基于C/S与B/S的山东林木种质资源普查与收集管理软件的研究

徐 婷， 井 琪， 刘 丹， 仝伯强， 丁 平

(1.山东省林草种质资源中心， 山东 济南 250102; 2.暖温带林草种质资源保存与利用国家林业和草原局重点实验室, 山东 济南 250102)

种质资源的多样性对保障国家生态安全和经济社会可持续发展至关重要[1-2]，林木种质资源蕴含珍贵的遗传特性和基因价值，是良种选育和基因研究的物质基础，是支撑林业可持续发展的战略性自然资源。20世纪60年代发达国家陆续开展了种质资源方面的研究，保存了大量种质资源，同时建立了信息平台用于数据的管理和共享，澳大利亚、美国及日本在这方面的研究处于领先地位[3]，此外，加拿大、丹麦、瑞典等国家也进行了相关研究和尝试[4-6]。我国林木种质资源工作尚处于初期阶段，家底不清、数据分散是目前制约我国林木种质资源保护和利用的主要瓶颈[7]，加快推进林木种质资源的普查与收集，加强数据的信息化管理与共享刻不容缓[8]。国家对此高度重视，计划于2021—2025年完成各省林木种质资源调查评估和信息化建设[9]，5年左右完成第一次全国林草种质资源普查与收集，2020年12月中央经济工作会议再次强调要加强种质资源保护和利用。截至目前，北京、云南、江苏、山东等省市相继开展了林木种质资源调查，多针对某一类或单物种种质资源，且调查标准不统一，粗细程度各异[10-12]。在数据管理和共享方面，国家建立了国家农作物种质资源平台、国家林业和草原种质资源库等综合性信息系统；北京、内蒙古、甘肃、山东等省市自治区结合自身条件开发了区域性林木种质资源管理系统[13-17]；此外苎麻、葡萄、北沙柳等单物种种质资源系统也已陆续建立[18-20]，但尚未确立统一的数据标准，导致信息孤岛现象明显，数据融合和共享不畅，可利用性较差。在野外采集方面，福建、河南等省配备了野外采集终端，主要针对单次调查开发，无法重复使用[21-22]。因此亟需建立一套面向各类林木种质资源、综合性的普查与收集管理软件，保障野外数据的高效采集、管理和利用。

山东省林草种质资源中心于2011—2014年开展了全省林木种质资源普查，此后又开展了优树、古树名木等林木种质资源专项调查以及每年一次的林木种质资源收集工作，基于多年调查实践经验，制定了统一的数据标准，构建了数据字典，开发了山东林木种质资源普查与收集管理软件，可服务于不同种类林木种质资源的普查与收集，逐步建成并完善了山东林木种质资源数据库，为林木种质资源的保护和利用方案的制定、物种多样性分析等提供了珍贵的数据资料。本软件移动端主要负责野外数据的采集与上传，电脑端负责数据的审核、修改与统计分析等。将普查与收集两项工作纳入统一管理系统，不仅提高了工作效率，保障了数据采集和管理的规范化，还有利于促进各类信息的融合利用与共享。

1 总体设计架构

软件实现了对野生和栽培利用的林木种质资源的普查、古树名木及珍稀濒危林木种质资源的专项调查、林木种质资源的收集等野外数据的采集和管理，实用性强、业务覆盖范围广。

为提高运行效率和操作流畅度，本软件采用C/S(客户端/服务器)分层架构的移动端与B/S(浏览器/服务器)分层架构的电脑端相结合的设计方式，移动端基于Java语言开发，采用SQLite数据库，运行于Android操作系统。电脑端基于Java JDK1.8开发，采用PostgreSQL数据库，运行于Windows server 2012 R2操作系统。软件设计基于统一的数据标准，利用数据字典技术并采取了模块化的功能构建方式，具有良好的扩展性，可灵活新增业务模块，以适应各类林木种质资源普查与收集的工作需求。

1.1 逻辑结构体系

本软件采用三层架构模式，其中表示层为用户提供交互式操作界面，用于显示和接收数据，针对不同类型用户设置不同访问权限；业务逻辑层用来实现具体业务功能，对用户采集的数据进行上传、审核等处理，并更新至数据库，用户也可通过查询、导出等操作从数据库获取数据，经相关处理后反馈至表示层进行展示；数据访问层用来对数据库的各类访问操作。各层具体功能见图1。

图1 系统逻辑结构Fig.1 System logical structure

1.2 主要功能结构

软件移动端主要实现数据的采集及上传，包含采集、待上传、已上传、设置四个功能界面；电脑端实现对上传数据的审核、修改、查询统计、导出等功能，包含首页、正式数据、采集数据、林木种质名录和系统管理五个功能界面，具体功能结构见图2。

