全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 45 卷 第 10 期 2014 年 5 月

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3S 技术在中药资源研究和管理中的应用与展望
谷 婧 2, 3, 4，冯成强 2, 3，张文生 1, 2, 3, 4*
1. 北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875
2. 北京师范大学 中药资源保护与利用北京市重点实验室，北京 100875
3. 北京师范大学 教育部天然药物工程研究中心，北京 100875
4. 云南省三七生物技术与制药工程研究中心，云南 昆明 650000
摘 要：遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）统称 3S，是一种现代化信息综合处理技术，近年来在资
源和环境研究领域应用广泛。概述 3S 相关技术的特点，对近 10 年来 3S 技术在中药资源研究和管理领域包括中药资源调查、
动态监测、适宜性评价、中药区划、中药品质与生境因子的相关性研究、道地药材研究以及中药资源的信息化管理方面的应
用情况进行综述，指出 3S 技术在中药资源研究和信息化管理中应用的意义和前景，并对需要关注的一些问题进行讨论。
关键词：3S 技术；遥感；地理信息系统；全球定位系统；中药资源；信息化管理
中图分类号：R282.23 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2014)10 - 1502 - 05
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2014.10.028
Progress and prospect on application of 3S technology in research and management
of Chinese materia medica resources
GU Jing2, 3, 4, FENG Cheng-qiang2, 3, ZHANG Wen-sheng1, 2, 3, 4
1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2. Institute of Natural Medicine and Chinese Medicine Resource, College of Resource Science & Technology, Beijing Normal
University, Beijing 100875, China
3. Center for Natural Medicine Engineering, Ministry of Education of China, Beijing 100875, China
4. Yunnan Sanqi Biotechnology and Pharmaceutical Engineering Center, Kunming 650000, China
Key words: 3S technology; remote sensing; geography information systems; global positioning systems; Chinese materia medica
resources; information management

3S 是遥感（remote sensing，RS）、地理信息系统
（geography information systems，GIS）和全球定位系
统（global positioning systems，GPS）的统称。其结
合了空间、传感器、卫星定位与导航、计算机和通讯
等技术，是近十几年来迅速发展，具有空间信息获取、
存储、分析、处理、输出和应用功能的综合空间信息
技术，目前已广泛应用于农业、林业、气象、海洋、
国土等资源与环境相关研究和管理领域。
中药资源是发展中医药事业的物质基础和前
提，同时也是自然资源的重要组成部分。其研究对
象为一定地区或范围内分布的药用植物、动物和矿
物及其蕴藏量的总和[1]。中药资源具有显著的地域
