全 文 ：·综述·
药用植物多级遥感监测体系中定量估计的
若干关键问题
谢彩香１，陈士林１，王　蠫１，周应群２，李　滢１
（１．中国医学科学院 药用植物研究所，北京 １０００９４；２．中国药材集团公司，北京 １０００９４）
［摘要］　多学科技术的发展进步促进了药材资源调查新体系的建立。建立多级遥感平台、粗中细分辨率互补
的药用植物资源监测系统是资源调查技术发展和现实需求的必然结果。作者探讨了多级遥感资源调查的技术思
路，并针对其中存在的关键问题和有关数学理论进行了初步研究，提高药用植物的调查精度，对实际工作具有一定
的指导意义和理论价值。
［关键词］　药用植物；多级遥感；最优估测方程；样方调查
［中图分类号］Ｒ２８２．７　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００１５３０２（２００８）０３０３２６０４
［收稿日期］　２００７０８２８
［基金项目］　科研院所社会公益研究专项（２００５ＤＩＢ３Ｊ０８８）；中
央级公益型科研院所基金（ＹＺ１０２）；工业生物技术及产品的研究
（Ｚ０００５１９００４３３２１）
［通讯作者］　陈士林，Ｔｅｌ：（０１０）６２８９９７００，Ｅｍａｉｌ：ｓｃｓｌｃｈｅｎ＠
ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
　　药用植物资源调查的目的是掌握药用植物的现势情况，
为合理开发利用药用植物、制定宏观政策提供数据支持和依
据［１］。但药用植物资源的分布不同于农业资源和林业资源，
由于药用植物资源品质受生长环境影响很大，因此具有很强
的地域性，分布零散并且地面覆盖范围不规则。传统中药资
源调查是根据收购量推算、主观估计和地面调查相结合，不
仅费时、费力、调查周期长，而且由于主观性很大，因此调查
结果精度较低。遥感技术的不断创新为改进中药资源调查
工作提供了新的可能，积极合理地利用新技术会大大促进中
药资源调查方法的发展，中药资源调查新体系（多级遥
感）［２］的建立正是在不断吸收和利用新技术基础上成长和
发展起来，见图１。利用低空遥感技术的目的是提高边界线
调绘精度，同时根据低空遥感影像可确定地面样方的调查区
域和样方数量。同时，将野外调查样方展绘在校正后的低空
遥感影像上，利用ＡｒｃＩｎｆｏ软件自动提取样方对应的遥感信
息及整个研究区域的遥感信息。
多级遥感的资源调查新思路为：高分辨率低空遥感数据
与中分辨率卫星数据相结合进行空中抽样来估计药用植物
面积或蓄积量。在中分辨率影像上布设高分辨率样地，以样
地位置处的高分辨率低空遥感影像为依据布设地面调查样
地，对整个药材分布区进行估计，这样可以大大减少地面工
作量，充分发挥各级遥感平台和多种分辨率卫星数据功能，
　　
图１　多级遥感药用植物资源调查示意图
减少经费投入和劳动强度，同时，提高药用植物资源的调查
精度和准确度。
１　药用植物蓄积量遥感定量估计的自变量选择原则
传统药材资源蓄积量的调查重点是分布面积和单位面
积蕴藏量的测算。分布面积采用直接测量法，单位面积药材
蕴藏量的测算采用传统样方测定，对于分布零散不集中的某
些药用植物，测量工作量不仅巨大而且精度难以保证；若用
ＮＤＶＩ单一指标估测生物量，势必丢失大量遥感信息，而且
ＮＤＶＩ对高植被区具有较低的灵敏度。
采用定量遥感技术建立生物量估测模型将改善估测精
度［３，４］。以遥感和地理信息为基础，进行药用植物蓄积量定
量估测，是以地面样地的蓄积观测值为因变量，以样地所对
应的遥感图像各波段灰度值、灰度比值及样地信息为自变
量，通过数量化方法和最小二乘原理（ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅ，ＬＳ）或岭
估计（ｒｉｄｇｅｔｒａｃｅ，ＲＴ）建立蓄积和自变量之间的回归模型进
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行蓄积量估测。设某观测区域内地面样地总数为 ｎ，样地的
蓄积观测值向量为 Ｖ
　
