地理信息技術在中藥資源生產區劃研究中的應用

孫成忠，郝振國，朱壽東，黃璐琦，張曉波，郭蘭萍

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100039； 2. 中國中醫科學院中藥資源中心，北京 100700)

地理信息技術在中藥資源生產區劃研究中的應用

孫成忠1，郝振國1，朱壽東2，黃璐琦2，張曉波2，郭蘭萍2

(1. 中國測繪科學研究院，北京 100039； 2. 中國中醫科學院中藥資源中心，北京 100700)

中藥資源生產區劃對藥材生產和產業布局具有重要意義。本文主要闡述了基于地理信息技術的中藥資源生產區劃分析技術方法，并對中藥材生產區劃分析的關鍵技術進行了探索性研究，即分析模型構建。在此基礎上研發了中藥生產區劃分析地理信息系統(CMRPRGIS)，為國家和省一級中藥資源生產區劃劃分和產業布局規劃提供了新的技術手段。

地理信息技術；最大信息熵；中藥資源品質區劃；中藥資源生產區劃

我國中藥資源區劃研究始于20世紀80年代，是基于全國第三次中藥資源普查成果而進行的。研究確定了中藥區劃原則與方法，并對全國中藥資源區劃進行了劃分，建立了我國的9個一級區，28個二級區的中藥區劃格局[1]；同時對中藥材適宜區分析的基本方法進行了闡述。當時由于技術的限制，還不能采用基于藥材生長的生態環境因子進行分析，只是依據中藥資源的普查成果、產量的分布等級與品質特點，結合歷代本草的有關記載分析地道藥材的集中產區，從產需狀況與生態、生產等因素分析其生態適宜區與布局，采用定性與定量相結合的方法劃定了40種藥材的適宜區[1]。中藥資源區劃的劃分對于藥材的引種和擴種、開發和保護瀕危藥材物種、促進中藥材資源可持續利用都有非常重要的意義。20世紀90年代以后，隨著地理信息技術的引入和發展，中藥資源領域的眾多學者相繼開展了中藥資源區劃的研究，在中藥資源區劃研究上取得了重要進展和諸多成果[3-8]。進入21世紀，中藥資源產業迅猛發展，中藥資源賦予了新的含義，大量的中藥品種種植用于成分提取。中藥品質及成分含量越來越受到生產企業的重視，因此，中藥資源品質區劃的研究對中藥資源的產業布局具有實際的應用價值。

中藥資源生產區劃對藥材生產和產業布局具有重要意義。本文在中藥生態分布區劃的基礎上，結合藥材的生長分布情況和主要成分含量，利用地理信息技術對中藥材生產區劃分析的關鍵技術進行探索性研究，即區劃分析模型構建；并以中藥材有效成分為基礎，探索中藥資源生產區劃技術和方法，為中藥材種植和產業規劃提供技術支撐。

一、中藥資源生產區劃分析方法原理

1. 地理信息技術

地理信息技術是在計算機硬件和軟件的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供規劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息技術[2]。其特點為數據借助于圖形圖像來描述，屬性數據和空間數據聯合管理，具有空間分析、提煉挖掘數據成果等功能。地理信息技術已經成為空間數據處理、集成和可視化最成功的技術之一，并作為空間信息技術處理的有效工具極大地推動了空間信息技術在各個領域的應用。

2. 最大熵模型

最大熵模型(maximum entropy，MaxEnt)是一個密度估計和物種分布預測模型，是以最大熵理論為基礎的一種選擇性方法。最大熵模型從符合條件的分布中選擇熵最大的分布作為最優分布，首先確定特征空間，即確定物種已知分布區域；然后尋找限制物種分布的約束條件(環境變量)，構筑約束結合；最后建立二者之間的相互關系[9]。

2006年，Steven Phillips等[8]基于生態位理論，考慮了氣候、海拔、植被等環境因子，以最大熵模型原理作為統計推斷工具，構建了物種地理尺度上空間分布的生態位模型，編寫了MaxEnt軟件，用于預測物種的潛在地理分布。

3. 地理信息技術空間分析原理

利用地理信息空間分析技術能夠對影響藥材分布和品質形成的多因素進行復合分析，從而對藥材的區劃進行定量評價。其中，空間分析技術主要包括柵格數據的空間分析技術和矢量數據的空間分析技術。在地理信息技術支持下：①可以利用GIS數據采集和轉換功能將不同來源的數據轉換成模型或系統規定的格式；②可以利用GIS空間分析(特別是空間疊加分析)和圖形顯示功能，研究各要素的空間分布特征及要素之間的關系；③可以利用GIS與外部程序進行數據交換的功能，對地理數據庫進行操作、分析；④可以利用GIS的數據分析功能，對屬性數據進行統計分析，為分區標準提供可靠數值；⑤可以利用柵格分析功能和區劃分區標準對區劃結果進行分區，并利用GIS的圖形輸出功能輸入需要的地圖。

