孫成忠，王文全，張靜華，陳曉玉，郝振國(guó)，羅琳，賴力鵬，賀超，崔杰

1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039；2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193；3.北京晶派科技有限公司，北京 100080

近年來(lái)，隨著大健康產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中藥材需求量日益增大。傳統(tǒng)的野生中藥材無(wú)法滿足需求，大多數(shù)中藥材品種依靠人工栽培。目前，中藥材栽培種植過(guò)程中有一定的隨意性，如何進(jìn)行行業(yè)規(guī)劃以提高中藥材種植水平、提升種植中藥材的質(zhì)量與產(chǎn)量是當(dāng)前中藥行業(yè)面臨的重要問(wèn)題[1-2]。中藥資源合理分析是實(shí)現(xiàn)中藥材種植現(xiàn)代化的基礎(chǔ)[3]。中藥材定向培育分析技術(shù)是解決中藥材科學(xué)種植的技術(shù)之一。中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及可持續(xù)利用，不僅要求從業(yè)者做好中藥材適宜性區(qū)劃的研究，還要解析出栽培技術(shù)對(duì)中藥材質(zhì)和量的影響。促進(jìn)中藥材走向“定向培育”具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐作用[4-5]。

中藥材的生長(zhǎng)過(guò)程復(fù)雜，受種質(zhì)、產(chǎn)地環(huán)境、栽培年限、加工等多個(gè)因素的影響。中藥資源作為自然資源，受地理因素影響最大[6-7]。藥材的生長(zhǎng)與其所處的自然環(huán)境密切相關(guān)，因此，中藥材培育分析必須將中藥材信息與空間地理環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，才能更具有空間性、直觀性和決策所需的可見性，其結(jié)果才能更好地發(fā)揮現(xiàn)實(shí)作用[8-10]。基于此，本課題組研發(fā)了中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)中藥材的生長(zhǎng)分布、產(chǎn)量、質(zhì)量等方面進(jìn)行科學(xué)合理分析，從而實(shí)現(xiàn)中藥材生態(tài)信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息與分布信息的有機(jī)結(jié)合，指導(dǎo)中藥材科學(xué)種植，為中藥可持續(xù)發(fā)展提供準(zhǔn)確、科學(xué)的信息。

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是一門新興技術(shù)，在中藥資源行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，如中藥資源調(diào)查、中藥材適宜性區(qū)劃分析等[11-12]。中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)將GIS的空間聚類分析與空間分析應(yīng)用于中藥材定向培育及評(píng)估分析，能夠科學(xué)、快速、準(zhǔn)確分析中藥材生長(zhǎng)要求的環(huán)境因子數(shù)值及分布區(qū)域，在此基礎(chǔ)上對(duì)藥材種植的質(zhì)量、產(chǎn)量等進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)人工種植藥材的效益評(píng)估[13-14]。采用該系統(tǒng)對(duì)中藥材進(jìn)行定向培育分析評(píng)估，能夠?yàn)橹兴幉膬?yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)的建立提供科學(xué)依據(jù)[15-17]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)中藥材栽培業(yè)務(wù)需求和系統(tǒng)類型，中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)采取四層式架構(gòu)，包括軟硬件基礎(chǔ)層、空間數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層(圖1)。

圖1 中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1基礎(chǔ)層 基礎(chǔ)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、.Net Framework 4.5等，保障上層架構(gòu)安穩(wěn)運(yùn)行。

1.1.2數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)資源，包括地理信息基礎(chǔ)庫(kù)、氣候資料數(shù)據(jù)庫(kù)、土地土壤資料數(shù)據(jù)庫(kù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、通用栽培技術(shù)措施數(shù)據(jù)庫(kù)等。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方式可以根據(jù)數(shù)據(jù)的種類與使用方式的不同進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.1.3支撐層 支撐層通過(guò)ArcSDE中間件服務(wù)，為平臺(tái)提供空間分析處理和產(chǎn)品制作所需的算法、功能和支撐組件。應(yīng)用層主要面向中藥材定向培育進(jìn)行分析評(píng)估，直接服務(wù)于用戶需求。