ｎ×１０
，在样地对应的遥感和地理信息中，
影响蓄积估测的全部自变量维数为ｐ（含常数项），其观测矩
阵为 Ｘ
　
ｎ×１
，则该观测区域内蓄积线性估测模型［７］可表示为：
Ｖ０＝Ｘγ＋ｅ，Ｅ（ｅ）＝０，ＣＯＶ（ｅ）＝σ
２Ｉ （１）
式中，ｅ为 ｎ×１随机误差向量；σ２为样地蓄积观测方
差；γ为ｐ×１待定参数向量；Ｉ为ｎ阶单位阵。
将Ｘ表示成分块形式 Ｘ＝（ＸｑＭｔＸｔ），相应将 γ表示
成γ＇＝（γｑ＇┆γｔ＇），则（１）式可变为：
Ｖ０＝Ｘｑγｑ＋Ｘｔγｔ＋ｅ （２）
式中Ｘｑ包含常数项，且Ｘｑ和Ｘｔ分别为ｑ，ｔ列的列满秩
阵。考虑两种情况：
①蓄积量真实模型为Ｖ０＝Ｘγ＋ｅ，因丢掉一些必要的自
变量，而被误认为
Ｖ０＝Ｘｑγｑ＋ｅ （３）
②蓄积量真实模型为 Ｖ０＝Ｘｑγｑ＋ｅ，因为引进了一些不
必要的自变量，而被误认为：
Ｖ０＝Ｘγ＋ｅ （４）
设模型（３）和（４）两种模型待定参数的 ＬＳ估计及方差
估值分别为：
γｑ＝（Ｘｑ′Ｘｑ）
－１ＸｑＶ０
槇σ２ｑ＝Ｖ′０［Ｉ－Ｘｑ（Ｘｑ′Ｘｑ）－１Ｘｑ］Ｖ′０／（ｎ－ｑ）
γ＾＝（Ｘ′Ｘ）－１Ｘ′Ｖ０＝
γ＾ｑ
Λ
γ＾

１
α＾２＝Ｖ′０［Ｉ－Ｘ（Ｘ′Ｘ）
－１Ｘ′］Ｖ０／（ｎ－ｐ－１）
则有以下结论：
１）若模型（４）正确，则有
Ｅ（珘γｑ）＝γｑ＋（Ｘ′ｑＸｑ）
－１Ｘ′ｑＸｔγｔ
ＣＯＶ（＾γｑ）≥ＣＯＶ（珘γｑ）
要使γｑ为γｑ的无偏估计，必有（Ｘ′ｑＸｑ）
－１Ｘ′ｑＸｔγｔ。表明
γｔ＝０，即后ｔ个自变量与蓄积无关，模型（３）正确；矩阵 Ｘ＝
（ＸｑＭｔＸｔ）的两部分正交，即后ｔ个自变量与蓄积估测不起作
用。另外，即使模型（４）正确，丢掉一部分自变量后，总使剩
下的那部分自变量回归系数的ＬＳ估计的方差减小。
２）若模型（４）正确，当ＣＯＶ（γ
＾
ｑ）≥γｔγ′ｔ时，则有
ＣＯＶ（γ
＾
ｑ）≥ＭＳＥＭ（γ
＾
ｑ）
Ｖａｒ（Δν０）≥ＭＳＥＰ［珓ν０＝Ｅ（Δν
２
ｏｑ）］
式中，ＭＳＥＭ（珘γｑ）为待估参数的平均平方误差矩阵；
Δν２ｏｑ，Δν０分别为模型（３）和（４）的蓄积预测偏差；ＭＳＥＰ（珓ν０）
为模型（３）的蓄积预测均方误差。
由以上讨论可知：若丢掉的自变量影响确实存在（γｔ≠
０），但γｔ难以准确估计（用ＣＯＶ（γ
＾
ｑ）≥γ′ｔγｔ刻画），丢掉这样
的变量可使预测精度提高；相反，若模型包含了不必要的自
变量（γｔ＝０），则使预测精度降低。
因此，药用植物资源蓄积预测自变量的选择应遵循少而
精的原则，尽量遗弃影响很小或难以准确估计的变量。
２　药用植物蓄积量定量估计最优方程的选择
在上述确定起主导作用的因子后，随后的问题是要选多
少自变量去建立方程，即怎样选择“最优自变量子集”问题。
据研究表明［５］：选择回归自变量的基本原则是少而精。丢掉
一些变量总会使得剩余变量回归系数ＬＳ估计和预测的方差
减少，此时的估计和预测一般是有偏差的。
鉴于其有效性和便于计算机编程，最小二乘（ＬＳ）估计
采用平均残差平方和（ｒｅｓｉｄｕａｌｍｅａｎｓｑｕａｒｅｓ，ＲＭＳ）准则，按
照回归树原理，从所有可能的自变量子集中选择影响蓄积估
测的主要因子子集。当自变量个数为ｑ时，平均残差平方和
的表达式为：
Ｒｑ＝
ＶＴ［Ｉ－Ｘｑ（Ｘ
Ｔ
ｑＸｑ）
－１ＸＴｑ］Ｖ
ｎ－ｑ
式中，分子 ＶＴ［Ｉ－Ｘｑ（Ｘ
Ｔ
ｑＸｑ）
－１ＸＴｑ］Ｖ为蓄积残差平方
和，且Ｒｑ＋１≤Ｒｑ、即最小二乘（ＬＳ）估计蓄积残差平方和随自
变量个数的增加而减少，其在回归方程中包含对蓄积估计有
影响的全部自变量时达到最小值［８］。按照上式选择自变量
时，随着自变量个数ｑ的增加、（ｎ－ｑ）－１将增大，但开始时分
子减少更多，故总起来 Ｒｑ将逐渐减少。当自变量增加到一
定程度，重要的自变量基本上都已选上了，此时再增加自变
量，分子减少不多，以至于抵消不了（ｎ－ｑ）－１的增加，最终
还是导致了Ｒｑ的增加。到达最小值后，又逐渐增大，见图２。
依据ＲＭＳ准则，其最小值对应的变量子集即为影响蓄积估
测的主要因子子集。据此可选取最优方程以反映该地区的
药用植物资源概况。
