蔡音亭

(上海市九段沙濕地自然保護區(qū)管理事務中心，上海 200135)

記錄和監(jiān)測野生動物對保護物種和其生存環(huán)境至關重要，調(diào)查自然資源并建立檔案也是我國自然保護區(qū)管理機構的主要職責。鳥類處于食物鏈的較高等級，其調(diào)查技術成熟、容易實施，常作為監(jiān)測環(huán)境變化的指示生物，鳥類也是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要類群。長期的鳥類監(jiān)測在世界范圍內(nèi)的多個國家大規(guī)模開展，如美國繁殖鳥類調(diào)查(Hudson et al, 2017; Sauer et al, 2017)，英國普通鳥類調(diào)查、繁殖鳥類調(diào)查(Freeman et al, 2002)，西澳大利亞鸻鷸類調(diào)查(Rogers et al, 2020)。調(diào)查數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測種群變化(Hudson et al, 2017; Sutherland et al, 2004)，確定保護的優(yōu)先次序，識別受威脅物種，探索基本的生態(tài)關系(Edwardset al, 2020)。我國的鳥類監(jiān)測雖然起步較晚，但近20年也在不同地理尺度上實施，在全國尺度上，如全國陸生野生動物資源調(diào)查(郜二虎等, 2014)，在區(qū)域尺度上，如中國沿海水鳥同步調(diào)查(China Coastal Waterbird Census Group et al., 2015)、上海市水鳥同步調(diào)查(裴恩樂等, 2012)，鳥類分布的重要地點也自行組織調(diào)查，累積了大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)常儲存在多個文件中，傳統(tǒng)的文件處理環(huán)境難以方便地獲取所需數(shù)據(jù)，相同信息可能在幾個地方重復儲存，存在數(shù)據(jù)冗余和不一致問題，數(shù)據(jù)錄入和初步統(tǒng)計中容易因為人工疏忽發(fā)生錯漏，結合監(jiān)測路線、物種信息統(tǒng)計匯總數(shù)據(jù)也不方便，需要開發(fā)高效的系統(tǒng)存儲和管理數(shù)據(jù)，為保護區(qū)管護水平提升和生物多樣性保護研究提供支持(陳志方等, 2012; 廖寶雄等, 2020)。

本研究結合多年水鳥監(jiān)測實踐，從濕地自然保護區(qū)管理需要出發(fā)，設計了濕地自然保護區(qū)水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使用Windows版本的XAMPP軟件集成包和Tableau Desktop軟件，以My SQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，HTML和PHP編輯的Web頁面以及Tableau Desktop作為前端進行系統(tǒng)初建，功能模塊設計時充分考慮了野外調(diào)查的實際情況和濕地水鳥群落特征。利用該系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理人員可以高效地錄入監(jiān)測數(shù)據(jù)和調(diào)查信息，實現(xiàn)復雜的檢索查詢，系統(tǒng)高效生成并展示單次監(jiān)測報告和年度調(diào)查簡報，提高了數(shù)據(jù)簡單統(tǒng)計的效率，保護區(qū)管理人員還能查詢?yōu)g覽不同時間范圍內(nèi)單個物種分布情況和數(shù)量信息的可視化展示。

1 總體結構設計

濕地自然保護區(qū)水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計采用B/S(瀏覽器/服務器)模式和C/S(客戶端/服務器)模式結合的包括數(shù)據(jù)層、中間層和應用層三層的分布式結構。數(shù)據(jù)層采用My SQL數(shù)據(jù)庫，是系統(tǒng)三層結構中的基礎和核心，數(shù)據(jù)庫存儲有關監(jiān)測記錄、物種和路線等信息。中間層為Web應用服務層，用于接受用戶發(fā)來的請求，從后臺數(shù)據(jù)庫反饋處理結果。應用層即表示層，B/S模式的表示層為瀏覽器，用戶可以通過瀏覽器瀏覽監(jiān)測報告，C/S模式的表示層通過Tableau Desktop實現(xiàn)，Tableau與數(shù)據(jù)庫連接充當前端可視化工具，用戶在篩選器選擇物種和監(jiān)測時間，查詢不同時間范圍內(nèi)單個物種分布情況和數(shù)量信息(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 system structure diagram

2 數(shù)據(jù)庫設計

本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的用戶定位為濕地自然保護區(qū)管理人員，系統(tǒng)用戶分為一般用戶和管理員用戶。一般用戶的權限主要為瀏覽和簡單查詢，可以瀏覽單次監(jiān)測報告、年度監(jiān)測簡報，查詢不同時間范圍內(nèi)單個物種分布情況和數(shù)量信息，管理員用戶可以更新、修改、刪除數(shù)據(jù)，在后臺用SQL語句靈活地執(zhí)行復雜的查詢。

