水鳥信息管理與應用系統設計與實現

廖寶雄 曾南京 劉觀華 李秀明 錢法文*

(1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業和草原局森林保護學重點實驗室，北京 100091；2 江西鄱陽湖國家級自然保護區，江西 南昌 330038)

當前世界已進入信息時代，如何高效地組織和分析數據成為了諸多領域進一步發展的瓶頸。我國水鳥研究起步較晚(鄭光美, 1981)，缺乏長期的、大范圍的系統調查數據(王夢迪, 2015)。近些年有關水鳥的研究調查逐漸増多，與此同時，大眾的觀鳥活動也越來越普及，并且觀鳥愛好者的自發觀鳥活動收集了大量第一手觀鳥數據，其相對于系統調查覆蓋范圍更廣、觀察時間序列更長(Geissler et al, 1981; Bart, 2005)，為水鳥生態和保護研究提供了不可多得的數據來源，有必要加強對水鳥觀鳥數據的利用和管理。此外，目前我國鳥類生態和保護研究領域的信息化程度還相對落后，現有的水鳥數據庫還主要停留在單機數據庫，甚至人工管理表格的階段（鄭光美, 1981; 李雪艷等, 2012）。為解決鳥類生態及保護研究野外調查數據入庫難、存儲難、查詢不便、數據利用效率低等問題，有必要開發可通過網絡隨時隨地訪問的水鳥信息管理與應用系統，可有效地收集、管理和利用鳥類數據，為開展鳥類生態及保護研究提供技術支撐。

1 整體設計

1.1 系統需求分析

目標系統要實現調查數據的便捷入庫、海量存儲、方便查詢、高效分析；同時系統要盡可能開放，便于更多人使用；頁面簡潔，易于使用。

1.2 系統架構設計

通過分析目標系統的需求，基于現有技術，選用適合的軟件設計原則(Rumbaugh, 2004; 曹森等,2012)，確定系統的整體方案。為了存儲、查詢及管理海量數據，系統應當有一個基礎的數據庫，同時為了實現更為便捷的訪問，系統設計以網站的形式呈現。整個系統由后臺數據庫和前臺網站構成，前臺網站除了提供數據庫的存儲查詢和管理功能外，還要有一定的便捷分析功能。目標系統的后臺數據庫由基于MySQL 5.6.21.1軟件來創建，前臺網站基于ASP.NET技術利用Microsoft Visual Studio 2010來開發，網站的具體網頁包括首頁、用戶登入及注冊、數據存儲、查詢、管理及統計分析等內容。

2 數據庫設計

2.1 需求分析與概念設計

本數據庫需要存儲水鳥信息、注冊人員信息和用戶記錄背書信息，涉及的業務活動主要為注冊用戶提交、管理水鳥信息和用戶記錄背書信息。

(1)水鳥信息：可分為3個部分，監測時間地點信息、鳥情記錄信息、物種基礎信息。考慮到越冬水鳥的研究中越來越關注溫差、鳥類成鳥、幼鳥數量及鳥類行為等方面的情況，數據庫將支持記錄平均氣溫、最高溫度、最低溫度，以及總數量、幼鳥數量、亞成鳥數量、成鳥數量、休息、飛翔、游走、覓食、其他行為、雄鳥數量等詳細數據。

(2)注冊人員信息：存儲注冊人員賬戶及個人信息。

(3)用戶記錄背書信息：存儲注冊人員對每條記錄的背書情況。

通過自底向上的方法，將用戶需求抽象為概念模型，得到實體及屬性的E-R圖，詳見圖1至圖5。

2.2 邏輯設計與表結構定義

由于本數據庫采用的MySQL是關系模型的關系數據庫管理系統，因此邏輯設計中主要是將概念設計中得到的實體關系模型(E-R圖)轉化成關系模式。然后對其進行轉化(必要時可適當優化)得到各表結構。水鳥信息設計為觀測點表、鳥類記錄表、鳥類物種基礎信息表3個物理表，注冊人員信息設計為注冊人員信息表一個物理表，用戶記錄背書信息設計為用戶記錄背書表一個物理表。各表的結構具體如下：

