青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統的設計與實現△

謝忠強，李秀璋，李玉玲，薛淑綺

1.北京環宇智繪科技有限公司，北京 100018；2.青海大學 畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；3.甘肅省地圖院，甘肅 蘭州 730000

冬蟲夏草為冬蟲夏草菌寄生在蝙蝠蛾科昆蟲幼蟲上的子座及幼蟲尸體的干燥復合體，是青藏高原獨有的物種，具有極高的藥用價值和經濟價值，一般生長在青藏高原東部海拔3000～5000 m 的高寒草甸，其分布還受土壤、植被類型和坡向等因素的影響[1]。我國冬蟲夏草的主要產區包括青海、西藏東部、云南北部、四川西部和甘肅西南部[2]。青海省是冬蟲夏草的主產區，年產量占全國總產量的70%。作為青海省畜牧業最主要的經濟支柱，冬蟲夏草價格不斷攀升，其資源的可持續發展與當地農牧民的脫貧息息相關[3]。

冬蟲夏草的分布具有明顯的地理特性，其生長環境與海拔、溫度、降水、日照和土壤等生態因素密切相關。只有將藥用植物與環境、空間地理數據結合起來，才能更加具體地表達藥用植物的空間分布，提高其直觀性和決策所需的可視性。地理信息系統（GIS）技術作為一種空間信息技術，在中藥資源調查、藥材蘊藏量估算、中藥材適宜性區劃等方面應用廣泛，可以解決中藥資源數據的具體應用問題[2,4-6]。

本研究建立的“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”旨在應用GIS 和空間數據庫技術，以青海省冬蟲夏草分布采樣點、密度及生長環境因子數據庫為依托，對青海省冬蟲夏草進行蘊藏量計算和生態適宜性區劃分析，以期為青海省冬蟲夏草資源的產業規劃和可持續利用提供準確的數據，從而為青海省冬蟲夏草資源保護利用和政府宏觀決策提供信息服務和科學指導。該系統在傳統藥材區劃的基礎上實現了計算機技術和生態方法的有機結合，可以極大地提高對青海省冬蟲夏草的宏觀控制能力，為當地精準扶貧和經濟發展提供技術支撐和決策支持[3]。

1 系統概述

1.1 系統設計目標

該系統以實現冬蟲夏草蘊藏量計算和產地適宜性區劃分析為目標，通過研發“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”實現面向青海省冬蟲夏草的蘊藏量計算和產地適宜性區劃。通過建立青海省冬蟲夏草生長生態因子庫，形成以空間數據為基礎、多種空間分析方法綜合應用的區劃系統。以GIS 為開發平臺、以冬蟲夏草采樣點的空間分布為依據、以生態環境因子為基礎，實現對冬蟲夏草產地適宜性進行多因子的定量化和空間化分析，從而提供冬蟲夏草引種栽培的科學指導。

1.1.1 建立更完備科學的環境因子空間數據庫 區劃分析離不開基礎數據的支撐。通過構建比較完備科學的環境因子空間數據庫，改變單純依靠經驗進行區劃分析的傳統方法。構建結構合理、數據準確的空間數據庫是進行冬蟲夏草生態適宜性區劃的關鍵。通過系統建設將形成統一地理基準、統一空間范圍，以及涵蓋氣候、土壤、地形、植被因子的空間數據庫。

1.1.2 提高區劃分析的科學性和自動化水平 通過“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”形成以冬蟲夏草生長環境因子數據庫為基礎的科學分析方法，大大提高區劃結果分析的可靠性，增強分析的科學性。同時，依靠計算機技術將提高分析的自動化水平。相對于傳統分析方法，本方法將更加有效、準確和快速，從而為青海省冬蟲夏草產業規劃和可持續利用提供可靠的決策分析手段。