性，空间特征和地理环境对中药资源的品质形成起
着决定作用[2-3]。由于 3S 技术具有研究空间和地理
环境特征的显著技术优势，近些年该技术逐渐应用
于中药资源研究和管理的领域[4]。本文通过查阅文
献，对近 10 年来 3S 技术在中药资源研究和管理相
关领域中的应用进行探讨，为中药资源相关研究及
现代化和信息化管理提供参考。
1 3S 技术的主要特点
1.1 技术先进性
3S 技术是近些年来发展起来的新型空间信息
分析技术，其中 RS 是 20 世纪 60 年代在现代物理
学、电子计算机、空间和地球科学理论以及航空摄

收稿日期：2013-11-30
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAI29B08）；北京市共建项目（403105）
作者简介：谷 婧（1982—），女，博士，讲师，研究方向为中药资源保护与合理利用。Tel/Fax: (010)62205282 E-mail: Gujingr@163.com
*通信作者 张文生，教授，博士生导师。Tel: (010)62200669 E-mail: zws@bnu.edu.cn
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 45 卷 第 10 期 2014 年 5 月

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影技术基础上发展起来的新兴技术，其先进性主要
体现在获取信息的方式由摄像机发展到扫描方式的
传感器，使得对地球环境和资源的监测和研究进入
新的阶段。另外，其应用结合了多种当代先进和尖
端技术。GPS 是 1994 年首先在美国建成并投入使
用的中距离圆形轨道卫星导航系统。其由 24 颗卫星
组成，分布在高 2 万公里的 6 个轨道上绕地球飞行，
使全球定位和导航成为可能，这对于导航定位、地
面勘测及民用等方面都是技术上的巨大进步。GIS
也是 20 世纪 60 年代兴起并发展起来的新型信息处
理技术，通过对空间信息和地理参照数据进行分析
和处理，可以把地图的地理分析功能和视觉化效果
与一般的数据库功能如查询、统计和分析等集合在
一起。目前 3S 技术已经进入成熟应用阶段，并在
自然资源普查和动态监测、土地规划和利用以及环
境监测与保护等领域显现出较大优势和潜力。
1.2 数据信息实时性和客观性
RS 可以在远离被测物体或现象的位置上，通过
使用一定的仪器设备（传感器），接收和记录物体或
现象发射或反射的电磁波信息，经过对信息的传输、
加工处理及分析与解译，对物体及现象的性质及其
变化进行探测和识别[5]。RS 能够客观真实地反映被
测物体及现象的特点，并且可以监测其动态变化，
如 RS 可以对土地利用类型进行调查并且可以动态
监测土壤的干旱、盐碱和沙漠化情况。GPS 系统主
要由空间卫星、地面监控和用户设备 3 个部分组成，
在地球上任何位置和任何时刻都可以同时接收来自
4 颗卫星的信号，其系统结构具有实时和高精度定
位的特征[6]。GIS 在计算机硬件和软件的支持下，
通过对地理数据进行处理使得地理信息的综合管
理、充分利用、定量分析、快速制图和动态更新成
为可能；通过及时获得 RS 信息，还可以实现对自
然资源和地质灾害的实时监测。通过 3S 技术获取
物体及其周围环境的数据可以减少人为因素的主观
影响，并可以实现数据和信息的实时更新和管理。
1.3 探测范围广泛
根据 RS 传感器搭载平台可分为地面、航空和
航天遥感。根据传感器所接收的电磁波谱，可分为
紫外、可见光、红外、微波和多光谱遥感。RS 技术
作为一种对地观测综合技术，具有探测范围广和数
据综合性强的特征。GPS 系统是全球共享的空间信
息资源，具有海陆空全方位实时 3 维导航与定位能
力。GIS 可以在计算机硬件和软件的支持下，对整
个或部分地球表层（包括大气层）空间中地理分布
数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示、
描述以及辅助决策[7]。运用 3S 技术对作物进行探测
时，既可以对作物的长势、分布面积和产量进行估
算，也可以定量获取作物的环境因素包括地形、土
壤类型和肥力等数据。
1.4 集成化趋势明显
因其各自的功能和优势，3S 技术具体使用时往