1.1.4應(yīng)用層 應(yīng)用層由相應(yīng)的業(yè)務(wù)模塊開發(fā)構(gòu)成，主要包含了中藥材適宜區(qū)域分析、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、質(zhì)量預(yù)測(cè)、施肥量預(yù)測(cè)、效益預(yù)測(cè)等功能模塊，為中藥材定向培育系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鑒于目前國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)所采用的技術(shù)趨勢(shì)，中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)采用成熟的ArcSDE集成Access的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)，將環(huán)境因子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，基于空間數(shù)據(jù)引擎(spatial database engine)對(duì)空間地理數(shù)據(jù)采取高效管理。從業(yè)務(wù)需求角度出發(fā)，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含土壤因子、植被因子、氣候因子、地形因子、基礎(chǔ)地理信息、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、定向培育技術(shù)措施7個(gè)方面的數(shù)據(jù)。其中，前4個(gè)方面數(shù)據(jù)構(gòu)成環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)到環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫(kù)中，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為空間信息同樣存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，后2個(gè)方面的數(shù)據(jù)采用文件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)(圖2)。土壤因子數(shù)據(jù)包含土壤利用類型、土壤質(zhì)地分類、土壤含黏土量、土壤含沙量、酸堿度、有機(jī)碳含量、土壤微量元素含量等；氣候因子數(shù)據(jù)包含各月、年降水量和各月、年平均氣溫。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)按藥材基原分類，包含產(chǎn)量質(zhì)量預(yù)測(cè)環(huán)境判斷標(biāo)準(zhǔn)、施肥技術(shù)服務(wù)適宜土地條件標(biāo)準(zhǔn)、灌溉技術(shù)服務(wù)適宜環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。定向培育技術(shù)措施數(shù)據(jù)分為產(chǎn)量質(zhì)量預(yù)測(cè)環(huán)境配套技術(shù)措施、施肥技術(shù)服務(wù)配套技術(shù)措施和灌溉技術(shù)服務(wù)配套技術(shù)措施。

圖2 定向培育數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

2 中藥材定向培育分析評(píng)估模型流程

中藥材定向培育分析評(píng)估是一個(gè)難度大、過(guò)程復(fù)雜的模型。本研究分步梳理構(gòu)建了一套完整的定向培育分析評(píng)估分析模型方案(圖3)。該方案首先通過(guò)判斷藥材的適宜種植區(qū)域，計(jì)算藥材的產(chǎn)量與質(zhì)量，進(jìn)而通過(guò)對(duì)種植地進(jìn)行施肥與灌溉等栽培技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。定向培育分析評(píng)估模型的具體流程主要分為數(shù)據(jù)源、適宜區(qū)域分析、產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)、產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案、效益預(yù)測(cè)模塊。

圖3 定向培育分析評(píng)估模型

2.1 數(shù)據(jù)源

首先獲取數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)的主體是環(huán)境因子數(shù)據(jù)和藥材種植地采樣信息，經(jīng)過(guò)統(tǒng)一投影和空間范圍的預(yù)處理，把數(shù)據(jù)加入到環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫(kù)中；收集到的其他技術(shù)相關(guān)信息，如灌溉、施肥等，作為基本數(shù)據(jù)加入到環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 適宜區(qū)域分析

適宜區(qū)域分析是該算法中的關(guān)鍵步驟，只有通過(guò)判斷該區(qū)域適宜種植藥材，才能進(jìn)行藥材的定向培育。適宜區(qū)域分析主要利用生態(tài)位模型進(jìn)行生態(tài)適宜性的計(jì)算和結(jié)果的分類輸出，找出中藥材的適宜分布區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上提取適生環(huán)境因子的范圍。分析結(jié)果以地理空間的動(dòng)態(tài)可視化形式展示，增加了適宜區(qū)域的可視化。最后，適宜區(qū)域分析結(jié)果以柵格形式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中并在系統(tǒng)中顯示。

2.3 產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)

提高中藥材質(zhì)量與產(chǎn)量是中藥材定向培育的最終目的，所以構(gòu)建產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)是整個(gè)定向培育分析評(píng)估模型的核心過(guò)程。產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)主要基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)挖掘算法，根據(jù)種植地的地理位置信息、環(huán)境因子以及資源調(diào)查信息，建立產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，再由用戶輸入預(yù)測(cè)地的地理位置與資源調(diào)查信息得出預(yù)測(cè)產(chǎn)量與質(zhì)量。建立的環(huán)境因子值與產(chǎn)量、質(zhì)量間的復(fù)雜的關(guān)系模型為定向培育中藥材提供了可靠的理論依據(jù)。通過(guò)中藥材定向培育分析評(píng)估系統(tǒng)可以尋找出最優(yōu)的產(chǎn)量與質(zhì)量的環(huán)境因子值。本研究采用甘草和丹參在內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、吉林、甘肅共96塊樣地的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)了甘草苷和丹參酮質(zhì)量與產(chǎn)量的預(yù)測(cè)。其中，栽培調(diào)查信息包括土壤類型、土壤鹽堿化程度、土壤種類、種植方式、生長(zhǎng)年限、施肥和澆水等。

