全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 6 期 2011 年 6 月 ·1046·
浅谈“数字药匣”的理论构建与应用
王静爱 2, 3，刘金欣 1, 4，高 路 2, 3，孟繁蕴 1, 4*，张文生 1, 4，陈 静 2, 3
1. 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
2. 北京师范大学 区域地理研究实验室，北京 100875
3. 北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875
4. 北京师范大学 资源学院资源药物与中药资源研究所，北京 100875
摘 要：运用数字地球技术结合中药理论体系构建“数字药匣”理论。以北京地区中药资源数字化研究为案例，利用“3S”
技术与网格数字镶嵌，评价北京地区主要中药资源的生境和生产适宜性，得到了其系列生境和生产适宜性图谱。研究结果表
明，“数字药匣”能定位和定量表达中药资源的生境因子等海量空间信息，可对道地药材生产适宜区评价和生产规划进行科
学指导和动态管理，从而实现中药资源的可持续发展。
关键词：数字药匣；中药资源；“3S”技术；网格；适应性评价
中图分类号：R282.23 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2011)06 - 1046 - 07
Construction and application of “Digital Medicine-Box” theory
WANG Jing-ai2, 3, LIU Jin-xin1, 4, GAO Lu2, 3, MENG Fan-yun1, 4, ZHANG Wen-sheng1, 4, CHEN Jing2, 3
1. Beijing Key Laboratory of Protection and Utilization of Chinese Materia Medica Resource, Beijing Normal University, Beijing
100875, China
2. Key Laboratory of Regional Geography Research, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
3. College of Geography and Remote Sensing Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
4. Institute of Natural Medicine and Chinese Medicine Resource, College of Resource Science & Technology, Beijing Normal
University, Beijing 100875, China
Abstract: Combining the digital earth technology and basic theory of traditional Chinese medicine, this paper constructs the “Digital
Medicine-Box” (DMB) theory. Taking the digital Chinese Medicine Resource in Beijing region as a case, the suitability of Chinese
Medicinal Materials’ habitat and production is assessed, which is supported by “3S” and grid digital technique. Then a series of
available assessment thematic maps have been drawn. These results show that DMB can display quantitative and locational massive
spatial information of natural resources of Chinese medicinal materials’ habitat conditions. The application of DMB is able to provide
the scientific guidance on the cultivation layout of genuine medicinal materials and dynamic management of resources, so as to
promote the sustainable development of Chinese medicinal materials.
Key words: Digital Medicine-Box (DMB); resource of Chinese materia medica; “3S” technique; grid; assessment of suitability

随着以遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和
地理信息系统（GIS）三者集成为代表的“3S”空
间数字地球技术的发展，中药资源研究迎来了新的
发展机遇。数字地球技术与地学、生态学、农学等
相结合，可以实现在中药材生产全过程中从宏观到
微观的实时监测，对中药资源及道地药材的区划和
空间上的适宜性分析研究起到巨大的帮助[1-7]。通过
融合现代数字地球技术和中药理论体系，从而构建
“数字药匣”理论，并结合“3S”技术与网格数字
镶嵌，以北京地区中药资源数字化研究为案例，探
讨该地区多种中药材的生境和生产适宜性，以期为
实现中药资源空间数据存储、管理、分析、显示和
提取道地药材原产地生境特征，以及建立道地药材
原产地生境标识提供依据。

收稿日期：2010-12-06
基金项目：国家自然科学基金资助项目（81072999）
作者简介：王静爱（1955—），女，河北定州人，教授，主要从事自然资源与区域地理研究。E-mail: sqq@bnu.edu.cn
*通讯作者 孟繁蕴 Tel: (010)58805423 E-mail: mfy@bnu.edu.cn
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 6 期 2011 年 6 月 ·1047·
1 “数字药匣”理论构建与应用
1.1 “数字药匣”的概念及来源
药匣来源于传统的中药铺，一个个放着中药饮
片的小抽屉整齐地立在药铺一侧，形成一个有规则
的格局。“数字药匣”就是将传统的中药药匣平铺到
道地产区和祖国大地上，在祖国版图上划分成若干
个小区（网格），通过数字地球技术，将道地药材和
中药资源的各生境因子通过数字镶嵌安放到对应的
小区（网格）中，从而形成了“数字药匣”。每个
“数字药匣”中包含药材名称、海拔、经纬度、气温、
降水、坡向、土壤类型等各种信息，因此“数字药
匣”具有查询中药资源自然分布、生态环境、气候
特征、空间叠加分析等功能，方便中药资源的管理，
同时实现了道地药材生境因子的可视化，从而实现
了传统药匣向“数字药匣”的转变。
1.2 “数字药匣”的提取
“数字药匣”是镶嵌在数字地图上的一个个
数字网格，网格尺度的不同决定了它所承载信息的
多少。采用不同的网格尺度划分区域，所得到的精
度也不一样。因此，选取适当的空间单元即“数字
药匣”的大小是实现道地药材生境适宜性评价和
区划的关键。为了较准确地进行定量区划，“数字
药匣”大小的选取要考虑到如下几个因素：一是地
形，不同沟谷间的差异可能很大，网格范围太大就
削弱了这种差异性，影响评价精度；二是底层数据
的精度，小比例的土壤、植被和高程信息不能支撑
大比例尺度的区域，不能够体现区域间的自然因子
差异；三是研究区的面积和网格数量，研究区面积
大，网格尺度小则网格的数量就会多，导致计算量
大，增加了工作量且超出普通硬件设备的承受力，
不利于推广。以北京市为例，制作“北京中药资源
数字药匣”，选择的网格单元大小为 500 m×500
m，共计 65 721 个网格，每个网格有对应的 ID 编
号（图 1）。