往表现为 RS/GIS、GPS/GIS、GPS/RS、RS/GIS/GPS
相互之间的集成。随着科学技术的发展，3S 技术结
合日趋紧密，3S 集成相关技术成为了研究的热点。
3S 集成系统在实际运用中，GPS 和 RS 是地理位置、
空间关系和属性特征数据的来源，侧重信息的获取，
GIS 是数据集成、处理和存取的系统平台，侧重信
息处理和应用[8]。
2 3S 技术在中药资源研究与管理中的应用
2.1 3S 技术在中药资源调查中的应用
传统的中药资源调查通过野外实地调查（外业
调查）与药材资源资料和数据的系统整理（内业整
理）相结合，采用踏查、抽样调查、访问调查和统
计报表等方法，得到中药资源调查的结果[9]。这些
方法在对中药资源总体情况，如面积和蕴藏量等进
行判断和估算时，存在费时、费力，并且调查结果
易受人为因素影响等问题。RS 应用于中药资源调
查，能够大范围、高效率、定量表达中药资源储量
和生境现状及变化情况，可以弥补传统调查方法的
不足。
根据药材整体地域性和局部散生性，结合不同药
用植物的光谱反射特征和药材伴生特征，利用 RS 技
术已经开展了许多区域性中药资源调查。例如野生广
布中药资源甘草的分布面积和蕴藏量的调查[10]，人工
栽培中药人参和三七面积和产量的调查[11-12]；野生稀
有中药，往往具有分布零散或作为林下非建群种存在
的特点，利用 RS 技术对其进行调查时需要建立调查
对象与环境因子的关系模型，获得稀有种植被覆盖状
况数据，通过野外实地调查建立药用植物蕴藏量与
RS 数据之间的关系，从而得到野生稀有种的蕴藏量
和分布情况[13]。
GPS 和 GIS 应用于中药资源调查时，GIS 是综
合处理和管理信息和时空数据的有效工具，而应用
GPS 辅助空间定位，可补充传统人工野外普查工作
的方式，避免调查结果的主观性。1998 年提出的数
字地球概念涉及多种学科和技术，其中 3S 是构建
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数字地球的核心支撑技术。利用 GIS 技术建立网格
数字镶嵌，将自然因子及空间地理信息数字镶嵌入
网格中，每个网格具有查询自然条件、地理位置及
空间叠加分析等功能。GIS 技术可以根据不同生境
条件将目标区分层，对不同生境类型随机抽样，通
过 GPS 辅助野外调查取样计算出该生境类型中单
位面积储量，建立不同生境类型储量计算模型，从
而计算出调查区域内的资源储量。
2.2 3S 技术在中药资源动态监测中的应用
传统中药资源调查的结果限于文字描述和地图
展示等静态表现方式，而野生中药资源的种类、分
布、蕴藏量以及栽培中药的长势和产量等处于动态
变化中，传统的资源调查方法不能反映一段时间内
中药材资源各方面的动态变化。3S 技术具有的动态
分析功能使其在植物资源动态监测方面显示出极大
的优势。
3S 技术用于植物群落中占绝对优势的乔木、灌
木类中药资源动态监测比较成熟，如孙宇章等[14]
结合 RS 和 GIS 技术，通过选取 3 个时期的 landsat5
TM 遥感图，利用 4 维空间分析植物的方法提取银
杏的植被信息，在野外实地调查数据的支持下，利
用差值植被指数（DNI）为判别函数，对江苏邳州
市的银杏资源量和分布变化规律进行动态监测研
究。对于稀有或林下中药资源的动态监测，则需要
结合实地调查，通过对大面积的伴生植物进行分
析明确该植物的地理分布，建立生物量与环境因
子间的关系模型，并建立该植物动态遥感监测数
据库[15]。对这类中药资源，低空遥感技术在低分
辨率遥感影像的基础上选择某些代表性区域进行
高分辨率影像补充获取，可以提高药用植物遥感调
查对分辨率的要求，适用于对中药资源长势的监
测。此外，RS 技术利用中药资源反射光谱的变化，
可以实现中药资源病虫害和土壤养分等情况的动
态监测[13,16]。GPS 用于野外药材地理位置和分布面
积的确定，可以为药材资源变化的动态监测和资源
档案及时更新打下基础。
2.3 3S 技术在中药区划中的应用
中药区划的基本目的是按照中药资源的自然规
律和中药生产的客观经济规律，因地制宜地指导中
药资源开发和中药生产[17]。20 世纪 80 年代初的全
国中药资源普查，对全国中药资源进行了初步的区
划研究。由于所掌握的中药材具体生境特点和生态
条件等方面的资料有限，传统的中药区划停留在大