針對中藥資源生產區劃的分析原理和區劃過程，中國測繪科學研究院研發了中藥資源生產區劃分析地理信息系統(geographic information system for Chinese medical resource production regionalization，CMRPRGIS)。該系統結合了GIS技術和區劃分析方法，可以快速實現基于藥材樣點和成分的生長區劃、品質區劃和生產區劃分析，為藥材區劃提供了新的技術手段。

二、中藥資源生產區劃分析技術路線

中藥品質的形成是一個綜合性的過程，中藥的生長分布決定了品質的形成，而自然環境又是影響分布和品質的最重要因素。本文針對已經建立質量評價體系的藥材，以藥材中的單一成分為目標區劃，通過選擇影響藥材分布和品質形成的環境因子數據，利用最大熵模型(MaxEnt)計算環境因子對分布結果的貢獻率，即對眾多環境因子進行篩選排序。在此基礎上，選擇品質區劃指標，確定指標范圍值，利用藥材成分與環境因子的相關系數確定權重，建立品質區劃模型。在品質區劃和生產區劃的基礎上，制定分區標準，進行空間疊加建立生產區劃模型，最后利用土地利用數據和行政區劃數據對生產區劃結果進行優化。其中，樣品收集調查、區劃指標選擇、指標范圍值的確定、因子權重的計算、分析模型的建立、分區標準的制定等是影響區劃結果和科學性的關鍵。具體的研究路線如圖1所示。

圖1 區劃研究技術路線

整個研究主要分為以下4個過程：生長區劃模型的建立、品質區劃模型的建立、生產區劃模型的建立，以及中藥資源品質區劃系統的設計與實現。

三、中藥資源生產區劃分析模型構建

中藥資源生產區劃研究的關鍵問題是區劃分析過程中的模型構建，這是區劃分析的難點。區劃分析的主要過程是依據藥材實地調查的采樣點和樣品成分分析數據，基于中藥資源空間信息網格數據庫中的氣候因子數據(包括降水、氣溫等)、地形因子數據、土壤類型數據和植被類型數據，利用最大熵模型分析藥材的分布區劃。根據分布區劃中不同因子對藥材生長的貢獻率，選取合理的分析指標，利用藥材成分和因子之間的相關性建立因子權重，采用柵格疊加的方式建立藥材的品質區劃。在藥材分布區劃和品質區劃的基礎上，分析出適合藥材種植的最適宜區、次適宜區和不適宜區。主要分析分析模型構建如下：

1. 基于生態因子篩選的信息熵模型構建

在眾多的環境因子中，選擇對品質區劃有重要影響的環境因子指標，是進行品質區劃的基礎。依據分布區劃過程中產生的因子貢獻率數據并結合專家知識對因子進行篩選，篩選工作利用MaxEnt軟件完成。在篩選中主要遵循兩個原則：①按照各個因子對最終結果的貢獻率大小，選擇貢獻率總和大于95%的因子；②兼顧氣溫、降水、地形、土壤類型、植被類型5大主要指標。

2. 基于地理信息技術的生產區劃分析模型構建

(1) 指標范圍值的確定

區劃指標范圍值的確定是保證品質區劃質量的基礎，在確定環境因子后，需要確定藥材最適宜的生長環境因子的指標值。根據MaxEnt軟件計算結果中環境適宜度對各個因子的響應曲線及采樣點處的環境因子值兩個因素，確定各個因子的指標值。

(2) 數據標準化模型構建

由于不同的環境因子有不同的量綱，因此在進行分析前必須對其進行標準化處理。本研究中對氣溫、降水等連續值采用絕對偏差中間值標準化方法，方法如下

式中，n為標準化后的值，取值范圍為0～99；mf為因子適宜指標的中間值；X為因子值；Δ可表示為

對于植被類型、土壤類型等離散性數據則采用二值化標準化方法，即因子值等于指標值的為0，反之為99。

(3) 指標權重計算模型構建

不同的環境指標對成分形成的作用大小不同，因此，在計算中應賦予不同的權重。本文指標的權重根據不同藥材成分與不同環境指標的相關性來確定。相關性越強的因子權重越大，反之越小。權重確定采用相關系數排序打分法，同時要確保各個因子的權重之和為1。

(4) 品質區劃模型構建

根據以上步驟形成的環境指標值和指標的權重，利用地理信息技術中的空間分析方法，將賦予了權重的因子指標進行疊加分析，得到基于某個成分的空間分析模型，該模型在任一點上，都表現為與最優生長區的相似程度，用相似距離值的概念來表達。

(5) 生產區劃數據重分類分析模型構建

生產區劃圖的建立首先需要對分布區劃和品質區劃進行分區。根據樣點處的生境適宜度和相似距離值，依據正態分布的原理，將分布區劃和品質區劃依次劃分為最適宜區、次適宜區和不適宜區。分區標準如圖2所示。