1.1.3 創建空間可視化的區劃過程及結果 基于GIS 和地圖可視化技術，該系統將對分析過程中形成的空間數據文件和分析結果以地圖形式進行直觀的空間顯示和輸出。

1.2 系統技術路線

“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”將采用實用、成熟的技術方法進行面向數據管理的二次開發設計，考慮多源、多尺度數據間的邏輯聯系，顧及系統的功能需求、持續發展、維護管理與數據更新等方面的要求，結合當今計算機技術、GIS 技術、軟件工程技術，特別是空間數據庫技術的最新進展，通過基于GIS 組件的功能定制開發，力求使總體設計滿足數據庫管理和地圖綜合工具性能穩定、功能實用的要求，使系統建設達到項目建設的預期目標。鑒于目前國內基礎地理數據庫所采用的技術趨勢，“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”將采用成熟的ArcSDE 結合Oracle 的空間數據管理模式，將空間數據存儲在關系型數據庫中，通過空間數據引擎及應用服務器對空間數據進行有效管理，并通過專用開發包進行數據庫功能開發，實現數據庫系統的集成管理。該系統采用C/S 結構，以單機桌面模式實現數據處理各項功能。系統從數據處理到應用服務的主體數據處理設計流程包括：1）獲取數據源。數據主體是環境因子數據和冬蟲夏草采樣點數據，通過統一投影及空間范圍等預處理后，將數據加入到基礎數據庫中；而收集整理的相關信息（如基礎地理信息數據等）則作為基礎數據加入到空間數據庫中。2）產地適宜性區劃分析。產地適宜性區劃分析主要涉及生態適宜性的計算和結果的分類輸出，通過最大信息熵模型計算冬蟲夏草的適宜度分布，并在此基礎上提取分布點對應的適宜度，按照設計的算法進行分類。3）蘊藏量計算。輸入青海省草地面積、產區冬蟲夏草寄主蝠蛾數量、所占比例及侵染率，計算冬蟲夏草蘊藏量。4）結果的空間表達與輸出。冬蟲夏草產地適宜性區劃分析結果以柵格形式保存到數據庫中并在系統中顯示。

2 系統設計

2.1 系統架構

“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”總體架構采用三層式結構，主要有軟硬件支撐層、數據層、應用服務層[7]。軟硬件支撐層由計算機基礎支撐平臺提供，主要包含計算機基礎平臺系統、本地存儲設備、關系型數據庫、ArcSDE空間數據引擎等，為上層提供數據存儲管理能力，并對上層提供各類數據訪問接口。數據層主要是系統管理的數據資源內容，主要由冬蟲夏草采樣點數據、環境因子數據、基礎地理信息數據、輔助數據等組成。數據層包含了相關數據資源，具體的數據存儲根據數據種類與使用方式的不同可以由關系型數據庫、空間數據庫進行存儲。應用服務層主要包含了相應的蘊藏量計算、適宜性分析、空間分析等功能模塊，為區劃分析系統和其他應用系統提供數據應用服務。

整個系統依據相應的數據管理策略和信息安全體系構建，與存儲設備、存儲管理軟件結合，在存儲設備之上建立冬蟲夏草蘊藏量計算和生態適宜性區劃分析系統，最終通過系統界面向用戶提供服務。系統架構見圖1。

圖1 “青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”系統架構

2.2 數據庫設計

根據冬蟲夏草生態適宜性區劃過程中涉及到的數據體系（采樣點數據、基礎地理信息數據、環境因子數據及其他輔助數據庫），在數據庫體系規劃建設中逐步充實整個數據庫。針對多種不同類型的數據，通過有效統一的管理手段，建立科學高效的數據庫，提高應用水平。數據庫架構見圖2。

圖2 “青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”數據庫架構

對平臺涉及到的數據進行歸類分析，主要把數據分為基礎地理數據、冬蟲夏草生長環境因子數據、冬蟲夏草采樣點數據、區劃分析結果數據。

2.2.1 基礎地理信息數據 基礎地理信息數據主要包括行政區劃、居民地、交通、水系等內容，基礎地理信息數據以點、線、面的矢量形式存放于空間數據庫中?；A地理信息數據用于對分析后的柵格和矢量數據進行疊加分析和制圖，以豐富的圖形方式表達分析結果。