尺度的定性描述和药材资源分布与生产区域示意
图，科学性和实用性有所欠缺。随着中药区划研究
的深入，传统中药区划逐渐从定性描述转向定量的
数值区划以及定性和定量相结合的区划。
2.3.1 GIS和GPS技术在药材产地适宜性评价和区
划中的应用 通过 GIS 集成中药资源的属性信息和
地理空间信息，借助其空间分析功能，能够以药材
产地的生态适宜性分析为基础，准确真实和可视化
形式展现区划结果[18]。依托 GIS 平台，以基础地理
信息数据为基础，选取气温、相对湿度、降水量、
日照时数等气候和生态因子并结合土壤数据库，采
用统计学方法进行药材产地的生态适宜性分析，并
对药材适宜性产区进行分级[19-20]。郑小华等[21]运用
GIS 技术及模糊综合评判理论和方法对陕南秦巴山
区进行中药气候资源评价及区划，分析选择影响中
药品质的气候因子，确定中药气候资源评价指标模
型，并利用 GIS 空间叠置和分析功能按适宜度分级，
得到陕南中药种植气候生态区划图。严辉等[22]以明
党参主产区 43 个样点为分析基点，选取海拔、降水、
土壤类型、相对湿度、日照时数、年平均气温等影
响明党参生长发育的关键生态因子，通过对主产地
野外 GPS 采点调查确定明党参的各生态因子的属
性数值范围，利用中药材产地适宜性分析地理信息
系统（TCMGIS），验证了明党参文献记载的分布区
并发现了新的适宜区。陈士林 [23]通过开发的
TCMGIS 系统对 210 种大宗常用中药材的产地适宜
性进行了分析和区划，为中药材的规范化生产提供
参考。刘珍等[24]利用 GIS 的空间集成技术与地学图
谱信息叠加 2 种研究方法，根据彝族药材的生境条
件，选择海拔高度、坡度、坡向、植被类型作为生
境恢复的评价指标，利用 GIS 技术提取每种生境因
子图谱并进行空间叠加，得到药材的理论生境适宜
区，结合土地利用现状和 GIS 的分析功能得到直观
的种植布局图，为当地彝药种植布局提供依据。
2.3.2 RS 技术在中药区划中的应用 RS 数据在
中药区划中的应用能明显提高区划的效率和精确
度，达到村级和种植地块级，可以突破其他区划方
法中资料以点代面的不足[25]。张小波等[26]对广西
青蒿生产适宜性的区域差异分析中，用统计分析方
法对青蒿素量、青蒿的生物量与生态因子之间的关
系构建了逐步回归模型，并应用 RS 数据提取了广
西地区的土地利用状况信息，增强了区划结果的准
确性。
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2.4 3S 技术在中药资源品质与生境相关性研究中
的应用
生态因子和环境因素及其综合作用在药材品质
形成中起着及其重要的作用，影响药材的生长、发
育及器官的外部形态和内部构造，并导致药材的药
用活性成分发生变化，使中药材在质量和药效上产
生差异。3S 技术可以用于揭示药材品质和空间地理
特征包括各种生态环境因素的相关性，发现影响药
材品质的主导生态因子。张小波等[27]应用 GPS 和
GIS技术对贵州14个县野生头花蓼中没食子酸的量
与地形因子之间的关系进行分析，得到头花蓼的地
形适宜性等级分布图，研究没食子酸量受地形影响
的空间变化规律，结果表明海拔、坡向、坡度对头
花蓼中没食子酸的量影响较大。谢彩香等[28]应用
TCMGIS-iv 系统，在以 1 月、7 月平均气温、年均
降水量、海拔和土壤因子为依据，对新疆南部野生
管花肉苁蓉进行产地适宜性数值分析的基础上，经
过调研和分析，发现冬季低温可能是影响管花肉苁
蓉分布的关键环境气象因子，通过增加相关生态因
子进行适宜性再分析，表明新疆南部冬季最冷和夏
季最热季节具有的气候条件是管花肉苁蓉的生长和
繁衍的保证。
2.5 3S 技术在道地药材研究中的应用
道地药材是具有特定种质﹑特定产区﹑特有生
产技术或加工方法而生产的质量、疗效优良的传统
中药材。3S 技术除可以应用于道地药材资源的调查
和动态监测外，还有助于分析和确定道地产区的生
境因子对有效成分的种类和量的影响，获得适宜药
材生长的条件，规划道地药材的适宜产区，并有利
于揭示中药道地性的成因和环境机制。赵润怀等[29]
利用 TCMGIS-I 技术探讨了道地药材附子产地的生
态适宜性，发现除四川道地产区外，全国接近 30
万公顷的区域范围的气候土壤条件适合附子的生
长，满足建设附子道地药材基地的生境条件，同时