圖2 正態分布

1) 分區參考：依據正態分布的參數μ、δ，結合采樣點處的提取值，對分布區劃和品質區劃進行分區。

2) 分布區劃分區：提取采樣點處的生境適宜度值，以提取結果中的最小值(min)作為適宜生長和不適宜生長的分界線。對于適宜生長的區間，則以正態分布中的μ+δ為界分為次適宜區和最適宜區，即[0,min]為不適宜區，[min，μ+δ]為次適宜區，[μ+δ,1]為最適宜區。

3) 品質區劃分區：提取采樣點處的品質相似距離值，以提取值作為樣本，計算平均值(μ)和均方差(δ)，進而以μ、δ為依據劃分，即[0，μ]為最適宜區，[μ,μ+δ]為次適宜區，其余為不適宜區。

四、中藥資源生產區劃分析地理信息系統研發及應用

1. 中藥資源生產區劃分析地理信息系統研發

依據前述的中藥資源區劃分析技術路線和關鍵技術研究，開發了中藥資源生產區劃分析地理信息系統(CMRPRGIS)。該系統結合GIS技術、軟件工程技術，特別是空間數據庫技術，通過GIS組件的功能專門針對中藥材生產區劃定制開發。系統以.NET平臺為基礎，采用C/S結構，以單機桌面模式實現數據處理的各個功能，從而為中藥資源區劃分析提供了良好的平臺。CMRPRGIS總體設計路線如圖3所示。

圖3 系統設計

CMRPRGIS系統可以實現藥材樣品數據庫的管理、基于屬性和空間位置的交互式查詢等功能。其功能主要表現在以下幾個方面：

1) 圖層管理：圖層管理主要實現圖層的增加、刪除、樣式設置等。系統提供了加載SHP、Geodatabase、Grid、SDE等不同格式的圖層。

2) 圖形顯示：圖形顯示功能主要包括圖形的放大、縮小、移動、顯示和關閉等。

3) 區劃分析：區劃分析作為該系統的核心功能，主要包括了生長區劃、品質區劃和生產區劃。該功能按照既定的技術路線，實現3種區劃圖的制作。

a. 生長區劃：生長區劃主要用于實現加載MaxEnt軟件的計算結果，顯示和輸出生長區劃圖，并將區劃結果作為生產區劃的輸入文件進行處理。

b. 品質區劃：該區劃功能主要包括：根據采集點的點位坐標和樣品成分分析數據生成SHP文件、品質區劃指標選擇、因子標準化、權重計算、柵格計算，以及品質區劃分區。

c. 生產區劃：生產區劃包括生產區劃圖的制作、屬性的查詢和結果的優化處理等。

4) 空間查詢：空間查詢主要包括單純的屬性查詢、與空間位置有關的查詢、屬性和空間的聯合查詢等。

5) 數據編輯：實現與地圖的交互式操作，主要用于矢量數據的添加、刪除等更新操作。

6) 圖形輸出：根據實際需要輸出中藥材的生長區劃圖、品質區劃圖或生產區劃圖、統計報表、圖表等。

2. 中藥資源生產區劃分析地理信息系統應用

利用CMRPRGIS系統對全國不同區域的20多個名貴中藥材品種進行基于品質的生產區劃分析,取得了很好的應用效果。依據這些藥材實地調查采樣的點位坐標數據和樣品成分分析數據，從數據庫中提取溫度數據、降水數據、地形因子數據、土壤類型數據和植被類型數據，在分析系統中分析出每種藥材的分布區劃、品質區劃和生產區劃，進而按照分區標準和基礎地理數據庫，分析出最適宜區、次適宜區和不適宜區。

五、結束語

基于地理信息技術的中藥資源生產區劃分析通過將地理信息學、中藥資源學、環境生態學等多個學科相關的理論和方法有機結合，實現了基于藥材品質的生產區劃分析。該方法以藥材道地產區和主產的生態環境因子與中藥成分之間的相關性為基礎，通過因子篩選、標準化、權重等模型構建，以科學分析方法來確定藥材的生產區劃，為指導道地藥材的規模化生產提供了創新的思路。

CMRPRGIS系統研發是基于藥材成分與環境因子的關系，運用組件化技術，針對中藥材的生長、品質和生產開發的地理信息系統，可以快速實現基于藥材采樣點和成分的生長區劃、品質區劃和生產區劃分析，為國家和省一級中藥資源生產區劃劃分和產業布局規劃提供新的技術手段。而由CMRPRGIS分析得出的中藥材分布、品質和生產區劃的結果可以為藥材的開發利用和引種栽培提供科學參考，對促進我國中藥資源保護利用和開發具有重要意義。

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SUN Chengzhong，HAO Zhenguo，ZHU Shoudong，HUANG Luqi，ZHANG Xiaobo，GUO Lanping

2016-07-22；

中央本級重大增減支項目(2060302)

孫成忠(1964—)，男，碩士，高級工程師，主要從事地理信息技術及行業GIS研究。E-mail：scz@casm.ac.cn

孫成忠，郝振國，朱壽東，等.地理信息技術在中藥資源生產區劃研究中的應用[J].測繪通報，2016(12)：96-99.

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B

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修回日期：2016-09-14