青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统的设计与实现△

谢忠强，李秀璋，李玉玲，薛淑绮

1.北京环宇智绘科技有限公司，北京 100018；2.青海大学 畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；3.甘肃省地图院，甘肃 兰州 730000

冬虫夏草为冬虫夏草菌寄生在蝙蝠蛾科昆虫幼虫上的子座及幼虫尸体的干燥复合体，是青藏高原独有的物种，具有极高的药用价值和经济价值，一般生长在青藏高原东部海拔3000～5000 m 的高寒草甸，其分布还受土壤、植被类型和坡向等因素的影响[1]。我国冬虫夏草的主要产区包括青海、西藏东部、云南北部、四川西部和甘肃西南部[2]。青海省是冬虫夏草的主产区，年产量占全国总产量的70%。作为青海省畜牧业最主要的经济支柱，冬虫夏草价格不断攀升，其资源的可持续发展与当地农牧民的脱贫息息相关[3]。

冬虫夏草的分布具有明显的地理特性，其生长环境与海拔、温度、降水、日照和土壤等生态因素密切相关。只有将药用植物与环境、空间地理数据结合起来，才能更加具体地表达药用植物的空间分布，提高其直观性和决策所需的可视性。地理信息系统（GIS）技术作为一种空间信息技术，在中药资源调查、药材蕴藏量估算、中药材适宜性区划等方面应用广泛，可以解决中药资源数据的具体应用问题[2,4-6]。

本研究建立的“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”旨在应用GIS 和空间数据库技术，以青海省冬虫夏草分布采样点、密度及生长环境因子数据库为依托，对青海省冬虫夏草进行蕴藏量计算和生态适宜性区划分析，以期为青海省冬虫夏草资源的产业规划和可持续利用提供准确的数据，从而为青海省冬虫夏草资源保护利用和政府宏观决策提供信息服务和科学指导。该系统在传统药材区划的基础上实现了计算机技术和生态方法的有机结合，可以极大地提高对青海省冬虫夏草的宏观控制能力，为当地精准扶贫和经济发展提供技术支撑和决策支持[3]。

1 系统概述

1.1 系统设计目标

该系统以实现冬虫夏草蕴藏量计算和产地适宜性区划分析为目标，通过研发“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”实现面向青海省冬虫夏草的蕴藏量计算和产地适宜性区划。通过建立青海省冬虫夏草生长生态因子库，形成以空间数据为基础、多种空间分析方法综合应用的区划系统。以GIS 为开发平台、以冬虫夏草采样点的空间分布为依据、以生态环境因子为基础，实现对冬虫夏草产地适宜性进行多因子的定量化和空间化分析，从而提供冬虫夏草引种栽培的科学指导。

1.1.1 建立更完备科学的环境因子空间数据库 区划分析离不开基础数据的支撑。通过构建比较完备科学的环境因子空间数据库，改变单纯依靠经验进行区划分析的传统方法。构建结构合理、数据准确的空间数据库是进行冬虫夏草生态适宜性区划的关键。通过系统建设将形成统一地理基准、统一空间范围，以及涵盖气候、土壤、地形、植被因子的空间数据库。

1.1.2 提高区划分析的科学性和自动化水平 通过“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”形成以冬虫夏草生长环境因子数据库为基础的科学分析方法，大大提高区划结果分析的可靠性，增强分析的科学性。同时，依靠计算机技术将提高分析的自动化水平。相对于传统分析方法，本方法将更加有效、准确和快速，从而为青海省冬虫夏草产业规划和可持续利用提供可靠的决策分析手段。

1.1.3 创建空间可视化的区划过程及结果 基于GIS 和地图可视化技术，该系统将对分析过程中形成的空间数据文件和分析结果以地图形式进行直观的空间显示和输出。

1.2 系统技术路线

“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”将采用实用、成熟的技术方法进行面向数据管理的二次开发设计，考虑多源、多尺度数据间的逻辑联系，顾及系统的功能需求、持续发展、维护管理与数据更新等方面的要求，结合当今计算机技术、GIS 技术、软件工程技术，特别是空间数据库技术的最新进展，通过基于GIS 组件的功能定制开发，力求使总体设计满足数据库管理和地图综合工具性能稳定、功能实用的要求，使系统建设达到项目建设的预期目标。鉴于目前国内基础地理数据库所采用的技术趋势，“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”将采用成熟的ArcSDE 结合Oracle 的空间数据管理模式，将空间数据存储在关系型数据库中，通过空间数据引擎及应用服务器对空间数据进行有效管理，并通过专用开发包进行数据库功能开发，实现数据库系统的集成管理。该系统采用C/S 结构，以单机桌面模式实现数据处理各项功能。系统从数据处理到应用服务的主体数据处理设计流程包括：1）获取数据源。数据主体是环境因子数据和冬虫夏草采样点数据，通过统一投影及空间范围等预处理后，将数据加入到基础数据库中；而收集整理的相关信息（如基础地理信息数据等）则作为基础数据加入到空间数据库中。2）产地适宜性区划分析。产地适宜性区划分析主要涉及生态适宜性的计算和结果的分类输出，通过最大信息熵模型计算冬虫夏草的适宜度分布，并在此基础上提取分布点对应的适宜度，按照设计的算法进行分类。3）蕴藏量计算。输入青海省草地面积、产区冬虫夏草寄主蝠蛾数量、所占比例及侵染率，计算冬虫夏草蕴藏量。4）结果的空间表达与输出。冬虫夏草产地适宜性区划分析结果以栅格形式保存到数据库中并在系统中显示。