（1）觀測點表(point table)：主要字段有點記錄代碼、觀測開始日期時間、觀測結束日期和時間、調查方法、天氣、能見度、氣溫、最高溫、最低溫、風速、風向、野外調查人員、數據錄入員、數據錄入時間、瀏覽數、地點省、市、縣、鄉、地名或湖名、經度、緯度、隱私、備注、關聯文件代碼，其中點記錄代碼為主鍵。

圖1 物種實體及屬性局部E-R圖Fig.1 Local E-R Diagram of Species Entitiy and Attributes

圖2 監測點實體及屬性局部E-R圖Fig.2 Local E-R Diagram of Monitor-point Entitiy and Attributes

圖3 鳥情記錄實體及屬性局部E-R圖Fig.3 Local E-R Diagram of Bird-record Entitiy and Attributes

圖4 注冊用戶實體及屬性局部E-R圖Fig.4 Local E-R Diagram of Registered-user Entitiy and Attributes

圖5 記錄提交局部E-R圖Fig.5 Local E-R Diagram of Submit-record Entitiy and Attributes

（2）鳥類記錄表(bird_record table)：主要字段有鳥信息記錄代碼、物種名、生境類型、總數量、幼鳥數量、亞成鳥數量、成鳥數量、休息、飛翔、游走、覓食、其他、停留時間、人為活動類型、食物類型、雄鳥數量、識別方式、觀測點代碼、備注、數據錄入時間，其中鳥信息記錄代碼為主鍵。

（3）鳥類物種基礎信息表(bird_information table)：主要字段有物種代碼、物種中文名、物種英文名、物種拉丁名、備注、分布、習性、特征，其中物種代碼為主鍵。

（4）注冊人員信息表(staff_informatio table)：主要字段有用戶代碼、注冊賬號、賬戶名、密碼、郵箱、手機、固話、單位、通訊地址、真實名、昵稱、性別、其他信息、讀權限、更新權限、刪除權限，其中用戶代碼為主鍵。

（5）用戶記錄背書表(user_record_endorsed table)：主要字段有背書代碼、用戶名、記錄代碼、背書字符串，其中背書代碼為主鍵。

2.3 表的關聯

為了保持不同物理表在存儲數據時的數據完整性，需要對物理表之間的關聯關系作適當設定。鳥類記錄表當中的“觀測點代碼”字段作為外鍵對應觀測點表中的主鍵“點記錄代碼”，鳥類記錄表當中的“物種名”字段作為外鍵對應鳥類物種基礎信息表中的主鍵“物種代碼”，用戶記錄背書表當中的“記錄代碼”字段作為外鍵對應鳥類記錄表中的主鍵“鳥信息記錄代碼”。

并將所有外鍵屬性設定為，刪除時限制(“RESTRICT”)，更新時更新(“CASCADE”)。例如上述鳥類記錄表、觀測點表的外鍵約束中，當要刪除觀測點表中的某一條記錄時，數據庫系統會自動檢查該條記錄是否被鳥類記錄表中的某條記錄關聯，如果有則不能刪除(想要刪除，則必須先刪除鳥類記錄表中的對應記錄)。當更新觀測點表中的某一條記錄時，數據庫系統會自動將更新反應到鳥類記錄表中有關聯的記錄中。

3 網站設計

后臺數據庫是目標系統的基礎，前臺網站是目標系統的窗口。網站設計的合理與否直接關系到用戶的體驗和后續使用興趣。

3.1 需求分析

根據需求調查和“整體設計”章節知道，網站的具體網頁包括首頁、用戶登入及注冊、數據存儲、查詢、管理及統計分析等內容。所有網頁應當有統一的風格，網頁與網頁之間的關系應當有一定的連貫性，單個網頁的不同內容之間應當在視覺上有所分割。

網站可分為首頁、記錄查詢、鳥情統計、鳥情分析和數據管理5個功能模塊，其中數據管理包含賬號登入、賬號注冊、賬號管理、記錄錄入、記錄管理(修改、刪除)、記錄背書等子模塊，成功登入賬號后才可進行相關數據管理操作。每個模塊(或子模塊)設計為一個頁面。

