楚雄市紫溪山林场华山松种子园信息系统设计与实现①

冯 峻，罗正平，董云祥，王 锐，潘涌智

(1.云南省林木种苗工作总站，云南 昆明 650215；2.楚雄市林业和草原局，云南 楚雄 675000；3.云南省林业双中心，云南 昆明 650224；4.西南林业大学 保护生物学学院，云南 昆明 650224)

日新月异的信息技术已成为推动我国经济社会发展的巨大动力，在塑造国家发展新优势的作用中日趋突出[1]。切实推进林业信息化建设，是林业融入经济社会发展全局的迫切需要，是发展现代林业的必然要求，是提升林业部门行政效能的重要举措。信息资源的开发利用是林业信息化建设的核心[2]。

木秀于林，良种为本。林木良种是优良遗传基因的载体，林木良种基地是林木良种生产的主阵地[3]，种子园是由具有优良遗传特性的林木组成的人工林[4]，是良种选育、遗传改良的林木良种生产基地。楚雄市紫溪山林场华山松种子园始建于1984年，是华山松良种生产基地，自2002年以来年均可为造林绿化、天然林保护、低效林改造等工程建设提供3 000 kg优良华山松种子，在云南林业生态、产业建设中具有举足轻重、不可替代的地位，2012年被国家林业局确定为第二批国家重点林木良种基地。紫溪山林场华山松种子园在多年的良种繁育、生产、经营和管理工作中，积累了大量的工作资料，如各无性系配置图、生长和结实情况、各类文档资料等。由于技术人员流动性大，信息化技术知识匮乏，数据更新困难，缺乏数字化、信息化管理，导致随着工作量的增加出现重复建档或漏建,个别小区图纸丢失，造成良种的父本、母本无法追溯，无法建立良种档案等情况，管理者和选育者很难全面了解各个种源、无性系的特性，束缚了遗传改良工作的进行，制约了良种生产工作的开展，不利于华山松种子园的持续发展。

因此，通过调查和整理紫溪山林场华山松种子园资源现状，使用信息科学和技术，实现对资源数据的开发、整合和利用，并构建一个基于国际互联网，集华山松种子园数据采集、数据处理、监测管理于一体的可视化大数据信息系统平台，以期为提高华山松种子园建设和管理水平提供技术支持，也为合理利用良种资源、推进良种化进程和种子园的科学规划等提供帮助。

1 基本情况

楚雄市紫溪山林场华山松种子园位于紫溪山省级自然保护区内，是国家重点林木良种基地，距楚雄市20 km，地处北纬24°58′58″～25°04′02″，东经101°22′29″～101°26′7″，海拔2 200～2 400 m，地势平缓，光照充足，属北亚热带温凉湿润气候，年均温12 ℃，平均最高气温20 ℃，最低气温约-6 ℃，年降雨量1 000 mm，平均相对湿度达80%～85%，土壤为山地暗红壤，总面积51 hm2。建园优树来自于楚雄、腾冲、南华、会泽、巍山和宜良等6个县市，共129个无性系，采取无性系嫁接方式建立，采用完全随机排列，其中：良种生产区26.67 hm2，半同胞子代测定林3.33 hm2，良种展示林21 hm2。

2 技术路线

2.1 资源调查和数据收集

2.1.1 资源情况调查

对种子园的6个种源129个无性系分别采用测高仪测定树高和枝下高，围径尺测量胸径，皮尺测定冠幅；统计各无性系的结实量；逐株查明病虫害种类、数量、危害及损失等情况。

2.1.2种子园界线核准

依据种子园内各大区及小区的定位桩、边界桩等，用GPS定位仪获取该点经纬度信息。用奥维互动地图等软件的轨迹跟踪功能，沿着各大区的边界进行线路调查，获得各区的边界信息，核准种子园的界线。

