础组件层是系统功能实现的基础。根据系统的功能需求，进行归纳，将基础的、共用的功能进行统一的设计和封装，形成相应的接口，提高系统功能的稳定性。根据面向的信息的不同，基础组件层可以分为GIS组件模块和属性数据操作模块。GIS组件模块是根据系统所需要的GIS功能，将公共的底层算法进行统一的封装，以便简化上层GIS功能的开发。属性数据操作模块封装了对调查样方属性表及调查结果的操作，实现对二维表数据的统一标准化处理。

应用层包含了最终面向普查队员的各项功能，是整个系统的核心。根据中药资源野外调查工作的需求，应用层主要包括四类功能：数据同步、地图及导航应用、数据填报、多媒体信息采集。数据同步，主要是实现数据采集设备与电脑的连接，完成调查任务数据、调查区地理数据的下载，以及调查结果的上传功能。地图及导航应用实现了对地图的交互式操作、查询、实时定位以及导航等功能，辅助普查队员快速、准确的到达调查目的地，并记录调查点坐标。数据填报，根据《全国中药资源普查技术规范》，设计相应的电子表格，实现数字填报，并将填报内容与地理位置、多媒体信息关联。多媒体信息采集负责调用数据采集设备上的音频、视频采集设备，完成照相、摄像、录音等功能。

3 系统业务流程

首先，通过系统导航到达指定的代表区域和样地，并布设样方套，其次在代表区域内支持植物信息、重量信息的填报；再次在样地内支持生态环境信息和重量信息的填报；最后在样方内支持药用植物数量和重量信息的填报。

3.1 导航

通过选择需要调查的代表区域及样地，系统实时获取当前的经纬度和海拔，以及样地的方向和距离，最终由系统引导到达指定的目的地，如图2所示。

3.2 样地/样方套内信息记录

到达样地后，首先记录样地内的植被类型、生态类型、土地利用等信息。然后，在样地内设置样方套，系统将自动判断样方套是否超出样地范围，并实时记录当前位置的经纬度和海拔。最后，在样方套内记录药用植物的基源信息、生活型及植物群落信息等。并支持植物群落信息以及药用植物基本信息的填报。如图3和图4所示。

3.3 样方内生物量记录

在样方套内，针对不同生活型的药用植物在相应小样方内记录该药用植物的植物个体数量信息，并采挖获取单株药用植物的重量信息，如图5所示。

图2 导航

图3 样方套信息

图4 基本信息

图5 数量信息

4 系统选型

由于野外环境复杂、条件差，并且待调查的目的地往往离出发地较远，因此，需要要求数据采集系统具有良好的运行效率和稳定性，保证在野外顺利、稳定、高效地开展调查工作。同时考虑到设备的生产成本投入。为此，本系统软平台选择成熟的Windows Mobile操作系统作为平台，选择CPU计算速度较高，内存较大的硬件平台，主要是为了尽量提高系统的稳定性，并且保证系统快速、流畅运行，提高调查效率。为了满足调查的精度要求，硬件GPS实时定位精度设计在3-5米左右。此外，为了保证系统在野外恶劣环境下安全运行，PDA具备防水、防尘、防震的能力。考虑到野外调查工作时间长，又无电源供给，因此还要求PDA设备具备8小时以上的长时间续航能力。具体的软硬件配置要求见表1。

表1 系统配置要求

5 结论

传统的手工采集方式由于工作量大、人为误差等因素，难以适应新形势下信息化发展的需求；调查内容的日益丰富，则给数据采集的精度和效率提出了更高的要求。

中药资源普查野外数据采集系统充分考虑了中药资源调查的实际需求，具有丰富的采集内容和清晰的业务流程，并将空间信息技术应用于野外调查工作中，提高了调查的效率和质量，降低了调查成本，为第四次全国中药资源普查工作提供了重要的技术支撑。

[1] 黄璐琦，陆建伟，郭兰萍，等.第四次全国中药资源普查方案设计与实施[J].中国中药杂志，2013，38(5)：625.

[2] 黄璐琦，郭兰萍，等.遥感技术在中药资源调查中的应用[J].中国现代中药，2008，8(9)：7.

[3] 李德仁.摄影测量与遥感学的发展展望[J].武汉大学学报，2008，33(12)：1211.

[4] 胡潭高，张锦水，马卫峰，等.粮食作物面积遥感测量运行系统的设计与实现[J].农业工程学报，2010，26(3)：163.

[5] 王云波，王岩，王永.移动GIS在林业数据采集系统的应用[J].吉林农业，2012(2)：150.

[6] 庞月涛.移动GIS平台在湿地资源调查中的应用[J].中国林业，2009(17)：62.

[7] 李阳东，朱国平，田思泉.利用ArcGIS Mobile技术开发海洋渔业数据采集系统[J].海洋技术，2011，30(4)：82.

[8] 郭兰萍，陆建伟，张小波，等.全国中药资源普查技术规范制定[J].中国中药杂志，2013，38(7)：81.

[9] 郭兰萍.第四次全国中药资源普查的实施准备[J].中国现代中药，2009，11(2)：3.

[10] 张新时，侯学煜.中华人民共和国植被图[M].北京：地质出版社，2008.

DesignandimplementationofFieldDataCollectingSystemforChineseMateriaMedicaresourcessurvey

MA Wei-feng1，SUN Guan-nan2，ZHANG Xiao-bo1，WANG Zhe3，ZHU Shou-dong1，GUO Lan-ping1*

(1.ResourcesCentreofChineseMateriaMedica，ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijing100700，China2.ChineseAcademyofAgriculturalEngineering，Beijing100025，China；3.SchoolofPharmaceuticalSciences，ChangchunUniveristyofChinesemedicine，Changchun，People’sRepublicChina，Changchun130117，China)

Field data collecting is the essential procedure in Chinese materia medica resources survey.On the contrary，the field survey is usually difficult on the account of both heavy workload and complicate wild environment.Therefore，this paper demonstrates the design and implementation of field data collecting system of the Chinese material medica resources for prompting survey efficiency and quality in using of Embedded technology and Mobile GIS technology synthetically.The system is constructed with 4 layers：data storage layer，I/O communication layer，basic component layer and application layer.It implements basic map operation，path navigation，layer management，survey target management，data collection.

Chinese material medica resources survey；Field data collection system；Mobile GIS

2013-08-22)

公益性行业科研专项(201207002)；中医药部门公共卫生专项(财社[2011]-76)；中医药全国性专款(ZZYZK2012科技司A002)

*

郭兰萍，Tel：(010)64014411，E-mail：glp01@126.com