湿地自然保护区水鸟监测数据管理系统设计和初建

蔡音亭

(上海市九段沙湿地自然保护区管理事务中心，上海 200135)

记录和监测野生动物对保护物种和其生存环境至关重要，调查自然资源并建立档案也是我国自然保护区管理机构的主要职责。鸟类处于食物链的较高等级，其调查技术成熟、容易实施，常作为监测环境变化的指示生物，鸟类也是湿地生态系统中的重要类群。长期的鸟类监测在世界范围内的多个国家大规模开展，如美国繁殖鸟类调查(Hudson et al, 2017; Sauer et al, 2017)，英国普通鸟类调查、繁殖鸟类调查(Freeman et al, 2002)，西澳大利亚鸻鹬类调查(Rogers et al, 2020)。调查数据可用于监测种群变化(Hudson et al, 2017; Sutherland et al, 2004)，确定保护的优先次序，识别受威胁物种，探索基本的生态关系(Edwardset al, 2020)。我国的鸟类监测虽然起步较晚，但近20年也在不同地理尺度上实施，在全国尺度上，如全国陆生野生动物资源调查(郜二虎等, 2014)，在区域尺度上，如中国沿海水鸟同步调查(China Coastal Waterbird Census Group et al., 2015)、上海市水鸟同步调查(裴恩乐等, 2012)，鸟类分布的重要地点也自行组织调查，累积了大量数据。监测获得的数据常储存在多个文件中，传统的文件处理环境难以方便地获取所需数据，相同信息可能在几个地方重复储存，存在数据冗余和不一致问题，数据录入和初步统计中容易因为人工疏忽发生错漏，结合监测路线、物种信息统计汇总数据也不方便，需要开发高效的系统存储和管理数据，为保护区管护水平提升和生物多样性保护研究提供支持(陈志方等, 2012; 廖宝雄等, 2020)。

本研究结合多年水鸟监测实践，从湿地自然保护区管理需要出发，设计了湿地自然保护区水鸟监测数据管理系统，使用Windows版本的XAMPP软件集成包和Tableau Desktop软件，以My SQL作为后台数据库，HTML和PHP编辑的Web页面以及Tableau Desktop作为前端进行系统初建，功能模块设计时充分考虑了野外调查的实际情况和湿地水鸟群落特征。利用该系统，数据库管理人员可以高效地录入监测数据和调查信息，实现复杂的检索查询，系统高效生成并展示单次监测报告和年度调查简报，提高了数据简单统计的效率，保护区管理人员还能查询浏览不同时间范围内单个物种分布情况和数量信息的可视化展示。

1 总体结构设计

湿地自然保护区水鸟监测数据管理系统设计采用B/S(浏览器/服务器)模式和C/S(客户端/服务器)模式结合的包括数据层、中间层和应用层三层的分布式结构。数据层采用My SQL数据库，是系统三层结构中的基础和核心，数据库存储有关监测记录、物种和路线等信息。中间层为Web应用服务层，用于接受用户发来的请求，从后台数据库反馈处理结果。应用层即表示层，B/S模式的表示层为浏览器，用户可以通过浏览器浏览监测报告，C/S模式的表示层通过Tableau Desktop实现，Tableau与数据库连接充当前端可视化工具，用户在筛选器选择物种和监测时间，查询不同时间范围内单个物种分布情况和数量信息(图1)。

图1 系统结构图Fig.1 system structure diagram

2 数据库设计

本数据管理系统的用户定位为湿地自然保护区管理人员，系统用户分为一般用户和管理员用户。一般用户的权限主要为浏览和简单查询，可以浏览单次监测报告、年度监测简报，查询不同时间范围内单个物种分布情况和数量信息，管理员用户可以更新、修改、删除数据，在后台用SQL语句灵活地执行复杂的查询。

数据库设计确定数据库模式，概念结构设计是数据库设计的关键，它从用户的观点出发对系统建模，最终形成一个独立于具体的数据库管理系统的概念数据模型。实体-联系(E-R)数据模型提供了一种识别数据库中表示的实体以及这些实体间如何关联的方式(Silberschatz et al, 2021)。

湿地自然保护区水鸟监测一般采用沿固定路线观察、直接计数鸟类的方法开展。数据库的实体包括监测、物种和路线，实体间以记录作为联系(图2)。

图2 湿地自然保护区鸟类监测数据库的实体-联系图Fig.2 Entity-relationship diagram of the bird monitoring database of the wetland nature reserve

监测实体的属性主要包括监测日期、主要调查人、其他调查人、数据审核人、天气和监测备注等。监测日期是监测实体的主键。调查人发现、识别物种的能力和数量估计对监测结果有影响，野外调查常为两人及以上共同开展，在设计监测实体时将主要调查人和其他调查人分两个属性记录。如果在自然保护区开展常规水鸟监测的频次多，无法保证所有的监测都在“理想”的情况下进行，可以在监测备注记录调查时遇到的异常，如因交通工具损坏、天气突变等造成不能完成全部路线调查的情况，有助于后续数据汇总分析时处理异常值和分析原因。

路线实体的属性主要包括监测路线编号、监测路线名、路线起点和终点的经纬度、路线长度、生境类型和路线备注等。监测路线编号是路线实体的主键，监测路线应保持固定(上海市市场监督管理局, 2019)。