2.1.3各无性系配置图完善与保存株数调查

参考种子园各无性系现有配置图，采用全园覆盖、每个无性系逐株核准的方式，以树木存活的现况为依据来完善种子园各无性系配置图和保存株数。

2.1.4档案材料收集整理

按时间顺序对华山松种子园自建园以来产生的文书、科技、数字和声像等档案进行分类整理，并扫描收集存档。

2.2 信息系统设计

2.2.1 信息系统技术实现

基于Flask技术作为本系统的开发框架，采用多客户端/服务器(Client/Server,C/S)、浏览器/服务器(Browser/Server,B/S)结合的模式，通过Werkzeug和Jinja2两个核心函数库，负责业务处理和安全方面的功能，使用Python编程语言实现相关功能，以Struts+Spring+Hibernat实现系统的用户层、应用层、业务层、资源层和基础层等结构，信息系统后台使用Hibernate映射数据库成为对象，对数据库的操作就是对对象的操作。

2.2.2总体结构设计

系统总体结构普遍采用N-Tier设计方式，分为用户层、应用层、业务层、资源层和基础层。分层的目的是为了降低各层次间逻辑间的耦合，最大限度对逻辑进行解耦，以提高系统扩展性和灵活性；各层的开发可以更好地分离，便于分工协作，以提高整体开发效率。系统总体结构见图1。

图1 总体结构设计Fig.1 Overall structure design

1)用户层：为实现管理人员和育种工作者对华山松种子园信息管理、查询、分析、利用等。

2)应用层：通过统一的数据服务接口，为华山松种子园信息系统的生长性状、结实性状、病虫害、数据分析展示和档案管理等模块提供服务，可在客户端、网站和其他应用上表现出来，供用户使用。

3)业务层：为满足系统需要，提供数据浏览、查询、编辑、分析、管理、控制和交互等服务。

4)资源层：存储华山松种子园地形图、配制图，各无性系生长、结实、病虫害等，各类档案资料等全部基础数据。

5)基础层：支撑华山松种子园信息系统建设与运行的基础功能，也是系统建设的重要内容，主要包括服务器、网络设备、存储设备、交换机、防火墙等。

2.2.3网络结构设计

通过互联网接入路由器，后接入服务器区域、内部办公网和Web，通过核心交换机访问内网数据库,既考虑了后期的扩展、升级等需要，也预留了扩容空间。网络结构设计见图2。

图2 网络结构设计Fig.2 Network structure design

2.2.4数据结构设计

采用Python编程语言来实现数据库的相关功能。数据结构分为两层：第一层是基础层，为华山松种子园信息系统的基础空间数据，主要有基础地理信息、栅格地图、数字高程信息等；第二层是专业层，包括各无性系生长、结实、病虫害、配置图等数据及历年的档案资料等。这两部分数据通过建立索引关系相互关联，便于管理。以专业层建立的系统数据为支撑，通过华山松种子园资源调查获取成果数据，再通过年度更新资源数据逐年积累，实现华山松种子园信息系统的统一规范、部署、标准和规划。

3 信息系统的实现

3.1 用户管理

该模块主要用于对系统内用户进行统一管理，可以创建用户名和对应的登录密码，还可以录入用户的相关信息。主要操作是对用户进行增加、删除、修改等(图3)。

图3 系统登录界面Fig.3 System login interface

3.2 角色管理

该模块主要用于系统权限控制，系统会预先设定管理员的角色，管理员具备最高权限的操作，可以看到系统内所有的菜单。管理员用户可以创建其他权限的角色数据。主要操作是对角色数据进行增加、删除、修改等(图4)。

图4 角色管理界面Fig.4 Role management interface

3.3 菜单管理

该模块主要用于创建系统内菜单，也就是功能模块的菜单。菜单通过角色权限控制用户是否可见。系统会预设用户管理、菜单管理、角色管理、文档管理、无性系管理、无性系数据分析等基础菜单数据。主要操作是对数据进行增加、删除、修改等(图5)。

图5 系统主界面Fig.5 System main interface

3.4 无性系数据管理

该模块主要对华山松种子园内所有无性系数据进行有效的信息管理，分为无性系的基础数据、种源地等，根据对应的基础数据可按年份录入实时测量的生长数据，同时可以记录多年的生长数据。主要可以进行无性系基础数据新增、修改、删除操作，对对应的无性系基础数据进行年份生长数据的新增、删除、修改等(图6)。