2 系统设计

2.1 系统架构

“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”总体架构采用三层式结构，主要有软硬件支撑层、数据层、应用服务层[7]。软硬件支撑层由计算机基础支撑平台提供，主要包含计算机基础平台系统、本地存储设备、关系型数据库、ArcSDE空间数据引擎等，为上层提供数据存储管理能力，并对上层提供各类数据访问接口。数据层主要是系统管理的数据资源内容，主要由冬虫夏草采样点数据、环境因子数据、基础地理信息数据、辅助数据等组成。数据层包含了相关数据资源，具体的数据存储根据数据种类与使用方式的不同可以由关系型数据库、空间数据库进行存储。应用服务层主要包含了相应的蕴藏量计算、适宜性分析、空间分析等功能模块，为区划分析系统和其他应用系统提供数据应用服务。

整个系统依据相应的数据管理策略和信息安全体系构建，与存储设备、存储管理软件结合，在存储设备之上建立冬虫夏草蕴藏量计算和生态适宜性区划分析系统，最终通过系统界面向用户提供服务。系统架构见图1。

图1 “青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”系统架构

2.2 数据库设计

根据冬虫夏草生态适宜性区划过程中涉及到的数据体系（采样点数据、基础地理信息数据、环境因子数据及其他辅助数据库），在数据库体系规划建设中逐步充实整个数据库。针对多种不同类型的数据，通过有效统一的管理手段，建立科学高效的数据库，提高应用水平。数据库架构见图2。

图2 “青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”数据库架构

对平台涉及到的数据进行归类分析，主要把数据分为基础地理数据、冬虫夏草生长环境因子数据、冬虫夏草采样点数据、区划分析结果数据。

2.2.1 基础地理信息数据 基础地理信息数据主要包括行政区划、居民地、交通、水系等内容，基础地理信息数据以点、线、面的矢量形式存放于空间数据库中。基础地理信息数据用于对分析后的栅格和矢量数据进行叠加分析和制图，以丰富的图形方式表达分析结果。

2.2.2 环境因子数据 环境因子数据是进行冬虫夏草生态适宜性分析和引种栽培布局的关键因素，主要包括气候因子、植被因子、土壤因子、地形因子、土地利用因子等（表1）。

表1 “青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”环境因子数据

2.2.3 冬虫夏草分布数据及其他相关数据 青海省冬虫夏草分布数据及其他相关数据，主要包括青海省冬虫夏草采样点数据、草场面积数据、侵染率和用户数据等。

2.3 系统功能设计

“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”主要功能见图3。

图3 “青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”系统功能

3 关键技术

3.1 最大熵模型

最大熵模型是密度估计和物种分布预测模型，是以最大熵理论为基础的一种选择性方法。该模型从符合条件的分布中选择熵最大的分布作为最优分布，通过确定特征空间，即物种已知分布区域，接着寻找限制物种分布的约束条件（环境变量），构筑约束结合，最后建立两者之间的相互关系[8-9]。具体来说，最大熵模型把研究区所有单元作为构成最大熵的可能分布空间，将已知物种分布点的单元作为采样点，根据采样点单元的环境变量（如气候变量、海拔、地形、土壤类型、植被类型）得出约束条件，寻找此约束条件下的最大熵的可能分布（即寻找与物种分布点的环境变量特征相同的单元），据此来预测物种在目标区的分布。模型的运行需要2 组数据，一是目标物种的显示地理分布点，以经纬度的形式表示；二是物种现实分布地区和目标地区的环境变量，主要是气候数据、地形地貌数据和植被覆盖数据等。最大信息熵根据物种现实分布点和现实分布地区的环境变量计算得到适宜度数值，再利用此模型模拟目标物种在目标地区的可能分布情况[10-11]。

3.2 GIS空间分析

GIS 为采集、存储、管理、分析、显示、应用整个或部分地球表面与空间地理分布相关数据的计算机系统，是一项分析和处理海量地理数据的技术。GIS 不仅可以对地理空间数据进行编码、存储和提取，还可以通过空间分析技术对分析结果进行评价。

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的数据分析技术，从宏观上可以归纳为以下3 种：1）空间图形数据的分析运算；2）非空间属性数据的运算；3）空间和非空间数据的联合运算。运算手段包括各种几何逻辑运算、数理统计分析、代数运算等，以解决有关地理空间的实际问题、提取和传输地理空间信息尤其是隐含信息[12]。

