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Construction and application of special analysis database of geoherbs based on 3S technology

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



全 文 :·学术探讨·
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
郭兰萍1,黄璐琦1,吕冬梅1,邵爱娟1,王 建2
(1.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;
2.北京医药集团 职工大学,北京 100079)
[摘要] 文章在介绍了基于3S技术的中药道地药材空间分析数据库数据库的框架,以及数据源和编码设计
的基础上,描述了该数据库的一些基本功能:数据的管理及融合、遥感分析、空间插值、空间统计分析及空间分析和
拓展。介绍了数据库应用的2个研究实例:苍术道地产区的遥感分类及NDVI植被指数的计算,及苍术的产地适应
性区划分析。指出“中药道地药材空间分析数据库”用于中药资源,特别是道地药材空间分析中有良好前景。
[关键词] 3S技术;道地药材;空间分析;遥感;区划
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2007)17182104
[收稿日期] 20060712
[基金项目] 国家重点基础研究发展计划(2006CB504700);国
家自然科学基金项目(30672616,30672617);国家科技支撑计划
(2006BAI09B02,2006BAI09B03);科技攻关与新产品试制资助(桂科
攻0663003)
[通讯作者] 黄璐琦,Tel:(010)640144112955
  道地药材的分布、产量及质量与特定的生境密不可分,其
形成是长期适应某种特定生境的结果。20世纪80年代以来,
不少学者开展了道地药材形成的环境机制及产地适宜性研
究,但由于缺乏有效的空间分析技术方法,使得道地药材的空
间分析一直未取得突破性进展。以遥感(RS)、全球定位系统
(GPS)和地理信息系统(GIS)三者集成的“3S”技术,是空间信
息分析的核心技术。近年来,3S技术与地学、生态学、农学、
土壤学、植物生理学等相结合,实现在农业生产全过程中对农
作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测,取得重要突
破[13]。3S技术在中药资源及道地药材研究中的应用刚刚起
步,本研究组开展了基于3S技术的中药道地药材研究[48],实
现了道地药材苍术Atractylodeslancea(Thunb)DC.的区划研
究[9],并发现了苍术道地药材形成中的逆境效应[4,5]。
由于各研究领域都有其独特的专业背景及空间模型,GIS
应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环
境,支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策,这是
许多应用领域面临的一个非常实际的问题。当前,应用 GIS
技术与专业模型结合分析专业问题并开发地理信息建模系统
(GIMS)是国内外研究的热点。基于这样的前提,本研究组在
开展相关研究中,以3S技术为底层,构建了一个可以广泛适
用于各类中药资源及道地药材空间分析的“中药道地药材空
间分析数据库”(以下简称数据库)。现就这一数据库的基本
情况和功能介绍如下,以便为相关研究提供实验和理论依据。
1 数据库构建的思路和框架
1.1 构建思路
为保证数据库的质量和先进性,尤其是数据库要具有支
持中药道地药材专业模型构建的功能,在数据库构建的过程
中确定如下思路。
1.1.1 以空间分析的最尖端技术———3S技术为核心和底
层 数据库的构建中坚持以3S技术为核心和底层,既充分
利用了3S技术在空间分析方面公认的优势及成熟的技术,
保证了数据库的先进水平,还为利用 GIS的现实模拟、综合
评价、趋势预测、最优决策等功能,实现中药资源可持续利用
及管理决策咨询构建了平台。
1.1.2 支持中药道地药材专业模型的构建 专业模型的构建
既是“中药道地药材空间分析数据库”的目标,也是该数据库的
特色。为了实现道地药材专业模型的构建,数据库的构建中要
有完整的中药资源的药材信息及其产地信息的框架,以及系统
的分析功能。同时,为了实现这一目标,数据库以模板方式收录
