基于GIS 的陕西省动物疫病动态监测系统的设计与研究

李文凤，杨亚莉，李 龙

（1.杨凌职业技术学院动物工程分院，陕西 杨凌 712100；2.杨陵区行政审批服务局，陕西 杨凌 712100）

随着信息技术高效、迅速地在畜牧业发展和生产过程中的应用，畜牧业信息化已产生了新的定义，即以科技生产力促进畜牧业发展，通过通信、遥感和光电技术等网络信息手段，准确、有效地获取畜牧业生产、管理和经营信息，从而提高其生产效率和决策水平［1，2］。通过畜牧业信息化，可以及时把有效、准确信息反馈到畜牧业相关技术和使用人员手中，更便于系统化应用和推广，这也是传统畜牧业向现代化发展的过程。

1 中国畜牧业信息化发展概况

20 世纪80 年代以来，中国开始把信息技术与农牧业、资源、环境等方面进行结合研究并推广应用，尤其是由中国科学院完成的草原草畜平衡等监测系统的推广已取得极大成功［3，4］。中国信息化技术和畜牧业的研究应用发展较快，在全国畜牧业“十一五”和“十二五”规划中都以全面推进畜牧业信息化发展为主要内容，逐渐形成相对完整的畜牧业信息化建设体系。在提升了畜牧业产业结构的同时，进一步提高其标准化、产业化和规模化，使畜牧业发展成为现代农业的现行表率。但信息数据来源复杂，且各地发展不平衡［5，6］，信息共享原则和标准还未统一，因此进一步加强信息化建设，加强数字化和网络化发展是提高畜牧业发展力的有效保障和必要前提［7，8］。

在畜牧业迅速发展的今天，中国畜牧业生产规模不断扩大，散养和偏僻分布状况明显减少，家庭牧场和养殖专业合作社等新型经营主体快速发展，规模化养殖场稳定增长，动物养殖业以及进出口业都呈现出蓬勃发展的趋势［9］。随着国家大力推行农业优惠政策，大型动物养殖场得以迅速发展，但这也导致了一些问题。由于养殖畜禽数量庞大，种类多样，且养殖业不够成熟、流通渠道的增多等，导致动物疫病暴发频率和范围在不断增加［10，11］，这也导致了动物养殖经济效益的下降，直接影响到了养殖户的积极性，因此，在畜牧业信息化发展的现今，利用GIS和RS 技术实现畜牧业精细化管理、生产和运行具有重大意义。

目前GIS 技术已广泛应用于动物防疫中，研究人员通过建立监控体系及时高效进行信息沟通，利用时空模型进行疫病的空间分布模式、流行趋势、影响因素等评估研究，能及时有效地进行疫病的防范和救治，避免扩散，并为政府和相关部门应用GIS 技术平台建立提高疫情快速反应和应对提供科学依据。GIS 应用于动物流行病学最基础的功能就是研究疫病分布，Cringoli等［12］利用GIS对意大利亚平宁山区牛和羊的肝片吸虫流行情况调查研究，Schwermer等［13］、French 等［14］对GIS 在动物疫病监测和控制中的作用做了详细介绍，Norstrom［15］利用GIS 对1973—1992 年英国羊疥癣病发生的空间和时间模式进行研究，这些都表明GIS 在动物疫病监测与控制中有非常重要的作用。

结合中国畜牧业的发展现状，数字畜牧是动物疫病防控领域的重要发展趋势。将GIS 应用于动物疫病监管能实现日常防控的有效管理，可以根据收集的基础信息加载有效畜牧专题地图、防疫数据等进行空间分析和综合管理［16］，也可分析动物疫病的整体空间分布，建立GIS 预测模型［17］，还可以通过GIS 对空间信息进行综合分析，实现动物疫病的风险管理和预警管理［18］，表明GIS 在动物疫病监测与控制中有非常重要的应用价值。

2 陕西省畜牧业发展现状

当前，中国经济发展进入新常态，农业发展正处在全面推进现代化建设的重要时期，畜牧业所处国内外的环境也在发生变化，畜牧业既面临畜产品消费刚性增长、政府大力扶持等诸多有利条件，也面临国内外市场冲击、资源约束加剧、环保压力加大和疫病风险增大等诸多挑战。“十二五”期间，陕西省畜牧业进入了生产持续发展、质量稳步提高、综合生产能力不断增强的新阶段。2019 年全省畜牧业增加值比上年增长4.5% ，畜牧业产值占全省农业产值的31%，已成为农业经济发展新的增长点。由于陕西省鲜明的地域特征，也形成“陕南生猪、陕北肉羊、渭北肉牛、关中奶畜”的产业布局［19］。