图２　Ｒｑ随ｑ的变化曲线
在上述最小二乘方法中，存在的问题是选出的变量间可
能存在一定的复共线性，使观测阵出现病态。当影响资源蓄
积估测的ＲＳ和ＧＩＳ信息间存在复共线性时，用ＬＳ估计建立
蓄积估测方程已不再适合，现在许多学者［６］开始研究通过其
他数学方法，如岭估计来提高蓄积量预报的精度和准确度。
３　地面样方的抽样调查设计
抽样调查为科学研究方法中重要技术之一，是指就所要
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研究的某特定现象之母群体中，依据随机原理抽取一部分作
为样本，作为研究母群体的依据。在抽样信赖水平内，根据
样本的抽样研究结果推算母群体的整体特征。
野外样方调查是中药资源调查监测工作中的重要数据
源，也是中药资源调查的一个重要组成部分。为了满足中药
资源调查需要，凡是从遥感影像、地理信息和地图中无法获
取的数据，都必须进行野外样方调查。中药资源调查需要多
方面的样本数据，比如建立数学模型、遥感判读训练、样地动
态变化分析、资源调查监测精度分析评价等。进行野外样方
调查时应注意以下几点：一是样方设置要合理以保证获得正
确信息；二是要省时省力省钱；三是在制定抽样方案时，调查
的抽样方法要与后续的数据分析配套；四是要充分利用已知
信息来提高抽样精度。为充分发掘样地信息的潜在能力和
提高抽样效率，在调查中要特别注意抽样设计，抽样方案的
设计好坏直接影响着调查结果的准确度和精度。
最优样地要能够代表监测区域内药材资源的种类及分
布状况，包括应抽取样地的总数及每类样地应抽取的样地
数。抽样的目的是用所抽样地对应的主要遥感和地理信息
因子建立以样地为单位的蓄积量估测方程，以便利用估测方
程预报与样地类型一致的监测区域的资源蓄积量。
设监测区域已有样地的总数为ｎ，在此ｎ个样地中抽取
ｑ个样地来建立资源蓄积量的估测方程。如何使抽取的样
地能代表监测区域内药材资源的种类及分布状况，根据被抽
样地对应的主要遥感和地理信息建立蓄积估测方程，才能有
效预报监测区域的蓄积量。如何抽取监测区域建立蓄积估
测方程的最优样地，属于多目标优化问题，建立资源蓄积最
优样地的数学模型如下分析。
设监测区域样地对应影响蓄积量估测的主要遥感和地
理信息因子为ｘ＝（ｘ１ｘ２…ｘｐ）。每个样地对应 ｐ个变量，相
当于ｐ维欧式空间Ｅｐ中的一点。设样地的蓄积量 ｙ和 ｐ各
主要影响因子间存在下列关系：
ｙ＝β１ｘ１＋ｘ２＋…＋βｐｘｐ＋ｅｙ （１）
式中，β１，β２…βｐ为待定系数；ｅｙ为样地蓄积量观测值的
随机误差。
在监测区域ｎ个样地种抽取用于建立蓄积估测方程的
ｑ个样地，ｑ个样地满足下列关系：
Ｙｑ＝Ｘｑβ＋ｅＹｑ，Ｅ（ｅＹｑ）＝０ （２）
式中，Ｙｑ＝
ｙ１
ｙ２
…
ｙ

ｑ
为ｑ个样地的蓄积观测向量；
Ｘｑ＝
ｘ１１ ｘ１２ … ｘ１ｐ
ｘ２１ ｘ２２ … ｘ２ｐ
… … … …
ｘｑ１ ｘｑ２ … ｘ

ｑｐ
为ｑ个样地ｐ个影响因子的观
测矩阵；ｅＹｑ＝（ｅｙ１ｅｙ２…ｅｙｑ）为 ｑ个样地蓄积量观测误差；Ｅ
（ｅＹｑ）＝０为 ｑ个样地蓄积量观测误差的均值为 ０；ｃｏｖ
（ｅＹｑ）＝σ
＾
２Ｉｑ为抽样地蓄积量观测误差等方差且彼此不相
关；Ｉｑ为ｑ阶单位矩阵。
作为监测区域建立蓄积量估测方程的最优样地，ｑ个被
抽样地需满足下列条件：
①用ｑ个被抽样地组成方程②，求解药材蓄积量估测方
程；用残差平方和ＲＳＳｑ计算误差方差的估计值 σ
＾
２，其值应
达到最小。②通过式（２）建立蓄积量方程后，对监测区域其
余ｎ－ｑ个未抽样地的蓄积量进行预报。预报偏差的方差应
达到最小。③为确保式（２）的方程组有定解，抽取的样地数
ｑ应满足ｑ＞ｐ。
可见，确定监测区域蓄积量估测方程的最优样地的种类
和数量属于多目标优化问题，抽取的ｑ个最优样地应满足的
优化条件有：
ｍｉｎ（σ
＾
２），ｍｉｎ（σ
＾
２
ｎ－ｑ）
Ｙｑ＝Ｘｑβ＋ｅＹｑ，Ｅ（ｅＹｑ）＝０，ｃｏｖ（ｅＹｑ）＝σ
２Ｉｑ
ｑ＞
{
ｐ
实际计算时可采用线性加权法构造评价函数，优化目标
函数表示为：