了部分药材及产地信息,以备同类信息收集及分析时参照。
1.1.3 保证数据库的可拓展性及实时更新能力 数据库的
可拓展性表现为具有一些预留模块,可以支持其他软件的接
入和使用及数据内容的可添加性和遥感图像的实时收录,即
可保证数据库实时更新。
1.1.4 保证数据库文件与其他相关空间分析软件的兼容性  
主要通过采用空间分析常用数据格式,以及支持各种数据格式
的转化来实现数据库文件与其它空间分析软件的兼容性。
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1.2 数据库框架
数据库以GIS技术为底层,集成了多个空间分析的软件,
支持GPS及RS数据的导入和分析。库中分为数据管理(data
management)、空间插值(spacialinterpolation)、遥感(remote
sensing)、统计(statistics)、空间分析(spacialanalysis)、拓展
(developing)6个模块(图1),支持各类通用的矢量和栅格数
据,及各种格式多源、多尺度空间数据转换,如GIS,ERS,RAS
TER,ASCI,GRID,GEOTIFF等几十种通用空间数据格式间的
转换。6个模块可独立运行,亦可联合操作。
图1 道地药材空间分析数据库的界面
2 数据源及编码设计
2.1 中国省界
以中国地图出版社2006年出版的中华人民共和国行政
区地图为依据。数字产品由中国科学院地理研究所资源与
环境信息系统国家重点实验室生产,发行时间为1996年。
数据内容是有标识符的多边形表示各省区的位置和边界。
比例尺为1∶400万,投影方式为等积圆锥投影。行政代码编
制同国家统一标准。
2.2 气象数据
包括全国700多个气象站点1971~2000年30年间的
气象因子的月值数据,如辐射插值图像(001MJ·m2)、平
均相对湿度插值图像(%)、降雨量插值图像(1mm)、日照时
数插值图像(01h)、平均风速插值图像(01m·s-1)、平均
气温插值图像(1℃)等,及通过克立格法(Kriging)空间插值
分析得到的插值数据(图2),插值前预留出1/5的数据,对
插值结果的准确性进行验证。
图2 数据库中的数据资料
A.部分气象站点及气象因子月值数据;B.我国部分地区1971~2000年平均降水量的空间插值图
2.3 中国地貌编码设计
中国地貌是建立在1∶400万地貌图基础上。代码为6
位数字码,第1位代码为“1”或“2”,分别表示陆地地貌类型
和海洋地貌类型。对于陆地地貌类型,第2位代码为1~9,
分别表示山地、黄土梁峁、台塬、塬、冈蚀地貌、台地、平原、冲
积扇平原和低河漫滩。第3,4位代码为01~05,分别表示低
海拔<1000m,中海拔1000~2000m,高中海拔2000~
4000m,高海拔4000~6000m和极高海拔>6000m;第3,
4位码为 21~24,分别表示深海盆及洋底(水深 2600~
6000m)、大陆裙(水深 2400~3200m)、大陆坡(水深
200~2400m)和大陆架(水深0~200m),第5,6位码表示
更细微的地貌类型,具体内容略。
2.4 中国植被编码设计
中国植被编码设计是建立在1∶400万中国植被图基础
上,直接按照1∶400万中国植被图的分类系统进行编码。其
编码采用7位数字码,左起第1位数字分别为1,2,3,4,分别
表示自然植被、农业植被、无植被地段、湖泊。对于自然植
被,第2位数字表示植被纲组;第3,4位数字表示植被群系
纲;第5,6,7位数字表示植被群系组。
2.5 中国土壤编码设计
中国土壤编码设计是建立在1∶400万中国土壤图基础
上,直接按照1∶400万土壤图的分类系统进行编码。其编码
采用3位数字码,左起第1,2位表示土类(一级类),第3位
数字表示土类中的亚类。
2.6 药材信息
药材信息主要来源于参考文献。目前已收录包括苍术
A.lancea、丹参 SalviamiltiorhizaBge.、青蒿 Artemisiaannua
L.等20个中药材信息,每个药材包括如下信息:编号、药材
名、拉丁名、科属、主要化学成分(大类)、化学型、指标或代表
成分、分布区、道地产区、栽培情况、备注(分布特点、主要存
在环境问题)、主要化学成分。其中化学成分信息有包括化
学成分编号、指标成分、含量、单位、采样时间、检测方法、关
键条件、采样地点(省市县)、经度、纬度、参考文献等。
3 数据库功能
3.1 数据的输入、管理及融合
在已有药材信息和空间信息的基础上,数据库支持其他
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药材及其生物学、商品学、人文科学、化学、药理学等信息的