2.2.2 環境因子數據 環境因子數據是進行冬蟲夏草生態適宜性分析和引種栽培布局的關鍵因素，主要包括氣候因子、植被因子、土壤因子、地形因子、土地利用因子等（表1）。

表1 “青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”環境因子數據

2.2.3 冬蟲夏草分布數據及其他相關數據 青海省冬蟲夏草分布數據及其他相關數據，主要包括青海省冬蟲夏草采樣點數據、草場面積數據、侵染率和用戶數據等。

2.3 系統功能設計

“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”主要功能見圖3。

圖3 “青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”系統功能

3 關鍵技術

3.1 最大熵模型

最大熵模型是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。該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，通過確定特征空間，即物種已知分布區域，接著尋找限制物種分布的約束條件（環境變量），構筑約束結合，最后建立兩者之間的相互關系[8-9]。具體來說，最大熵模型把研究區所有單元作為構成最大熵的可能分布空間，將已知物種分布點的單元作為采樣點，根據采樣點單元的環境變量（如氣候變量、海拔、地形、土壤類型、植被類型）得出約束條件，尋找此約束條件下的最大熵的可能分布（即尋找與物種分布點的環境變量特征相同的單元），據此來預測物種在目標區的分布。模型的運行需要2 組數據，一是目標物種的顯示地理分布點，以經緯度的形式表示；二是物種現實分布地區和目標地區的環境變量，主要是氣候數據、地形地貌數據和植被覆蓋數據等。最大信息熵根據物種現實分布點和現實分布地區的環境變量計算得到適宜度數值，再利用此模型模擬目標物種在目標地區的可能分布情況[10-11]。

3.2 GIS空間分析

GIS 為采集、存儲、管理、分析、顯示、應用整個或部分地球表面與空間地理分布相關數據的計算機系統，是一項分析和處理海量地理數據的技術。GIS 不僅可以對地理空間數據進行編碼、存儲和提取，還可以通過空間分析技術對分析結果進行評價。

空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的數據分析技術，從宏觀上可以歸納為以下3 種：1）空間圖形數據的分析運算；2）非空間屬性數據的運算；3）空間和非空間數據的聯合運算。運算手段包括各種幾何邏輯運算、數理統計分析、代數運算等，以解決有關地理空間的實際問題、提取和傳輸地理空間信息尤其是隱含信息[12]。

GIS 的空間分析分為柵格數據空間分析和矢量數據空間分析兩大類。在區劃平臺中柵格數據的空間分析主要是對柵格數據范圍的提取、柵格數據的重分類等，用于結果的分析、尋找中藥材最適宜生長的環境因子及范圍。矢量數據的空間分析主要是空間疊加分析及采樣點空間分布等[13]。

3.3 冬蟲夏草蘊藏量計算

冬蟲夏草蘊藏量受到2 個重要因素的影響，即冬蟲夏草產區分布面積和寄主蝠蛾幼蟲種群數量。青海省冬蟲夏草蘊藏量按公式（1）計算[3]。此外，冬蟲夏草菌的侵染率也是影響冬蟲夏草蘊藏量的關鍵因素之一，在自然條件下尤為重要。

4 系統開發與實現

4.1 軟件界面

軟件界面遵循簡易性、用戶語言和記憶負擔最小化原則設計，系統主界面見圖4。

圖4 “青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”軟件主界面

4.2 冬蟲夏草蘊藏量自動計算

在系統中輸入青海省草地面積、冬蟲夏草產區所占比例、產區冬蟲夏草寄主蝠蛾數量和冬蟲夏草菌的侵染率，系統就會自動計算出冬蟲夏草蘊藏量。

4.3 青海省冬蟲夏草產地適宜性區劃分析

利用“冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”可以實現青海省冬蟲夏草產地適宜性區劃分析。

4.3.1 樣品數據采集 我國冬蟲夏草主要分布于青海、西藏、四川、甘肅等省份。青海省和甘肅省冬蟲夏草樣品數據由青海省畜牧獸醫科學院在青海省和甘肅省冬蟲夏草傳統道地產區進行實地采集，西藏自治區和四川省樣品數據分別由西藏畜牧學院和重慶中藥研究院在野外實地調查獲取。冬蟲夏草采樣點分布見表2。