图6 无性系数据管理界面Fig.6 Clone data management interface

3.5 无性系数据展示分析

该模块主要是用户对无性系生长情况年份数据进行图标分析(图7)。

图7 无性系数据展示界面Fig.7 Clone data display interface

3.6 文档管理

该模块主要用于对林场内的文档进行分类管理，通过创建类别并在对应类别下进行文档数据的创建。文档支持上传和下载等功能，主要可以进行文件分类的新增、删除、修改及对应分类进行文档数据的新增、删除、修改等操作(图8)。

图8 文档管理界面Fig.8 Document management interface

4 讨论

林木种子园是连接育种与育林的桥梁[5]，是良种繁育和生产的群体，是育种系统中主要的环节，是林业可持续发展的基础和保障。数据是系统功能发挥及信息数据展示的核心[6]。楚雄市紫溪山林场华山松种子园是第一代无性系种子园，由种子生产区、子代测定区、良种示范区等功能区组成，多年来随着华山松种子园遗传改良工作的进行，形成不同育种和生产群体，积累了大量表型数据。通过调查，获得6 155个生长性状数据、2 462个结实性状数据、1 161个病虫害性状数据、500多份各类档案资料和其他相关数据，核准了种子园的边界，完善了种子园各无性系的配置图，查清了各无性系的保存株数，全面摸清了种子园的家底。通过建立华山松种子园信息系统，将各类数据整理入库、分类管理，实现图文一体化，构建统一的华山松种子园信息管理平台，对表型数据进行整合和分析，对前期遗传改良工作作出评价和评估[7]，可推进华山松高世代种子园建设和育种工作发展，对制定华山松育种长期策略有重要的作用。

植物管理数字化是植物研究领域信息化的一种体现[8]，应用计算机技术、网络技术和可视化技术等，通过融合、分析、汇总、更新数字信息，建立信息管理系统，将华山松种子园各功能区、种源、无性系、档案资料等各类信息资源以数字形式存储，实现数据“群化”管理[9]，形成共享和应用的完整体系，避免不必要的重复建档，减少人力和物力消耗，可达到事半功倍的效果,使华山松种子园的管理更为科学、有效，进而提升种子园的科技管理含量。

建立华山松种子园信息系统，数据库规范与结构至关重要[10]。本系统基于Flask技术为开发框架，采用C/S与B/S相结合的模式，兼顾网络和单机用户的需求，以网页界面的形式提供给管理人员使用，将华山松种子园每个种源和无性系的树高、胸径、冠幅、结实量、病虫害等基础数据对应种子园的配置图落实到各功能区。管理人员通过系统查询、导出、检索、浏览等操作，可全面了解各个种源、无性系在种子园内的资源分布、生长、结实、病虫害等情况，也可通过后台及时上传、编辑各类数字信息，实时更新系统，在提高管理效率的同时，实现对种子园各类资源数据的分类管理与互操作等。一些学者将ArcGIS软件平台、二维码、ASP等技术应用到红松、长白落叶松种子园及林木和花卉种质资源管理中，利于种源的追溯和管理，提高了管理效率[11-13]，让管理人员有明确的管理目标、方向和操作路径，能更好地共享和利用资源，提高种子园建设水平和管理效率，对种子园的发展有重要的意义。

5 结论

以Flask技术为开发框架，应用Python编程语言，基于Internet 模式的楚雄市紫溪山林场华山松种子园信息系统，结构合理、操作灵活、功能全面、检索高效、安全稳定，设计了集生长性状、结实性状、病虫害性状和各类档案资料等为一体的华山松种子园信息管理系统，收集近1万多份数据，全面系统地反映了种子园生产经营全貌，实现多层次、立体式应用数据表达一个种子园资源状况、生产、经营的目标，提升了管理和决策效率，使种子园管理更加规范、全面和系统，为开展华山松育种材料的评价和选择提供了基础数据，促进了华山松遗传改良的进程，也为种子园的科学规划和种质资源的保护、管理与利用提供信息和新思路。