ｆ（ｘ）＝ｍｉｎ（λ１σ＾
２＋λ２σ＾
２
ｎ－ｑ），ｘ∈Ｅ
ｐ （４）
４　小结
信息技术的发展促进了药用植物资源调查技术的进步，
也促使资源调查由定性分析阶段转向定量分析阶段。作者
针对多级遥感体系中的多种实际问题，分析了其中的有关数
学理论，给出了定量分析的数学依据用以指导生产实践。
［参考文献］
［１］　周应群，陈士林，张本刚，等．中药资源调查方法研究［Ｊ］．世界
科学技术———中医药现代化，２００５，７（６）：１３０．
［２］　谢彩香，陈士林，林宗坚，等．无人机遥感技术应用于药用植物
资源调查研究［Ｊ］．中国现代中药，２００７，９（６）：４．
［３］　赵宪文．林业遥感定量估测［Ｍ］．北京：中国林业出版社，
１９９７．
［４］　李崇贵，赵宪文．以遥感和地理信息为基础的森林蓄积 ＬＳ估
计自变量选择研究［Ｊ］．遥感学报，２００１，５（４）：２７７．
［５］　赵宪文，李崇贵．基于“３Ｓ”的森林资源定量估测［Ｍ］．北京：中
国科学技术出版社，２００１．
［６］　李崇贵，石　强，赵宪文，等．用岭估计研究以 ＲＳ和 ＧＩＳ为基
础的森林蓄积预报［Ｊ］．遥感技术与应用，２００１，１６（３）：１６８．
［７］　唐守正．多元统计分析方法［Ｍ］．北京：中国林业出版社，
１９８９．
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１９８７．
［９］　孙山泽．抽样调查［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２００４．
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Ｓｏｍｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｉｎｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｒｅｍｏｔｅ
ｓｅｎｓｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｐｌａｎｔｍｅｄｉｃｉｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＸＩＥＣａｉｘｉａｎｇ１，ＣＨＥＮＳｈｉｌｉｎ１，ＷＡＮＧＹｕ１，ＺＨＯＵＹｉｎｇｑｕｎ２，ＬＩＹｉｎｇ１
（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｄｉｃｉｎａｌＰｌａｎｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，
ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｏｎＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｅｇｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＧｒｏｕｐＣｏｒｐ．ｏｆＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌ＆ＨｅｒｂａｌＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｉｎｍａｎｙｓｕｂｊｅｃｔｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｎｅｗｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓ
ｔｅｍｉｎｐｌａｎｔｍｅｄｉｃｉｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｎｅｗｐｌａｎｔｍｅｄｉｃｉｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｐａｎｅｌａｎｄｄｉｆｅｒ
ｅｎｔｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｎｅｅｄｓｏｆｒｅａｌｉｔｙ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｉｄｅａｏｆｔｈｅｎｅｗｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｒｅｍｏｔｅ
ｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｔｈｅｏｒｙ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｕｒｖｅｙｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｐｌａｎｔｍｅｄｉｃｉｎａｌｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｄｅｆｉｎｉｔｅｇｕｉｄａｎｃｅａｎｄｔｈｅｏｒｙｖａｌｕｅ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］　ｐｌａｎｔｍｅｄｉｃｉｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；ｏｐｔｉｍａｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ；ｓａｍｐｌｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ
［责任编辑　王亚君］
［收稿日期］　２００７０５２１
［通迅作者］　刘晓秋，Ｔｅｌ：（０２４）２３９８６４６９，Ｅｍａｉｌ：Ｌｉｕｘｉａｏ
ｑｉｕ３３８８＠ｔｏｍ．ｔｏｍ
名贵中成药质量研究现状
林　立１，刘晓秋１，徐　晖２
（１．沈阳药科大学 中药学院，辽宁 沈阳 １１００１６；
２．沈阳药科大学 药学院，辽宁 沈阳 １１００１６）
［摘要］　通过对名贵中成药相关文献及国家标准的统计分析，发现名贵中成药剂型以故老剂型为主，单一落
后；质量研究以化学物质为基础，标准不完善、缺乏整体性，不能完全反映名贵中成药的质量，这些可能是因为中医
理论的“宏观思维”逻辑与现代分析技术“微观研究”的矛盾所导致的。新兴的“代谢组学”和“中药配位化学学说”
２种理论具有“整体性”的特点，既能满足中药化学成分分析需要“微观研究”的要求，又符合中医理论的“宏观思
维”，将是名贵中成药的发展方向。
［关键词］　名贵中成药；剂型；质量研究；代谢组学；中药配位化学学说
［中图分类号］Ｒ２８４．１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００１５３０２（２００８）０３０３３９０５
　　中成药，即中药成方制剂，系指以中医学基础理论为原
则组方，以传统中药材为原料制备的各类制剂。其处方原则
以“辨证施治”和“君臣佐使”为基础，所以不能等同于通常
所说的中药制剂。名贵中成药系指在民间沿用历史悠久、疗
效独特、口碑良好的中成药。此类中成药处方出自古医名
著、宫廷秘方或者祖传秘方，向上秉承古医精髓，向下融入了
现代制药技术。
本研究选择乌鸡白凤丸、安宫牛黄丸、片仔癀、西黄丸、
龟龄集、八宝丹、云南白药、六神丸、苏合香丸、麝香保心丸、
华佗再造丸、定坤丹、古汉养生精等十余种名贵中成药为对
象，从剂型、质量分析等方面出发，对名贵中成药的质量研究
现状加以分析。
１　传统名贵中成药的剂型现状分析
随着科技的发展，特别是现代制药技术成果广泛运用于
传统制剂中，中成药剂型的发展会越来越快。刘本俊等［１］通
过对２８６个中成药价格与剂型之间的关系分析得出，技术含
量低的传统剂型，在价位上无法与技术含量高的现代剂型相
比，传统剂型中丸剂、煎膏剂、散剂仍被使用但似有淘汰之趋
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