2006—2017 年陕西省生猪存栏量和出栏量稳步增长，2018 年由于受非洲猪瘟影响，年末存栏量有所减少，但畜禽结构有所调整，整体产量较为平稳，养禽业发展有所提高（图1）。2019 年底牛存栏150.17 万头，较2015 年年末存栏率增长了2.3%；奶牛存栏27.4 万头，较2015 年年末存栏率下降了36.9%；家禽存栏7 760.16 万羽，较2015 年年末存栏率增长了15.2%；猪795.698 万头，较2015 年下降了5.9%；羊存栏815.05 万头，较2015 年年末存栏率增长了16.1%；奶山羊存栏131.293 2 万头，较2015 年年末存栏率增长了39.4%；兔存栏118.23 万只，较2015 年年末存栏率下降了58.7%（图2）。

图1 2006—2019 年陕西省畜牧业生产情况

图2 2015—2019 年陕西省畜禽存栏情况统计

虽然陕西省加大政府政策投资力度，全省散养户逐年递减，养殖专业合作社和养殖协会等迅速发展，并以企业带动产业推动规模化养殖，但各级动物防疫仍存在问题。动物疫病种类繁多，地区分布相对较广，家庭养殖或偏远地区更易受到疫病侵害。同时，畜牧产业涉及多个环节，如果处理不当也可能会传播疫病，再加上国际畜牧产业交易频繁，也会导致动物疫情日益复杂化。

近几年根据陕西省畜牧业生产情况发现，动物疫情流行快，易导致牲畜死亡，降低养殖户经济收益，严重时还会威胁当地的畜牧养殖产业。因此，建立系统的动物疫病监测系统对于信息化畜牧业发展，提高产值并进行宏观决策和统筹具有非常重要的意义，动物疫病监测可以动态化掌握当地动物疫病状况，确保疫病预防工作可防、可控和有效性。

3 动物疫病动态监测系统设计与功能模块

3.1 系统功能结构

基于GIS 的陕西省动物疫病动态监测系统是根据动物养殖分类、动物疫病资料、发生和发展规律以及影响因素，用直观判断或者统计学等方法对发生和发展趋势做出预测判断，是一个特定的信息平台。动物疫病动态监测系统是为了全面系统地对动物疫病发生、发展和迁移等进行科学管理，系统可以在信息化畜牧业的基础上把地理信息系统、遥感技术和全球定位系统三者相结合，对动物疫病的产生发展和动态演变过程进行系统、规律地分析，提高对病症的变化特征、蔓延趋势的监测水平，并为阻断疫病蔓延提供决策性建议。通过实现动态疫情相关分析信息可视化，为政府相关部门准确了解疫情信息，并为防控疫病和后续决策做出有效的判断。

该系统是在地区畜禽位置遥感影像信息、各类地图信息数据、基础资料数据和所在地区畜禽历史病历数据等基础上建立的综合性信息系统，是结合GIS 构建的数字化应用型信息平台。系统采用Ar⁃cObjects 控件进行开发，利用AO 控件开发自主独立的功能界面，使组件层位于用户客户端和数据库之间并可根据系统需求开发适合用户的各类功能模块，便于用户进行操作并具有类似ArcGIS 软件的功能。系统结构如图3、图4 所示。

图3 系统结构

图4 系统功能结构

3.2 系统设计原则

在农业农村部印发的《2019 年国家动物疫病强制免疫计划》通知中，明确规定了强制免疫的总体计划和要求，并列出了免疫病种，包括口蹄疫、高致病性禽流感、布鲁氏菌病等。因此，在遵循国家政策要求的基础上，保证对系统的后续开发应遵循以下设计原则。

（1）根据用户需求分析，建立便于操作和沟通的用户界面，功能模块便捷易操作，同时具备GIS 和RS 的基本功能。

（2）系统采取模块化结构设计，可便于后续开发增加新的功能和补充模块。

（3）所有数据应符合开发控件的基本要求和标准，并遵守国家规定、规范，保证系统的数据安全性和运行的稳定性。

3.3 系统基本功能

根据需求分析，可把系统分成数据采集、处理、分析和决策4 部分，该系统可划分为空间分析、基础数据管理、疾病数据统计模型、数据输出和帮助5 个功能模块，同时，利用ArcObjects 提供的可视化控件中的MapControl 和PageLayoutControl 来实现具有ArcMap 功能的独立应用程序，可以更好地体现空间数据的浏览和分析。