2.4 產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案

優(yōu)良的培育技術(shù)可以提高中藥材質(zhì)量、提高單位面積產(chǎn)量、提高中藥材的抗病蟲害能力。產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案是定向培育的關(guān)鍵培育技術(shù)，用來(lái)指導(dǎo)培育。定向培育分析評(píng)估分析模型方案將地理信息學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、有機(jī)化學(xué)、中藥資源學(xué)等多門學(xué)科相關(guān)的理論與方法有機(jī)融合，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、實(shí)地試驗(yàn)等技術(shù)手段，建立了中藥材在不同肥效條件下的產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案，從而為中藥材定向培育提供科學(xué)依據(jù)[18-19]。

2.5 效益預(yù)測(cè)模塊

對(duì)指定區(qū)域內(nèi)中藥材定向(預(yù)定產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益)培育生產(chǎn)過(guò)程中所采用的技術(shù)措施及其參數(shù)進(jìn)行定性或定量分析和預(yù)測(cè)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)采用實(shí)用成熟的技術(shù)方法進(jìn)行面向數(shù)據(jù)管理的二次開發(fā)設(shè)計(jì)，為單機(jī)桌面模式。采用ArcGIS桌面版進(jìn)行開發(fā)，采用Microsoft Visual Studio C#語(yǔ)言與ArcGIS Engine相結(jié)合，應(yīng)用 ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)中藥材區(qū)劃的定向培育分析評(píng)估。根據(jù)中藥材定向培育分析評(píng)估模型流程，將系統(tǒng)采取分流程式的模塊劃分方法，具體劃分為數(shù)據(jù)瀏覽功能、圖層控制功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能、適宜區(qū)域分析功能、產(chǎn)量與質(zhì)量的預(yù)測(cè)功能、產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案預(yù)測(cè)功能、種植地信息導(dǎo)入與錄入功能、效益預(yù)測(cè)等功能，數(shù)據(jù)管理采用基于ArcSDE結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境(圖4)。

圖4 中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)系統(tǒng)界面

3.1 地圖基本功能

地圖操作基本功能包括地圖縮放、地圖平移、圖層控制、地圖制圖等。地圖控制主要對(duì)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、藥材區(qū)劃數(shù)據(jù)、環(huán)境因子影像數(shù)據(jù)圖層的加載與刪除；地圖制圖主要負(fù)責(zé)對(duì)適宜區(qū)域分析結(jié)果進(jìn)行可視化制圖輸出。

3.2 適宜區(qū)域分析功能

適宜區(qū)域分析功能模塊從空間維度出發(fā)，對(duì)藥材采樣點(diǎn)及調(diào)查區(qū)域進(jìn)行可視化表達(dá)，借助專家知識(shí)、地理信息空間分析功能，將藥材采用數(shù)據(jù)與地理空間有機(jī)地結(jié)合在一起，可以直觀地顯示單一中藥材的空間分布區(qū)域，為藥材道地性研究及生態(tài)適宜性研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在系統(tǒng)平臺(tái)的適宜區(qū)域分析功能中，首先利用已集成到平臺(tái)上的適宜區(qū)域分析模塊，通過(guò)最大信息熵模型計(jì)算單一品種藥材的潛在分布區(qū)。模型通過(guò)采集的藥材分布樣點(diǎn)和生境因子，確定特征空間，構(gòu)建約束組合，以熵最大為條件選擇最優(yōu)分布。計(jì)算完成后，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)計(jì)算結(jié)果賦予空間參考，生成通用的柵格格式數(shù)據(jù)，為中藥材產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)的根本。

3.3 種植地信息導(dǎo)入功能

種植地信息導(dǎo)入模塊可以將用戶收集好的數(shù)據(jù)將種植地信息，如種植地的養(yǎng)分信息、環(huán)境因子信息、肥效信息及采樣信息等，通過(guò)批量或手工添加的方式導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶進(jìn)行種植的預(yù)測(cè)功能。用戶可以批量錄入表格的基本格式數(shù)據(jù)，如Excel和SPSS格式數(shù)據(jù)。表格標(biāo)準(zhǔn)模板可以在系統(tǒng)導(dǎo)入界面查看下載。