图 1 北京中药材资源数字药匣网格
Fig. 1 DMB grid of Chinese medicinal materials resource in Beijing region

1.3 “数字药匣”的数字镶嵌
“数字药匣”自然属性与网格的匹配是实现自
然因子网格化的关键环节和核心步骤，简而言之是将
不规则单元的自然因子属性匹配到规则的500 m网格
中。其主要步骤为：准备自然因子数字化地图和网格
图层；将自然因子数字化地图与网格图层进行叠加，
生成新的图层，新图层中含有了两个叠加图层的所有
属性信息。对于新图层而言，存在两种状况：一是网
格的属性由数字化地图的属性决定，如图 2-B 所示，
9 个完整的网格中，只有带“*”号网格单元数值是由
1 个数字化专题图的属性决定；二是 1 个网格被多个
边界分割，形成多个破碎单元（图 2-A）。
从图 2-A 可以看出，数字化图层 X 和网格图层
Y 进行叠加操作后每个网格被分成了 3 部分，生成
了 12 个不同的小区域，自然数据不能用某一个区域
的总和简单表示单位面积上的属性。因此，分别计
算被分割后的小区域的面积，找出面积最大的属性
值，然后赋予所在的网格，即采用最大面积的属性
值。以此完成年均温、年降水、土壤、植被和土地
利用等各个自然和人文因子的网格化图层，构建北
京中药资源的数字平台。
1.4 “数字药匣”的应用
数字地球技术，尤其以“3S”为代表的地理信
息技术的进步和推广，中药资源的普查、评价和区
划有了更有利的手段和技术支撑。以此为基础，构
建和运用“数字药匣”使得中药资源的研究犹如安
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图 2 图层叠加后的示例
Fig. 2 Examples of layer after superimposing

装了“望远镜”和“显微镜”。不仅能在宏观尺度
上研究中药资源的分布，也能缩小尺度、提高分辨
率研究某单一品种或者某一道地产区的中药材生产
和分布情况。虽然道地药材的有效成分与环境生态
因子之间的对应关系尚在讨论之中，但道地药材的
特殊性决定了其生长环境和生态因子的重要性。目
前，保护道地药材的最有效方法是确定其适宜生长
区，在保证其有效成分的前提下扩大再生产。而利
用“数字药匣”构建数字化平台能够快速准确地实
现这一目标，并对道地药材生境适宜性进行评价和
生产区划。通过“数字药匣”的数字化平台可以得
到每一种中药资源的系列生境因子图谱，包括高程
图（Hn）、坡度图（Gn）、坡向图（An）、降水图（Rn）、
气温图（Tn）、土壤图（Sn）、植被图（Pn）；对每
种中药资源的生境图谱进行空间叠加，得到生境适
宜区图（R′n）（图 3）。每个“数字药匣”中包含了
多个自然因子，由于不同品种的中药对各自然因子
的适宜性不同，为了综合各个生境因子对中药的影
响，需要在网格中分别提取各个生境因子对该中药
的适宜性图谱，最后将各个生境因子图谱叠加，其
公共部分即为生境适宜区[5]（图 4）。
进行道地药材的生产适宜性评价还需引入人为
因子。土地利用（Ln）是人类活动对自然条件的直接
反馈。往往生境适宜性较好的地区由于受到城市化的
影响而不具备扩大生产的可能和潜力；而有些生境适
宜性较差的地区受人类活动的扰动较小而保留了较
好的自然条件，可以作为潜力区域进行道地药材的引
种和扩大生产。因此，在生境适宜区图谱的基础上，
充分考虑土地利用条件对道地药材的约束力，构建分
区判断矩阵模型来综合提取生产适宜性的区域（图 5）。
此矩阵具有简单、方便的特点，不仅可在同一系统中
的单因素之间进行综合，还可对不同系统进行综合。
由于不同指标可根据各自的特性确定出等级范围，避
免了两种系统之间确定权重的问题；也避免了在定量
分析时因指标与数据之间或指标与指标之间数值相
差过大可能引发的数据损失。
2 数字北京中药资源
北京地区中药材种植历史悠久，历史上曾是我