输入、补充、实时更新及数据融合,可进行常规数据管理及报
表处理,如数据排序,均数、方差、最大值、最小值等数值的提
取,数据透视表建立,数据分类,查询及替换等。
3.2 遥感分析
遥感分析是数据库的核心功能之一。数据库支持开展以
EARDAS为底层的道地药材遥感图像的导入与导出,图像的
大气校正、几何校正、空间校正,AOI区域提取、监督与非监督
分类、植被指数的计算等。如果配合地面调查,即可进行中药
的资源调查及地面动态监测。例如,根据研究区植被的季节
变化特点,选择不同时段的遥感数据,首先对不同时相的遥感
数据做系统几何校正,然后对它们进行精确的空间配准,使相
同地物在不同时相的遥感图像上的位置相一致,并使多时相
遥感数据处于同一地理坐标系统之下。然后,根据地物在遥
感图像上的影像特征并结合专业知识,在图像上初步选择水
体、植被(小麦、林地)、裸沙地、城镇和机场跑道为典型地物样
本,然后,到实地进行考察,对所选典型地物的类型及位置进
行检查和调整。最后,采集不同时段的光谱数据并进行比较,
即可得到该研究区域的地面变化的动态监测。
3.3 空间插值分析
空间内插就是根据已知的空间数据估计未知空间的数
据值的过程,它是空间分析的基础工作之一。其作用主要有
提高数据密度,估计某一点缺失的观测数据;以等值线的形
式直观地显示数据的空间分布;把无规则分布的空间数据内
插为规则分布的空间数据集,如规则矩形格网、三角网等。
本数据库支持泰森多边形(最近距离法)、反距离加权方法、
Kriging内插、高斯模型及线性模型等多种空间插值方法。针
对一些药材空间信息量少,样点分布不均匀的特点,开展相
应尺度的空间插值分析,将得到整个研究区域的样本信息。
3.4 空间统计分析
空间统计分析以经典多元分析方法为基础,同时在数据
库中进行多要素动态建模和数值分析,并可用地理图形、结
果报告等显示。基本功能包括多元回归、聚类分析、PCA分
析、判别分析,梯度分析及三维空间多属性浏览与制作等。
以此可进行道地药材产量、质量、生产规模、经济效益等与气
候因子、土壤成分的空间相关性分析,对道地药材质量影响
因子进行筛选,明确道地药材的空间分布规律。
3.5 空间分析
此处的空间分析(spacialanalysis)是指以地理信息系统
为底层的空间分析,它可以将空间数据按地理坐标或空间位
置进行各种处理,对数据进行有效管理,研究各种空间实体
及相互关系,通过对多因素的综合分析,迅速地获取满足应
用需要的信息,并以地图、图形或数据的形式表示处理的结
果。空间分析是整个数据库的核心,它克服了传统缺乏空间
实体定义能力及空间关系查寻能的缺点。具体包括叠置分
析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析(逻辑交运算、逻
辑并运算、逻辑差运算)、地图制图、与遥感图像处理系统的
结合等功能。当前已用于空间模型构建,道地药材适生地分
析,道地药材区划研究等领域。
3.6 拓展
应用GIS一些二次开发函数库开发出具有特定功能空
间分析模型,通过组装不同的组件,产生满足不同用户不同
需求的空间分析模块,在基本上不变动当前系统的前提下,
可以通过增加新的组件扩展系统的应用范围。本模块现正
在探索之中,目标是实现不同生境条件下的道地药材生长状
况、产量、质量等信息的计算机逻辑模糊判断,并通过交互式
查询,提供各类信息及分析结果的咨询。
4 数据库应用的研究实例
4.1 苍术道地产区的遥感分类及NDVI植被指数的计算
下图是根据2004年4月20日CBERS2卫星采集的南京
地区遥感图像。传感器类型:CCD,PATH/ROW为369/64,景
中心纬度:32019257,景中心经度:119253149,原图像在数
据库中,利用RS模块进行经过预处理后,进行了几何校正,并
按R4G3B2合成标准假彩色图像。图中红色部分表示植被,
蓝色调表示水库,城镇为灰蓝色。图中长江、水库、铁路及苍
术的道地产区———茅山,清晰可见。同时通过人机交互及进
一步的图像处理,可以对遥感图像进行进一步的解译及地物
识别,同时可R3G2B1合成真色彩来显示(图3)。
图3 南京地区中巴资源卫星影像图
  A.南京地区的遥感图[图像经过了几何校正,为按4(R)∶3(G)∶2(B)合成假彩色的假彩色图像];B.南京地区的非监督分类图[共分为
5类,按3(R)∶2(G)∶1(B)和成的真实色彩];C.南京地区植被指数NDVI=(NIRR)/(NIR+R),NIR和R分别为第1和第2通道数据值
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  植被指数主要反映植被在可见光、近红外波段反射与土