數(shù)據(jù)庫設計確定數(shù)據(jù)庫模式，概念結構設計是數(shù)據(jù)庫設計的關鍵，它從用戶的觀點出發(fā)對系統(tǒng)建模，最終形成一個獨立于具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型。實體-聯(lián)系(E-R)數(shù)據(jù)模型提供了一種識別數(shù)據(jù)庫中表示的實體以及這些實體間如何關聯(lián)的方式(Silberschatz et al, 2021)。

濕地自然保護區(qū)水鳥監(jiān)測一般采用沿固定路線觀察、直接計數(shù)鳥類的方法開展。數(shù)據(jù)庫的實體包括監(jiān)測、物種和路線，實體間以記錄作為聯(lián)系(圖2)。

圖2 濕地自然保護區(qū)鳥類監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的實體-聯(lián)系圖Fig.2 Entity-relationship diagram of the bird monitoring database of the wetland nature reserve

監(jiān)測實體的屬性主要包括監(jiān)測日期、主要調(diào)查人、其他調(diào)查人、數(shù)據(jù)審核人、天氣和監(jiān)測備注等。監(jiān)測日期是監(jiān)測實體的主鍵。調(diào)查人發(fā)現(xiàn)、識別物種的能力和數(shù)量估計對監(jiān)測結果有影響，野外調(diào)查常為兩人及以上共同開展，在設計監(jiān)測實體時將主要調(diào)查人和其他調(diào)查人分兩個屬性記錄。如果在自然保護區(qū)開展常規(guī)水鳥監(jiān)測的頻次多，無法保證所有的監(jiān)測都在“理想”的情況下進行，可以在監(jiān)測備注記錄調(diào)查時遇到的異常，如因交通工具損壞、天氣突變等造成不能完成全部路線調(diào)查的情況，有助于后續(xù)數(shù)據(jù)匯總分析時處理異常值和分析原因。

路線實體的屬性主要包括監(jiān)測路線編號、監(jiān)測路線名、路線起點和終點的經(jīng)緯度、路線長度、生境類型和路線備注等。監(jiān)測路線編號是路線實體的主鍵，監(jiān)測路線應保持固定(上海市市場監(jiān)督管理局, 2019)。

物種實體的屬性主要包括物種編號、物種名、學名、目名、科名、IUCN保護等級(蔣志剛等, 2003)、國家陸生野生動物重點保護等級、居留型、是否為水鳥、水鳥的生態(tài)類群(陳家寬, 2003)、是否是中澳候鳥保護協(xié)定名錄中的候鳥、是否是中日候鳥保護協(xié)定名錄中的候鳥、首次發(fā)現(xiàn)時間、首次發(fā)現(xiàn)人和物種備注。物種名稱和分類以《中國鳥類分類與分布名錄(第三版)》(鄭光美, 2017)為準。物種編號是物種實體的主鍵，在野外調(diào)查時遇到無法鑒定到具體物種的鳥，以能鑒定到的最小分類單元記錄，如未識別鳥類、未識別雁鴨類、未識別銀鷗，也包含在物種實體中，以“未命名+野外能鑒定到的最小分類單元”表示，統(tǒng)計類群數(shù)量時，未鑒定到具體物種的記錄計算在內(nèi)，在統(tǒng)計物種數(shù)時不計算在內(nèi)。

記錄聯(lián)系的主要屬性包括記錄編號、物種名、數(shù)量、監(jiān)測日期、記錄時間、監(jiān)測路線名和記錄備注等。記錄聯(lián)系關聯(lián)了監(jiān)測、路線和物種實體，通過監(jiān)測日期與監(jiān)測實體關聯(lián)，通過監(jiān)測路線名與路線實體關聯(lián)，通過物種名與物種實體關聯(lián)。如果1次野外監(jiān)測在多日進行，為了便于統(tǒng)計管理，將監(jiān)測開始的日期記錄在監(jiān)測日期，監(jiān)測天數(shù)記錄在備注。記錄時間是記錄發(fā)生在1天內(nèi)的具體時間，潮位影響水鳥分布，利用監(jiān)測日期和記錄時間還可以查詢到調(diào)查時的潮位。許多鳥類調(diào)查記錄表設計記錄各式信息，如亞種、成幼、彩色標記、行為和與調(diào)查者的距離等，但在實際監(jiān)測中，這些信息只會偶爾記錄，故設計將這些內(nèi)容記錄在備注，或者為專項調(diào)查設計包含所需屬性的記錄聯(lián)系。

3 功能設計和初步實現(xiàn)