3.3.1 基础数据模块 包括不同区域养殖场或合作社畜禽养殖基本信息、防疫基本数据和政府相关政策要求等数据。对加载的地理数据可进行显示、查询，并应用DataSourceRaster 库完成栅格数据的转换。对数据图层的操作可在Map Control 控件下完成并通过TreeView 事件加载不同图层地理数据，还可对多个图层进行删除、移动、编辑等操作；对属性数据的查询可通过对当前图层的相关对象选择等功能实现。

3.3.2 空间分析 通过IMap 接口实现多源数据图层操作进行分析，还可通过ITopologicalOperator 接口实现空间拓扑运算，应用CboOveralyerType 控件对多个时间段的疫病发展进行叠置分析等功能，可以根据每年疫病的空间数据计算其空间趋势变化，对疫病分布的位置变化进行研究；也可计算不同疫病种类、畜禽种类的标准差椭圆叠加来进行评估；还可以根据多种类型空间数据指标来描述和分析整个区域或单独区域的情况和空间趋势变化等。

3.3.3 疫病数据统计模型 动物疫病趋势和发展变化是其动态研究的重要内容，可通过空间变化对不同地域畜禽养殖引起疫病的分布情况、流行趋势等进行追踪和发展变化的研究。因此，还可借鉴已有的动态空间模型对全省动物疫病的动态检测进行系统、规律的分析，预防与防治相结合，在疫情流行区域范围内采集样本，分析疫病流行情况，明确其种类，为后续的研究提供重要的数据平台。

在数据分析模型中可以嵌套采用较为完善的专家预测系统和专家诊断系统等畜牧业专家系统，这样可以更及时方便地对疫病进行预防、监控并给予决策人员或部门提供有效的信息数据便于判断导向。3.3.4 数据输出 可以根据需求生成各种形式的文字、报表，并在PageLayoutControl 控件下生成专题图，尤其对于地理信息数据可采用多种格式保存或输出。

3.4 系统数据库设计

系统数据库应保证在既定的畜牧业环境下提供全面、可靠、安全的数据，实现数据的全面处理。系统数据主要包括属性数据和空间数据，考虑到全省的数据量较大，可把属性数据存储到Oracle 数据库；针对空间数据可使用Geodatabase 数据模型进行存储和管理。

属性数据主要包括不同时间畜禽养殖、疫病防疫等监测数据；畜禽养殖场分布、基础信息、防疫情况、产生何种疫病等数据；动物疫病样本数据，疫病防治数据以及相关法规政策和全省的统计资料等数据。空间数据主要包括：动物疫病的点、面数据图、疫病取样地数据、各类地形专题图、畜禽养殖分布影像和其他遥感影像资料等数据。

4 小结

基于GIS 的陕西省动物疫病动态监测系统的建立是为了实现对全省动物防疫的科学管理，促进其对动物疫病的有效防控。该系统在畜牧防疫方面一个重要的应用就是能够加强对动物疫病防疫体系的监管，可以全方位、及时高效地处理相关信息，实现在监管体系内对疫情进行实时准确反馈，对动物疫情的发生和扩散都有着一定的监控，并在发生事故后进行准确的预警与控制，甚至在疫病产生之前就先预判并有效遏制。同时，政府和相关部门可以通过GIS技术实现对于养殖人员遇到的各种突发状况的处理，根据收集和传递的数据进行有效整合和管理，使畜禽安全得到保障，减少养殖人员的经济损失。

通过系统的建立可以有效提高疫病的防控，从而增加畜产品的产量，带来良好的经济效益和社会效益，同时，系统的投入可以节约畜禽业的生产成本，减少人力投入，提高畜牧业信息化的管理。动物疫病动态监测系统就是实现GIS 和RS 技术相结合，实现信息化畜牧业的发展，通过数据视图和版面设计为基础来实现对地区畜禽疾病的动态监测，研究其动物疫病变化特征、追踪流行病学轨迹以及后续畜禽养殖的生态环境价值评估，并为陕西省畜禽业均衡发展提供决策性服务，实现全省的社会、经济和环境的可持续发展。