图2 主要功能结构Fig.2 Main functional structure

2 关键设计技术

2.1 支持数据离线采集

进行野外调查时，不可避免要进入深山密林等无通讯信号的地方，为保证外业调查的顺利开展，本软件移动端支持数据的离线采集。并且在设计数据库时，预先创建了种质字典、属性字典和行政代码库，可支持离线状态下字段的智能匹配与自动录入。

2.2 简化数据修改审核流程

建立了采集数据和正式数据两套数据库表用于移动端上传数据的储存，其中采集数据库允许本调查组用户修改，修改过的字段在管理员审核时被高亮显示，审核通过后，即覆盖正式数据库里对应的内容，简化了以往大多数软件中数据修改必经的申请——审批等程序性步骤，提高了数据处理的效率。

2.3 统一数据特征描述标准

林木种质资源普查与收集所获得的数据量庞大且类型多样，如何实现各类数据的融合以及充分挖掘大数据的价值至关重要[23]。本数据库以《LY/T 2192—2013林木种质资源共性描述规范》[24]为主要借鉴，结合山东省林木种质资源调查技术规程，将林木种质资源数据划分为护照信息、属性及评价信息、生长信息、环境信息和其他调查信息五大类，建立了统一的林木种质资源数据特征描述标准(见表1)，在数据采集过程中严格执行该标准，不仅保证了采集数据的规范性和一致性，也为不同种类林木种质资源调查数据的整合和统一管理提供了必要前提[25]。

表1 部分林木种质资源数据特征描述说明Tab.1 Description of the characteristics of forest germplasm resources (partly)类别字段名称 约束/条件取值范围描述方法及示例标本号M由年份+采集人首字母大写缩写+采集顺序号组成,示例:2019AB0001 护照信息 资源类型M群体(种源)、群体(林分)、家系、个体(优树)、个体(无性系)、地方品种、选育品种、遗传材料、其他可多选保存方式M原地保存、异地保存、设施保存单选古树名木类别M古树、名木、古树名木单选生活型M乔木、灌木、竹类、藤木、草本、其他单选属性及评价信息常绿落叶性M常绿、落叶、半常绿单选生长习性M落叶乔木、直立生长、喜光、耐盐碱、喜水肥、耐干旱、耐瘠薄、其他可多选物候期M发芽期、展叶期、开花期、结果期、落叶期单选分布特点M集中、片状、散生、零星单选胸(基)径/cmM0～1000精确至1位小数生长信息树高/mM0～100精确至1位小数花期O精确至旬种实成熟期O精确至旬开花结实情况M多、正常、很少、无、其他单选海拔/mM-10～2 000精确至整数环境信息坡度/°M0～90精确至整数坡向M北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡、无坡向单选伴生植物M填写伴生植物的种名其他调查信息调查号M由12位阿拉伯数字组成:由年(4位)+组号(2位)+表格类型号(2位)+顺序号(4位)组成原始图像编号M填写数码相机里的照片编号备注: M是Mandatory的缩写,表示必填; O是Optional的缩写,表示选填。

2.4 创建种质和属性字典

在对数据进行专业的分类和分析基础上，建立了各类数据描述的集合，即数据字典[26]，合理运用数据字典技术能有效解决外业数据录入、检查和后期数据查询、更新、维护过程中的问题[27]。本软件基于2016年出版的《山东木本植物志(上、下卷)》[28]建立了种质字典，并根据过去多年的普查与收集工作经验创建了属性字典(见表2)，实现了字段代码化，便于以标准化代码选择的方式录入数据，避免了人工录入数据的误差和混乱[29]，保证了外业采集数据的规范性，同时大大提高了数据的录入速度。

随着普查与收集范围的扩大以及研究的逐步深入，字典内容需要不断更新和完善，本软件支持管理员在电脑端对数据字典进行更新，并利用经移动端数据库的同步更新功能及时下发至各调查组，确保各调查组移动端与服务器端字典信息的一致性。

表2 部分属性字典Tab.2 Attribute code library (partly)字段名称字典内容属性代码字段名称字典内容属性代码种子00DNA材料01采集资源类型DNA提取物02活体材料03其他04WGS8400地图基准CGCS200001北京5402西安8003放牧00耕作01影响因子砍伐02修路03采矿04其他05潮湿00种子状况干燥01两者兼有02其他03国有00权属集体01个人02其他03平地00坡地01山顶平地02地形谷底03河漫滩04河谷05湿地06其他07耕地00人工林01牧场02土地利用原始林03间歇干扰04次生林05其他06粘土00粘壤土01土壤质地壤土02砂壤土03砂土04肥沃00肥力状况中等01贫瘠02