（1）賬戶注冊頁面，只輸入少數關鍵信息即可提交注冊。用戶名可輔助查重，實現唯一的用戶名功能。

（2）記錄查詢頁面，用戶可通過觀測時間、調查者姓名、地點等進行篩選查詢，呈現符合要求的記錄。

（3）記錄管理頁面，用戶可對本人提交的記錄進行更新、刪除等管理。

（4）記錄背書頁面，用戶可對其他用戶的記錄進行背書，表示支持。

（5）鳥情統計頁面，用戶可統計指定時間范圍內監測到的物種清單、各物種被監測到的次數和各物種被監測到的數量等，亦可統計指定物種是否被監測到。

（6）鳥情分析頁面，用戶可設置物種、觀測時間、觀測地點等進行查詢，顯示查詢結果中數量-空間分布情況，并展示查詢結果中數量-時間分布情況。

3.2 網頁內容與布局定義

基于ASP.NET技術的特點，我們設計模板頁供所有網頁引用，以統一所有網頁的風格，定義各網頁的整體布局，并盡量簡化內容頁的開發和維護。管理中只需更改模板頁即可實現所有網頁風格的統一更改。同時為更好地隔離、管理需要登入權限才可訪問的網頁，設計“登入成功歡迎頁面”，以管理相關網頁的導航。

(1)模板頁1：用于未登入賬號即可訪問的網頁，模板頁從上往下由頁面頂部圖片、導航、內容頁占位符、版權信息等4部分組成。導航應有首頁、記錄查詢頁面、統計頁面、分析頁面、登入頁面、注冊頁面等的鏈接。

(2)模板頁2：用于需登入才能訪問的頁面，模板頁從上往下由頁面頂部圖片、導航、退出按鈕、內容頁占位符、版權信息5部分組成。導航包含首頁、登入頁面、注冊頁面等的鏈接。

(3)首頁：最新照片、最新記錄顯示表格。以表格的形式展示監測點序號、時間、地點、野外調查人員、鳥種數、總數量、錄入時間等。

(4)登入成功歡迎頁面：登入成功后跳轉到此頁面，頁面有歡迎詞、用戶賬號管理頁面跳轉鏈接、記錄提交頁面跳轉鏈接、記錄管理頁面跳轉鏈接、記錄背書頁面跳轉鏈接等組成。用戶賬號管理、記錄提交、記錄管理、記錄背書等功能只有在登入的狀態下才可實現。

(5)記錄查詢頁面：有輸入設定地點、觀測開始和結束時間、野外調查人等條件的輸入編輯框，查詢按鈕，查詢全部快捷按鈕，顯示結果的表格。以表格的形式返回監測點序號、時間、地點、野外調查人員、鳥種數、總數量等。

(6)鳥情統計頁面：有物種、觀測開始和結束時間、地點、野外調查人員等輸入編輯框，查詢按鈕，查詢全部快捷按鈕，顯示結果的表格。以表格的形式返回統計到的鳥種數、每一個被統計到的鳥種名稱、被記錄的次數、數量求和、單次數量最大值。當限定物種的時候，只返回該物種被統計到的信息。

(7)鳥情分析頁面：有物種、觀測開始和結束時間、地點、數據分類方式等信息的輸入編輯框，查詢按鈕，顯示熱力圖按鈕，關閉熱力圖按鈕，導出數據按鈕、地圖、折線圖、顯示結果的表格。以表格的形式返回物種名稱、時間、地點、經緯度、數量等信息。以地圖的形式展示數量在空間中的分布情況。以折線圖的形式展現數量隨時間變化的情況。

(8)登入頁面：內容包括用戶名、密碼輸入編輯框，提交按鈕。

(9)新用戶注冊頁面：內容包括用戶名、密碼、確認密碼、郵箱等輸入編輯框，注冊按鈕，返回按鈕。用戶名支持唯一性驗證，自動檢驗密碼、確認密碼是否一致，自動檢查用戶名、密碼、確認密碼、郵箱、手機號、真實姓名是否為空，有空項將不予注冊，并以紅色字體顯示提示信息。

(10)用戶賬號管理頁面：依次顯示當前賬號的賬戶名、郵箱、手機號碼、電話號碼、工作單位或地址、通訊地址、真實姓名、昵稱、性別、其他信息，新郵箱、新手機號碼、新電話號碼、新工作單位或地址、新通訊地址、新真實姓名、新昵稱、性別、其他信息、新密碼、確認新密碼等更新編輯框，以及原密碼輸入編輯框，更新按鈕。