根据分析提出附子的分布区域基本上标示黄壤，提
示土壤因素可能影响附子的适宜性。Guo 等[30]利用
GIS 比较苍术道地产区茅山地区气象因子与苍术整
个分布区气象因子的异同，提取苍术道地药材原产
地气候生境特征，发现茅山地区气候具有高温、旱
季短、雨量充足的特点，指出苍术道地药材形成具
有逆境效应。通过将统计学多元分析方法及 GIS 的
空间分析和制图功能结合，得到气候因子与苍术挥
发油中 6 个主要组分的相关模型及苍术挥发油的气
候适应性区划图，发现 10 月份的气象条件对苍术挥
发油组分的影响最大，温度及其与降雨的交互作用
是影响苍术挥发油组分的气候主导因子，并且苍术
生长发育的不适宜区恰恰是其挥发油组分积累的适
宜区，验证了道地药材形成的逆境效应理论。
针对道地药材的空间信息数据库建设，Guo
等[30]具体探讨了基于 3S 技术的“中药道地药材空
间分析数据库”的构建及应用，数据库的构建以 3S
空间分析技术为核心和底层结构，并构建中药道地
药材专业模型和拓展模块，以实现道地药材生境、
产量、质量等信息的咨询。基于 3S 技术的道地药
材数字药匣理论，针对数字化的道地药材特征信息
构建数据库，并对构建模型进行道地药材的适宜性
评价与区划，为制定科学的道地药材种质规划和发
展对策提供依据[31]。
2.6 3S 技术在中药资源管理信息化中的应用
中药资源的信息化管理是实现中药现代化和中
药资源可持续利用的重要基础。孙成忠等[32]认为中
药资源信息化建设需要一个综合性的标准系统，
GIS 是中药资源信息化建设的关键技术支撑和重要
组成部分。王广平等[33]从信息分析、处理、信息决
策等层面，宏观和微观角度论述了 3S 技术对中药
资源信息化管理的推动作用。王小燕等[34]指出 GIS
技术在中药资源管理中的应用既可以对中药资源的
现状作详细描述，还可以对中药资源的贮量、分布
等情况作分析预测，并描述了中药信息系统的架构
设想。
中药资源的形成和特点与空间位置息息相关，
GIS 技术从中药资源地理学的角度研究中药资源合
理利用和保护，可以更有效地提取和分析处理中药
资源信息。RS 技术是中药资源信息化和中药材技术
体系中获取有效数据的重要来源，可以提供大量的
中药资源时空信息，为中药材生产和管理服务。GPS
技术可以实时对中药材生长环境和面积等进行描
述，对各种要素进行跟踪。基于 3S 技术的中药资
源信息化服务平台和模式的建立和推广将更好促进
医药信息服务在传统中药产业中的深入发展。
3 展望
我国中药资源分布广泛、数量庞大，针对中药
资源的普查和管理是一项艰苦而复杂的工作，长期
以来，由于缺乏对中药资源的统一有序管理，导致
了资源的过渡开发和无序利用，道地药材不再地道，
有些药材更是濒临绝种。因此，建立中药资源动态
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 45 卷 第 10 期 2014 年 5 月

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监控和保护体系是中药资源可持续发展和利用的有
力保障。
将 3S 技术应用于中药资源研究，可以提供科
学化和具有时效性的基础数据，建立起中药资源和
环境数据库，并建立反馈和综合协调机制，提高对
资源与环境的宏观调控能力，应用于中药资源管理
可以为主管部门提供决策依据，应用于企业可以为
生产提供原材料信息，并且对于保护濒危中药资源，
促进中药资源可持续利用具有重要的现实意义。3S
技术在中药资源研究和管理中的应用将推进中药资
源研究和管理的科学化、信息化和现代化。针对应
用中出现的问题，如林下稀有资源的调查，可以建
立目标类群与伴生物种的关系模型，并结合传统的
调查方法进行目标种群的估算和判断；针对目前 3S
技术局限于植物药的调查和监测，可以探索建立基
于 3S 技术的药用动物生境和种群的动态监测系统；
随着 3S 相关技术的不断发展和进步，加强相关技
术的更新与中药资源的实际应用相结合也是必须的
工作。应用 3S 技术针对众多种类和不同生境中的
中药资源进行研究和管理，并形成覆盖全国可更新
的中药资源动态监测体系和管理数据库，以及可共
享的网络等必将是艰巨的工作，需要在实践中不断
探索和推进。
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