图 3 道地药材适宜区评价和区划技术路线
Fig. 3 Evaluation of suitable regions and technical route of regionalization of genuine Chinese medicinal materials
文献数据
H图
G图
A图
R图
T图
S图
P图
数字自然条件图
海拔
坡度
坡向
降水
气温
土壤
植被
Hn
Gn
An
Rn
Tn
Sn
Pn
R′n
R′1
信息数字化 图谱信息叠加 空间信息提取
道地药材生境图 数字适宜区图
Rn与Ln整合
生产规划图
Ln
L1
*
X1
X2
X3
Y2 Y1
U11
Y4 Y3
U21
U31
U12
U22
U32
U13
U23
U33
U14
U24
U34
自然因子数字化图层 X 层 网格图层 Y 叠加图层 U
A B
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图 4 生境适宜区图谱提取与叠加示意图
Fig. 4 Diagram of extracting and superimposing of suitable habitat region

生境
生产
不适宜 次适宜 适 宜 最适宜
不适宜
次适宜
适 宜
最适宜

不适宜 次适宜 适 宜 最适宜
图 5 分区判断矩阵示意图
Fig. 5 Schematic diagram of zoning judgment matrix

国原料药材的重要流通市场，素有“国药”、“京药”
等美誉。京郊气候生态条件优越，华北地区种植的
中药材在京郊均有分布，而且京郊农业科技力量雄
厚，为京郊中药材的发展奠定了良好基础。为此本
课题组选取北柴胡（a）、黄芩（b）、知母（c）、半
夏（d）、北苍术（e）、北沙参（f）、丹参（g）、防
风（h）、甘草（i）、桔梗（j）这 10 种中药资源，
探讨了其生境和生产适宜性。
2.1 北京中药资源生境与生产适宜性评价的指标
体系
根据北京 10 种中药资源的生境因子，选取了海
拔、坡度、坡向、年均温、年降水、土壤、植被类
型等 7 个自然因子和土地利用因子，将自然因子按
最适宜（20 分）、适宜（15 分）、次适宜（10 分）
和不适宜（5 分）分成 4 级，从而建立生境适宜性
的指标体系，见图 6。
由于北京 10 种中药资源的生境适宜性差异，各
个自然因子对药材的生长约束力大小不一，所以需
要确定各个生境因子的权重，对生境因子的重要性
进行评判排序，然后利用层次分析法（AHP）构建
判断矩阵，计算 7 个生境因子的权重，并构建评价
模型：
∑
=
α=
n
i
ii PS
1

其中 S 是生境适宜性综合评价指数，αi 是第 i 个自然因子的
权重，Pi 是第 i 个自然因子的无量纲得分，n 是评价指标的
个数
将各生境因子不同分级的分值和对应因子的权
重带入评价模型可以计算出每个数字网格的生境适
宜性综合评价指标得分。
2.2 生境与生产适宜性评价结果
通过评价模型在 GIS 中进行网格叠加运算，按
照数量分级原则得到北京 10 种中药资源的系列生
境与生产适宜性的评价图（图 7、8）。将北京 10 种
土壤提取
地形提取
系列图谱叠加
气象提取
植被提取
自然条件图 系列生境图谱 生境适宜区图
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 6 期 2011 年 6 月 ·1050·
中药资源生境和生产适宜区进行叠加即可得到综合
生境和生产适宜性评价图谱（图 9）。
2.3 评价结果分析
根据综合评价结果、生境和生产适宜区的面积
统计（表1）以及生境与生产适宜区的面积对比（图10）
得出以下结论。
2.3.1 最适宜 生产最适宜区的面积略小于生境最
适宜区，主要分布在怀柔中部和东部、延庆西北部、
房山和门头沟的东北部，另外在怀柔和密云的交界
处也有分布。对北京这 10 种中药资源而言，结果叠
加综合，发现植被类型的影响更为明显，尤其是林
地、灌丛和草地是主要的最适宜区分布地带。但是
最适宜区没有形成大面积的成片分布，而是和适宜
区组成镶嵌结构。
2.3.2 适宜 生产适宜区和生境适宜区的差别较
小，主要分布在延庆、怀柔和密云 3 个县市的交界


图 6 指标体系
Fig. 6 System of indexes


图 7 北京道地药材生境适宜区图谱
Fig. 7 Diagram of suitable habitat regions of genuine Chinese medicinal materials in Beijing
生境/生产适宜性
海拔 坡度 坡向 气温 降水 土壤 植被 土地利用
最适宜 适宜 次适宜 不适宜
a b c d
e f g h
i j
图例
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 6 期 2011 年 6 月 ·1051·