3 业务流程

本软件实现了山东省林木种质资源普查与收集工作中数据的采集、上传、审核、修改、查询统计、导出等工作完整的流程管理(见图3)。针对具体工作流程设置了八大模块，涵盖普查与收集数据的采集和管理整个流程。

3.1 移动端主要业务流程

3.1.1 数据采集 山东省林木种质资源普查与收集的对象包括野生和栽培的林木种质资源，对其中的珍稀濒危和古树名木种质资源进行重点调查，采用样线与样地相结合的方法进行，调查的同时同步开展种质资源的收集工作。采集主界面设计了八大模块(见图4)，根据前述业务流程及调查对象选择相应的模块进行数据采集。

3.1.2 影像资料采集 普查与收集过程中需同步采集影像资料，软件提供了图片拍摄接口，并针对不同调查对象进行了不同设计，在采集界面标注了所需的图片数量和类型(见图5)，既能防止漏拍错拍现象，也使数据与图片之间建立了严格的对应关系，同时减轻了后期影像资料整理的工作量，图片上传成功后，分类别进行展示(见图6)。

3.1.3 数据的保存与上传 数据采集完成并保存后，暂存至移动端数据库，在待上传界面上可查看详情。联网状态下，可将批量数据上传至电脑端服务器(见图7)，上传完成后在已上传界面上可以浏览。为保证一手数据的原始可靠性，移动端不提供数据修改的功能。

3.2 电脑端主要业务流程

3.2.1 数据的审核与修改 管理员通过电脑端对上传的采集数据进行审核，审核不通过则发回修改，采集人员在必要的情况下也可自行修改，再提交审核。为确保数据的真实性，位置信息、胸径、树高等需现场获得的数据均不支持修改。为了弥补采集终端拍照的局限性，电脑端支持上传其他来源的照片。采集数据经管理员审核通过后自动覆盖至正式数据库，供后续查询统计和导出。

3.2.2 数据的查询统计、导出及打印 用户可通过树种、调查号、调查时间、地点等条件对数据进行检索(见图8)，系统支持单项查询和组合式查询2种方式，可对检索结果进行浏览或统计，也支持导出相关数据，在数据详情页可实现打印功能。

3.2.3 种质字典和属性字典维护 管理员可对种质字典(见图9)和属性字典(见图10)进行新增、修改、查询、导出等维护操作，并同步更新至移动端，全包采集端与服务器数据字典的一致性，保障外业普查与收集工作的规范性。

图3 业务流程图Fig.3 System business process

图4 采集主界面Fig.4 Main interface of collection

图5 影像资料采集界面Fig.5 The interface of image data collection

图6 影像资料展示界面Fig.6 The interface of image data display

图7 批量上传界面Fig.7 The interface of bulk upload

图8 查询功能界面Fig.8 The interface of query function

图9 种质字典维护界面Fig.9 The interface of germplasm dictionary maintenance

图10 属性字典维护界面Fig.10 The interface of attribute dictionary maintenance

4 结论与讨论

山东林木种质资源普查与收集管理软件已投入实际使用，该软件存有林木种质资源调查数据以及全省古树名木核查数据，并成为山东省历年林木种质资源收集、古树名木核实等工作的主要工具，显著提高了各项普查与收集工作的质量和效率，将普查与收集工作推向了标准化和信息化管理的轨道，初步实现了全省林木种质资源数据的统一采集和管理，为分析山东林木种质资源现状，制定保护策略提供了数据支撑。随着种质资源收集范围的扩大，该软件应用范围已扩大至江苏、河南、河北等省市。

通过实际应用，发现本软件可进行以下几个方面的优化和完善: (1)强化电脑端统计分析功能：在林木种质资源普查与收集工作中，实现对实时上传数据的实时计算并绘制生成各类可视化图表[30]；3S技术将属性数据与空间数据结合，增加空间查询、图层编辑、专题图编制等功能[31-32]。(2)移动端置入离线底图(地形数据、影像数据、行政区划数据等)，通过不同空间数据的叠加，可方便外业调查的路线导航、调查样地(样线)的合理布设、目标物种位置的实时标注，还能从空间上展示调查进度和目标物种分布情况[33]。(3)增加动态监测模块：支持对目的种质资源的信息溯源，即野外“回访”，通过设置大样地连续动态监测，及时了解林木种质资源的生长状况和分布变化趋势，为制定完善的种质资源保护策略提供数据支撑。