物种实体的属性主要包括物种编号、物种名、学名、目名、科名、IUCN保护等级(蒋志刚等, 2003)、国家陆生野生动物重点保护等级、居留型、是否为水鸟、水鸟的生态类群(陈家宽, 2003)、是否是中澳候鸟保护协定名录中的候鸟、是否是中日候鸟保护协定名录中的候鸟、首次发现时间、首次发现人和物种备注。物种名称和分类以《中国鸟类分类与分布名录(第三版)》(郑光美, 2017)为准。物种编号是物种实体的主键，在野外调查时遇到无法鉴定到具体物种的鸟，以能鉴定到的最小分类单元记录，如未识别鸟类、未识别雁鸭类、未识别银鸥，也包含在物种实体中，以“未命名+野外能鉴定到的最小分类单元”表示，统计类群数量时，未鉴定到具体物种的记录计算在内，在统计物种数时不计算在内。

记录联系的主要属性包括记录编号、物种名、数量、监测日期、记录时间、监测路线名和记录备注等。记录联系关联了监测、路线和物种实体，通过监测日期与监测实体关联，通过监测路线名与路线实体关联，通过物种名与物种实体关联。如果1次野外监测在多日进行，为了便于统计管理，将监测开始的日期记录在监测日期，监测天数记录在备注。记录时间是记录发生在1天内的具体时间，潮位影响水鸟分布，利用监测日期和记录时间还可以查询到调查时的潮位。许多鸟类调查记录表设计记录各式信息，如亚种、成幼、彩色标记、行为和与调查者的距离等，但在实际监测中，这些信息只会偶尔记录，故设计将这些内容记录在备注，或者为专项调查设计包含所需属性的记录联系。

3 功能设计和初步实现

本系统的功能模块主要包括数据管理模块和统计模块。

3.1 数据管理模块

数据管理模块主要实现监测数据的录入、编辑、修改、删除和复杂查询等功能，由管理员用户完成。

My SQL数据库基于关系模型，用表的集合表示数据和数据之间的联系,实体—联系模型定义的概念模式映射到关系模式。每次监测结束后更新记录表，并将调查人、天气和监测日期等作为一个元组更新监测表。现在已有能利用移动终端在野外记录调查结果的网页或应用，但本系统在设计时，为了尽量减少实地调查时做记录花费的时间，推荐调查人按自己惯用的方法在野外做记录，工作结束后再将记录输入记录表，存储为CSV格式后导入监测数据管理系统。

水鸟监测数据管理系统设计时，将物种表“物种名”属性作为记录表“物种名”属性的外键约束，因此在记录表录入一条记录时，该条记录的“物种名”必须已经在物种表的“物种名”属性中存在。如果在调查中发现水鸟物种新记录，受该外键约束无法录入，此时需要将新记录的物种作为一个元组新增到物种表。另外，通过该外键约束条件也能发现物种名录入错误的情况。

3.2 统计分析模块

浏览器/服务器模式的统计分析模块对调查数据简单统计，利用PHP与后台数据链接(陈志方等, 2016)，展示单次监测报告和年度监测简报。客户端/服务器模式通过Tableau Desktop与数据库连接实现，用户利用筛选器选择物种和监测时间，查询不同时间范围内单个物种分布情况和数量信息的可视化展示。

3.2.1 单次监测报告 一次鸟类监测完成，数据录入到数据库，用户可以利用数据管理系统查询生成的单次监测报告。报告的主要内容包括监测日期、监测人员、记录到的鸟类种类数及数量、水鸟种类数和数量，表格汇总各监测路线记录到的物种和数量(图3)。

图3 单次监测报告示例Fig.3 Example of a single monitoring report

3.2.2 年度监测简报 年度监测简报汇总1年内的鸟类监测数据，主要包括1年内记录到的鸟类种类、数量及时间动态、不同生态类群水鸟(雁鸭类、鸻鹬类、鸥科鸟类和鹭科鸟类)的数量及时间动态，图表展示选用ECharts图表库(贾天琳, 2018)，还可以包括本年内鸟类新记录、重点保护和珍稀濒危鸟类情况及鸟类名录等(图4)。

图4 年度监测简报示例Fig.4 Example of briefannual monitoring report

3.2.3 物种记录情况 Tableau Desktop数据可视化技术能用仪表盘同时展示有关单个物种监测结果的几个统计图表。用户可以通过筛选器选择物种和监测时间，查询不同时间范围内单个物种分布情况和数量信息。统计图包括每次调查记录到所查询物种的数量、物种分布图、在各条监测路线遇见的频次等。物种分布图上，圆形的面积示意监测到的相对数量(图5)。

图5 可视化物种记录情况示例Fig.5 Example of visualized species records

4 结语

本研究从湿地自然保护区管理的需要出发，设计的水鸟监测数据管理系统可以提高工作人员录入和统计水鸟监测数据的效率，方便检索监测结果。本系统的设计和初建针对水鸟监测数据，但也可作为利用My SQL数据库和前端管理其他生物类群或环境因子监测数据的参考。

本研究中的数据库在设计时，实体和联系的属性只包括了在湿地自然保护区开展水鸟监测时需常规记录的内容，如果要实现特定的调查目标，可以根据需要在数据库中增加表或属性，如：(1)添加彩色标记观测表，属性包括监测日期、监测路线、彩色标记类型(旗标、颈环和鼻环等)、颜色和编号等；(2)利用距离计算水鸟丰度时，可以在记录实体增加“距离”属性；(3)野外调查现场记录的移动轨迹和拍摄的照片也可作为监测实体的非格式内容存储在数据管理系统。

本数据管理系统的用户定位为自然保护区管理人员，未来可以更新设计开放给包括公众在内的更多用户，把数据管理系统作为共享监测信息的平台。鸟类研究人员和观鸟爱好者也可参考本设计，利用My SQL建立满足自己需要的鸟类调查数据库。