3.4 質(zhì)量與產(chǎn)量預(yù)測(cè)功能

在質(zhì)量與產(chǎn)量預(yù)測(cè)模塊，是通過(guò)利用適宜種植地的環(huán)境因子與采樣信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)的方法，構(gòu)建質(zhì)量與產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，從而預(yù)測(cè)未知種植地的質(zhì)量與產(chǎn)量。用戶通過(guò)輸入預(yù)測(cè)種植地的地理位置與資源調(diào)查信息，預(yù)測(cè)出該種植地藥材的質(zhì)量與產(chǎn)量信息。

3.5 產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案預(yù)測(cè)功能

產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥方案預(yù)測(cè)是系統(tǒng)的主要功能，是用戶通過(guò)選擇種植地、施用肥料類型、目標(biāo)產(chǎn)量、藥材來(lái)實(shí)現(xiàn)施肥量預(yù)測(cè)的功能。產(chǎn)量導(dǎo)向的施肥量預(yù)測(cè)模型是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

(1)

上式中，F(xiàn)m代表氮磷鉀施肥量；C代表單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量；Y代表目標(biāo)產(chǎn)量；Xn代表土壤堿解氮、有效磷或速效鉀的測(cè)定值；a1、b1代表土壤養(yǎng)分校正系數(shù)模型系數(shù)；a2、b2代表肥料利用率模型系數(shù)；H代表肥料中養(yǎng)分的含量占總質(zhì)量的百分比。氮磷鉀施肥模型見公式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

上式中，F(xiàn)N表示施氮量，F(xiàn)P表示施磷量，F(xiàn)K表示施鉀量。

3.6 效益預(yù)測(cè)功能

效益預(yù)測(cè)是系統(tǒng)的主要功能之一。用戶經(jīng)過(guò)選擇種植地、施用肥料類型、目標(biāo)產(chǎn)量來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶收益的預(yù)測(cè)。該功能是通過(guò)種植地的收益減去付出，得出種植地的效益。該模型雖然未考慮除肥料外的種植地其他投入，如種子、灌溉、收割費(fèi)用等，但是在一定程度上為用戶提供了效益的合理預(yù)期。

3.7 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)以內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)甘草種植為例進(jìn)行應(yīng)用。如圖5所示，首先，用戶將內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)樣地的種植信息調(diào)查表導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)輸入樣地的經(jīng)緯度及相關(guān)的樣地屬性信息，預(yù)測(cè)出2塊樣地種植甘草的甘草苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.589、0.543。經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證，結(jié)果具有很好的參考價(jià)值。在阿拉善2020樣地種植甘草，每公頃目標(biāo)產(chǎn)量8000 kg，使用無(wú)機(jī)肥氮肥的養(yǎng)分含量為46%，則預(yù)測(cè)每公頃施用328 kg氮肥。本系統(tǒng)為阿拉善地區(qū)甘草種植提供了科學(xué)指導(dǎo)。

注：A.甘草質(zhì)量預(yù)測(cè)界面；B.甘草產(chǎn)量導(dǎo)向施肥預(yù)測(cè)。圖5 中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)中阿拉善地區(qū)甘草種植實(shí)例界面

4 結(jié)語(yǔ)

中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)基于.Net Framework框架及空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息技術(shù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥材的定向培育，適用于桌面端操作，整合了豐富的數(shù)據(jù)資源，界面美觀、操作友好、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠流程化分析評(píng)估中藥材定向培育的技術(shù)問(wèn)題。本文提出了中藥材定向培育綜合評(píng)估分析流程，解決了人工種植栽培技術(shù)不規(guī)范、不合理導(dǎo)致的中藥材產(chǎn)量與質(zhì)量下降等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)的產(chǎn)量與質(zhì)量預(yù)測(cè)算法對(duì)中藥材種植產(chǎn)量導(dǎo)向及施肥方案的指導(dǎo)。該系統(tǒng)以內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)甘草種植為例進(jìn)行了定向培育評(píng)估分析，取得了很好的應(yīng)用效果。系統(tǒng)的研發(fā)完成將對(duì)建立中藥材規(guī)范化種植的新模式、提高中藥材質(zhì)量和產(chǎn)量、推動(dòng)中藥材走向“定向培育”具有重要的理論意義和指導(dǎo)作用。本研究主要在藥材培育產(chǎn)量和質(zhì)量的預(yù)測(cè)算法上進(jìn)行了探索，隨著應(yīng)用層面的擴(kuò)大，中藥材定向培育評(píng)估分析系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。