表2 冬蟲夏草采樣點分布

4.3.2 生態因子篩選及數值確定 選取系統中全部生態因子進行最大信息熵模型運算，得到生態因子的篩選排序，將分析篩選影響因子貢獻率>0.1的因子進行二次建模計算。最后，選取第二次因子篩選建模，計算排序中累積貢獻率>95%的因子，同時考慮地形、土壤、植被等不同類型生態因子的影響，最終得到海拔、5 月降水量、9 月降水量、晝夜溫差月均值、最冷月最低溫、土壤類型、植被類型7項冬蟲夏草藥材區劃分析生態因子。這7項生態因子確定為冬蟲夏草藥材進行區劃分析的主導生態因子。冬蟲夏草藥材生態因子內容及范圍見表3。

表3 冬蟲夏草藥材主導生態因子

4.3.3 產地適宜性區劃分析 根據篩選的生態因子，利用GIS空間分析計算，生成青海省冬蟲夏草概率分布圖。結果顯示，冬蟲夏草主要分布在青海東部的黃南藏族自治州、果洛藏族自治州、海北藏族自治州，以及南部玉樹藏族自治州。使用者可以根據不同需求制定相應的區劃劃分標準。根據青海省冬蟲夏草生境特點及實際分布情況，對上述冬蟲夏草概率分布進行人工定義分級，形成青海省冬蟲夏草產地適宜區劃，生長適宜概率為85%～100%的區域為最適宜區、生長適宜概率為75%～85%的區域為次適宜區、生長適宜概率為60%～75%的區域為低適宜區、生長適宜概率為1%～60%的區域為不適宜區。

4.3.4 計算適宜區面積 對于適宜區域內水域等不適宜冬蟲夏草生長的區域都應在適宜區區劃分析時予以排除。利用地理信息技術方法建立冬蟲夏草最適宜區，利用相交、擦除、合并等矢量數據空間分析方法，結合水域分布數據及青海省主要湖泊、水庫等數據，對冬蟲夏草最適宜區進行優化。最后，在系統中可以導出冬蟲夏草區劃中最適宜區的面積，見表4。

表4 青海省冬蟲夏草最適宜區面積

5 結語

從系統分析結果看，影響青海省冬蟲夏草分布的主要環境因子為海拔、5 月降水量、9 月降水量等，這說明決定冬蟲夏草能否在當地生長主要取決于當地的海拔和降水量。從系統分析的產地適宜性區劃結果看，青海省冬蟲夏草分布最適宜區是玉樹藏族自治州、果洛藏族自治州、海南藏族自治州及海北藏族自治州，此分析結果與現在青海省冬蟲夏草實際分布區基本吻合[3]。因此，建議在上述地區做好區域產業規劃，使作為青海省特色藥材品種的冬蟲夏草實現可持續利用，為青海省經濟發展和大健康產業做出應有的貢獻。

“青海省冬蟲夏草蘊藏量及產地適宜性區劃分析系統”的設計實現不僅可以預測青海省冬蟲夏草蘊藏量，還可以方便高效地分析和預測青海省冬蟲夏草的產地適宜生長區劃，以及對數據進行空間化、可視化管理。該系統將冬蟲夏草的生態信息與分布信息有機結合，實現了青海省冬蟲夏草蘊藏量、分布、適宜區和面積等多類型區劃數據的自動分析。相較于傳統經驗和單個氣候因子分析中藥材產地的方法，該系統為青海省冬蟲夏草的產業規劃和可持續利用提供了更為科學的數據支撐。