壤背景之间差异的指标,其在一定条件下能用来定量说明植
被的生长状况。通过对不同时间段、不同地区植被指数对比
分析,可以从中得出植被生长情况随时间和地点的变化情
况,结合地面监测资料,就可以间接地反映植被状况。由非
监督分类图可见,茅山地区在整个南京附件属于植被覆盖度
非常高的区域。通过进一步的NDVI植被指数NDVI=(NIR
R)/(NIR+R)的分析可证实这一点,图3C展示了计算NDVI
植被指数过程中的一个界面。
4.2 苍术的产地适应性区划研究
区划是空间分析中开展最多的工作之一。应用道地药
材空间分析数据库进行区划,就是依据筛选出来的特定环境
因子(通常是生态主要因子及限制因子)对道地药材的适生
地进行评价,并以地图的形式直观的表示出来。本研究组以
苍术为例,开展了道地药材次生代谢产物积累的探索研究。
首先是利用数据库中的气象资料,含温度、降水、日照、相对
湿度及风速5个指标,先计算出降水系数 R=降雨量/温度,
温度与降水的交互作用(I=温度×降雨量)及温度的二次项
(平方)3个指标;然后利用典型相关及逐步回归作这8个指
标与苍术挥发油中的6个主要组分作相关模型;在此基础
上,利用数据库中的空间分析工具建立空间模型;再按挥发
油含量由高向低分为最适宜、适宜、较适宜、不适宜 4个等
级;完成苍术挥发油成分积累的气候适宜性区划,并以地图
形式显示及输出[5]。本研究不仅首次实现了以次生代谢产
物积累为目标的中药区划,还发现苍术挥发油组分形成的气
候适宜区与生长发育的气候适宜区不同,证实了苍术道地药
材形成过程中的逆境效应[4]。
5 小结
GIS作为3S技术的极富有前景的一环,在综合分析评价
与模拟预测中的应用,但通用GIS的空间分析功能对于大多
数的应用问题是远远不够的,因为这些领域都有自己独特的
专用模型。GIS成功应用于专门领域的关键在于支持建立该
领域特有的空间分析模型。“中药道地药材空间分析数据
库”在GIS的基础上,整合了RS和 GPS技术,在中药空间分
析中刚刚开始应用,就表现出巨大的潜力。同时,数据库中
已有的药材信息及相关的空间信息,加上其功能的可拓展
性,这一切都表明,“中药道地药材空间分析数据库”用于中
药资源,特别是道地药材研究中有良好前景。
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Constructionandapplicationofspecialanalysisdatabase
ofgeoherbsbasedon3Stechnology
GUOLanping1,HUANGLuqi1,LVDongmei1,SHAOAijuan1,WANGJian2
(1.InstituteofChineseMateriaMedica,AcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,Chian;
2.StafUniversityofBeijingMedicineGroup,Beijing100079,China)
[Abstract] Inthispaper,thestructures,datasources,datacodesof“thespacialanalysisdatabaseofgeoherbs”based3Stech
nologyareintroduced,andtheessentialfunctionsofthedatabase,suchasdatamanagement,remotesensing,spacialinterpolation,
spacialstatistics,spacialanalysisanddevelopingaredescribed.Atlast,twoexamplesfordatabaseusagearegiven,theoneisclassifi
cationandcalculatingofNDVIindexofremotesensingimageingeoherbalareaofAtractylodeslancea,theotheroneisadaptationanal
ysisofA.lancea.Theseindicatethat“thespacialanalysisdatabaseofgeoherbs”hasbrightprospectinspacialanalysisofgeoherbs.
[Keywords] 3Stechnology;geoherbs;spacialanalysis;remotesensing;division
[责任编辑 张宁宁]
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