本系統(tǒng)的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)管理模塊和統(tǒng)計模塊。

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改、刪除和復雜查詢等功能，由管理員用戶完成。

My SQL數(shù)據(jù)庫基于關系模型，用表的集合表示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,實體—聯(lián)系模型定義的概念模式映射到關系模式。每次監(jiān)測結束后更新記錄表，并將調(diào)查人、天氣和監(jiān)測日期等作為一個元組更新監(jiān)測表?，F(xiàn)在已有能利用移動終端在野外記錄調(diào)查結果的網(wǎng)頁或應用，但本系統(tǒng)在設計時，為了盡量減少實地調(diào)查時做記錄花費的時間，推薦調(diào)查人按自己慣用的方法在野外做記錄，工作結束后再將記錄輸入記錄表，存儲為CSV格式后導入監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計時，將物種表“物種名”屬性作為記錄表“物種名”屬性的外鍵約束，因此在記錄表錄入一條記錄時，該條記錄的“物種名”必須已經(jīng)在物種表的“物種名”屬性中存在。如果在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)水鳥物種新記錄，受該外鍵約束無法錄入，此時需要將新記錄的物種作為一個元組新增到物種表。另外，通過該外鍵約束條件也能發(fā)現(xiàn)物種名錄入錯誤的情況。

3.2 統(tǒng)計分析模塊

瀏覽器/服務器模式的統(tǒng)計分析模塊對調(diào)查數(shù)據(jù)簡單統(tǒng)計，利用PHP與后臺數(shù)據(jù)鏈接(陳志方等, 2016)，展示單次監(jiān)測報告和年度監(jiān)測簡報?？蛻舳?服務器模式通過Tableau Desktop與數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)，用戶利用篩選器選擇物種和監(jiān)測時間，查詢不同時間范圍內(nèi)單個物種分布情況和數(shù)量信息的可視化展示。

3.2.1 單次監(jiān)測報告 一次鳥類監(jiān)測完成，數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫，用戶可以利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)查詢生成的單次監(jiān)測報告。報告的主要內(nèi)容包括監(jiān)測日期、監(jiān)測人員、記錄到的鳥類種類數(shù)及數(shù)量、水鳥種類數(shù)和數(shù)量，表格匯總各監(jiān)測路線記錄到的物種和數(shù)量(圖3)。

圖3 單次監(jiān)測報告示例Fig.3 Example of a single monitoring report

3.2.2 年度監(jiān)測簡報 年度監(jiān)測簡報匯總1年內(nèi)的鳥類監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括1年內(nèi)記錄到的鳥類種類、數(shù)量及時間動態(tài)、不同生態(tài)類群水鳥(雁鴨類、鸻鷸類、鷗科鳥類和鷺科鳥類)的數(shù)量及時間動態(tài)，圖表展示選用ECharts圖表庫(賈天琳, 2018)，還可以包括本年內(nèi)鳥類新記錄、重點保護和珍稀瀕危鳥類情況及鳥類名錄等(圖4)。

圖4 年度監(jiān)測簡報示例Fig.4 Example of briefannual monitoring report

3.2.3 物種記錄情況 Tableau Desktop數(shù)據(jù)可視化技術能用儀表盤同時展示有關單個物種監(jiān)測結果的幾個統(tǒng)計圖表。用戶可以通過篩選器選擇物種和監(jiān)測時間，查詢不同時間范圍內(nèi)單個物種分布情況和數(shù)量信息。統(tǒng)計圖包括每次調(diào)查記錄到所查詢物種的數(shù)量、物種分布圖、在各條監(jiān)測路線遇見的頻次等。物種分布圖上，圓形的面積示意監(jiān)測到的相對數(shù)量(圖5)。

圖5 可視化物種記錄情況示例Fig.5 Example of visualized species records

4 結語

本研究從濕地自然保護區(qū)管理的需要出發(fā)，設計的水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以提高工作人員錄入和統(tǒng)計水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)的效率，方便檢索監(jiān)測結果。本系統(tǒng)的設計和初建針對水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)，但也可作為利用My SQL數(shù)據(jù)庫和前端管理其他生物類群或環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)的參考。

本研究中的數(shù)據(jù)庫在設計時，實體和聯(lián)系的屬性只包括了在濕地自然保護區(qū)開展水鳥監(jiān)測時需常規(guī)記錄的內(nèi)容，如果要實現(xiàn)特定的調(diào)查目標，可以根據(jù)需要在數(shù)據(jù)庫中增加表或屬性，如：(1)添加彩色標記觀測表，屬性包括監(jiān)測日期、監(jiān)測路線、彩色標記類型(旗標、頸環(huán)和鼻環(huán)等)、顏色和編號等；(2)利用距離計算水鳥豐度時，可以在記錄實體增加“距離”屬性；(3)野外調(diào)查現(xiàn)場記錄的移動軌跡和拍攝的照片也可作為監(jiān)測實體的非格式內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的用戶定位為自然保護區(qū)管理人員，未來可以更新設計開放給包括公眾在內(nèi)的更多用戶，把數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為共享監(jiān)測信息的平臺。鳥類研究人員和觀鳥愛好者也可參考本設計，利用My SQL建立滿足自己需要的鳥類調(diào)查數(shù)據(jù)庫。