GIS 的空间分析分为栅格数据空间分析和矢量数据空间分析两大类。在区划平台中栅格数据的空间分析主要是对栅格数据范围的提取、栅格数据的重分类等，用于结果的分析、寻找中药材最适宜生长的环境因子及范围。矢量数据的空间分析主要是空间叠加分析及采样点空间分布等[13]。

3.3 冬虫夏草蕴藏量计算

冬虫夏草蕴藏量受到2 个重要因素的影响，即冬虫夏草产区分布面积和寄主蝠蛾幼虫种群数量。青海省冬虫夏草蕴藏量按公式（1）计算[3]。此外，冬虫夏草菌的侵染率也是影响冬虫夏草蕴藏量的关键因素之一，在自然条件下尤为重要。

4 系统开发与实现

4.1 软件界面

软件界面遵循简易性、用户语言和记忆负担最小化原则设计，系统主界面见图4。

图4 “青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”软件主界面

4.2 冬虫夏草蕴藏量自动计算

在系统中输入青海省草地面积、冬虫夏草产区所占比例、产区冬虫夏草寄主蝠蛾数量和冬虫夏草菌的侵染率，系统就会自动计算出冬虫夏草蕴藏量。

4.3 青海省冬虫夏草产地适宜性区划分析

利用“冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”可以实现青海省冬虫夏草产地适宜性区划分析。

4.3.1 样品数据采集 我国冬虫夏草主要分布于青海、西藏、四川、甘肃等省份。青海省和甘肃省冬虫夏草样品数据由青海省畜牧兽医科学院在青海省和甘肃省冬虫夏草传统道地产区进行实地采集，西藏自治区和四川省样品数据分别由西藏畜牧学院和重庆中药研究院在野外实地调查获取。冬虫夏草采样点分布见表2。

表2 冬虫夏草采样点分布

4.3.2 生态因子筛选及数值确定 选取系统中全部生态因子进行最大信息熵模型运算，得到生态因子的筛选排序，将分析筛选影响因子贡献率>0.1的因子进行二次建模计算。最后，选取第二次因子筛选建模，计算排序中累积贡献率>95%的因子，同时考虑地形、土壤、植被等不同类型生态因子的影响，最终得到海拔、5 月降水量、9 月降水量、昼夜温差月均值、最冷月最低温、土壤类型、植被类型7项冬虫夏草药材区划分析生态因子。这7项生态因子确定为冬虫夏草药材进行区划分析的主导生态因子。冬虫夏草药材生态因子内容及范围见表3。

表3 冬虫夏草药材主导生态因子

4.3.3 产地适宜性区划分析 根据筛选的生态因子，利用GIS空间分析计算，生成青海省冬虫夏草概率分布图。结果显示，冬虫夏草主要分布在青海东部的黄南藏族自治州、果洛藏族自治州、海北藏族自治州，以及南部玉树藏族自治州。使用者可以根据不同需求制定相应的区划划分标准。根据青海省冬虫夏草生境特点及实际分布情况，对上述冬虫夏草概率分布进行人工定义分级，形成青海省冬虫夏草产地适宜区划，生长适宜概率为85%～100%的区域为最适宜区、生长适宜概率为75%～85%的区域为次适宜区、生长适宜概率为60%～75%的区域为低适宜区、生长适宜概率为1%～60%的区域为不适宜区。

4.3.4 计算适宜区面积 对于适宜区域内水域等不适宜冬虫夏草生长的区域都应在适宜区区划分析时予以排除。利用地理信息技术方法建立冬虫夏草最适宜区，利用相交、擦除、合并等矢量数据空间分析方法，结合水域分布数据及青海省主要湖泊、水库等数据，对冬虫夏草最适宜区进行优化。最后，在系统中可以导出冬虫夏草区划中最适宜区的面积，见表4。

表4 青海省冬虫夏草最适宜区面积

5 结语

从系统分析结果看，影响青海省冬虫夏草分布的主要环境因子为海拔、5 月降水量、9 月降水量等，这说明决定冬虫夏草能否在当地生长主要取决于当地的海拔和降水量。从系统分析的产地适宜性区划结果看，青海省冬虫夏草分布最适宜区是玉树藏族自治州、果洛藏族自治州、海南藏族自治州及海北藏族自治州，此分析结果与现在青海省冬虫夏草实际分布区基本吻合[3]。因此，建议在上述地区做好区域产业规划，使作为青海省特色药材品种的冬虫夏草实现可持续利用，为青海省经济发展和大健康产业做出应有的贡献。

“青海省冬虫夏草蕴藏量及产地适宜性区划分析系统”的设计实现不仅可以预测青海省冬虫夏草蕴藏量，还可以方便高效地分析和预测青海省冬虫夏草的产地适宜生长区划，以及对数据进行空间化、可视化管理。该系统将冬虫夏草的生态信息与分布信息有机结合，实现了青海省冬虫夏草蕴藏量、分布、适宜区和面积等多类型区划数据的自动分析。相较于传统经验和单个气候因子分析中药材产地的方法，该系统为青海省冬虫夏草的产业规划和可持续利用提供了更为科学的数据支撑。