图 8 北京道地药材生产适宜区图谱
Fig. 8 Diagram of suitable production regions of genuine Chinese medicinal materials in Beijing

图 9 10 种道地药材综合生境适宜性（A）和生产适宜性（B）评价
Fig. 9 Evaluation of habitat (A) and production (B) suitability for ten types of genuine Chinese medicinal materials

处的高、中山地区，门头沟和房山的中西部也有大
面积分布。最适宜区和适宜区交织分布，平谷的北
部、东部也有少量分布。对生境适宜性而言，最适
宜区和适宜区占到了北京国土面积的 33.65%，生产
最适宜区和适宜区的面积占到了 37.39%，这些地区
是保护北京中药资源的重要和关键地区，也是北京
10 种中药材的主产区。
2.3.3 次适宜 生产次适宜区比生境适宜区略多，
分布上也有较大变化，延庆西北山区、昌平北部山地
面积有所减少，但是在怀柔西北有所增加，这些地区
的特征主要是山地和平原的过渡地带。生产次适宜区
的面积相对增多，说明了 10 种药材具有较大的发展
a b c d
e f g h
i j
A B
图例
图例 图例
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表 1 10 种道地药材综合生境和生产适宜区面积统计
Table 1 Area statistic of suitable babitat and production areas for ten types of genuine Chinese medicinal materials
最适宜 适 宜 次适宜 不适宜
适宜区
面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/%
生境适宜区 193 000 11.75 421 350 25.64 139 750 8.51 888 925 54.10
生产适宜区 147 700 8.99 405 225 24.66 162 700 9.90 927 400 56.44


图 10 10 种道地药材综合生产与生境适宜区的面积对比
Fig. 10 Comparison of suitable habitat and production areas
for ten types of genuine Chinese medicinal materials
潜力，尤其是在优化土地利用结构的基础上开展中
药材的栽培工作有助于中药资源的保护和产出。
2.3.4 不适宜 生境不适宜区和生产不适宜区均占
到超过北京一半的国土面积，主要分布在平原地区，
主城区、昌平、顺义、平谷西南、大兴、通州和延
庆等地区。受到制约的直接因素就是土地利用，如
城市化和现代农业的影响。平原地区人类活动更为
集中和剧烈，不适宜发展中药材的种植业，但是可
以作为中药材产业化发展的重要地区，依托先进技
术和发达的交通，从运输和加工方面解决中药材扩
大再生产的产业难题。
3 结论与讨论
面对“数字地球”时代，中药资源数字化研究
和管理将成为必然趋势。本文结合现代数字地球技
术和传统中药学理论构建了“数字药匣”，并以北
京 10 种中药资源为例，探讨了该地区 10 种中药材
的生境和生产适宜性。
（1）“数字药匣”能够定位、定量地反映中药
资源的生境条件等海量空间信息，具有实现中药资
源空间数据的存储、管理、分析、显示，以及提取
中药资源原产地生境特征、建立中药材原产地生境
标识的功能。
（2）构建由自然因子（海拔、坡度、坡向、气
温、降雨、植被和土壤）和人文因子（土地利用）组
合的北京中药资源数字化平台，建立综合评价模型。
采用“3S”技术与网格数字镶嵌技术对北京地区的
中药资源进行综合生境和生产适宜性评价，从而得
到了系列的生境和生产适宜性评价图谱，为北京地
区中药材种植和产业规划提供科学依据。
（3）北京作为重要的中药材产区，具有巨大发展
潜力，综合生境适宜区的面积占 37.39%，生产适宜区
的面积占 33.65%，通过调整土地利用结构，可以提高
生产适宜区的面积，减少次适宜区和不适宜区面积，
从而扩大北京地区中药材种植和产业化发展。
通过现代数字地球技术和中药理论体系融合从
而构建“数字药匣”理论，并结合 GIS 与地学图谱
技术，以北京地区中药资源数字化研究为例，探讨
该地区多种中药材的生境和生产适宜性，以期为实
现中药资源空间数据存储、管理、分析、显示和提
取道地药材原产地生境特征，应用“3S”技术与网
格数字镶嵌技术结合，对道地药材生产适宜区评价
和种植规划具有重要的指导作用；在中药资源调查、
实时动态监控、产量估测、病虫害监测方面应用前
景广阔。全国“数字药匣”的建立对实现我国中药
资源的可持续利用具有重要的推动作用。
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适
宜
区
面
积
×
10
−5
/
hm
2
10

8

6

4

2

0
最适宜 适 宜 次适宜 不适宜
生境适宜性 生产适宜性