(11)記錄錄入頁面：包括觀測點信息輸入編輯框，提交觀測點信息按鈕，批量提交觀測點記錄選項框及按鈕，鳥情輸入編輯框，提交鳥情信息按鈕，批量提交鳥情記錄選項框及按鈕。

(12)記錄管理頁面：包括觀測點記錄管理表格(內含編輯、刪除按鈕)，鳥情記錄管理表格(內含編輯、刪除按鈕)。

(13)記錄背書頁面：包括記錄背書管理表格(內含背書按鈕)和適當說明文字。

3.3 視圖定義

為了簡化網頁代碼，便于網頁調用數據庫數據，對網頁中不同的表格在數據庫中分別定義專門的視圖。

(1)主頁視圖：綜合了觀測點表和鳥類記錄表的信息，增加了對物種的計數和對數量的求和，主要用于支持主頁記錄信息的展示及作為記錄查詢頁面查詢的數據源。

圖6 2015年冬季水鳥數量空間分布（部分截圖）Fig.6 Spatial Distribution of Waterbirds in Winter 2015 (Partial Screenshots)

圖7 2015年冬季水鳥數量時間分布（部分截圖）Fig.7 Time Distribution of Waterbirds in Winter 2015 (Partial Screenshots)注：“求和”即單位時間內所有記錄鳥類數量之和；“最大值”即單位時間內鳥類數量最多的那一條記錄的值；“平均值”即單位時間內所有記錄鳥類數量之和除以記錄條數。

(2)統計視圖：綜合了觀測點表和鳥類記錄表的信息，增加了對監測點的計數，主要用于支持鳥情統計頁面，作為該頁數據查詢的數據源。

(3)分析視圖：綜合了鳥類物種基礎信息表、觀測點表和鳥類記錄表的信息，主要用于支持鳥情分析頁面，作為分析頁面數據查詢的數據源。

3.4 數據庫連接

網頁開發中，網頁與數據庫的連接使用MySQL推出的MySQL Connector/Net組件，該組件是MySQL為ADO.NET訪問MySQL數據庫設計的.NET專用訪問組件(Oracle Corporation and/or its affiliates, 2018)。安裝完成該組件后，需要在項目中引用這個組件，在程序中引用命名空間MySql.Data.MySqlClient(Oracle Corporation and/or its affiliates, 2018;李波,2005)，然后可開始連接MySQL數據庫的操作。

4 實現與測試分析

在MySQL 5.6.21.1環境中構建數據庫，利用Microsoft Visual Studio 2010開發網頁，將網站部署到Internet信息服務（IIS 7.0），服務器操作系統可以為Windows Server 2003，部署好的系統便可以通過瀏覽器進行訪問。

以鄱陽湖國家級自然保護區大湖池、常湖池和朱市湖區域2015年10月至2016年3月、2016年10月至2017年3月兩個越冬期的水鳥調查數據為樣本，通過系統的“記錄錄入”頁面錄入到系統數據庫中。通過“記錄查詢”頁面可以設置不同的調查時間、地點或調查人進行查詢。通過“鳥情統計”頁面可以設置不同的物種、調查時間、地點或調查人進行統計。通過“鳥情分析”頁面可以設置不同的物種、調查時間、地點進行分析，系統會將符合條件的記錄以表格形式列出，將鳥類數量隨空間的分布情況以熱力圖的形式顯示在地圖中(圖6)，將鳥類數量隨時間變化的情況以折線圖的形式顯示出來(圖7)。

5 結語

本文對水鳥信息管理與應用系統的整體結構、數據庫及網站內容、布局和與數據庫的連接等進行了詳細設計，經編程實現，其中網站頁面的調試主要在搜狗高速瀏覽器(版本號：7.5.5.26904)上完成，并能夠有效運行。在“鳥情分析”頁面中，是基于百度地圖開發的水鳥數量隨空間分布情況的顯示功能，由于坐標系統轉換和熱力圖運算模塊性能不夠優良，還存在熱點位置顯示偏差、樣本量較大時熱力圖刷新慢等問題，有待進一步研究和優化。