冼曉青,陳 宏,蔡圣準(zhǔn),謝 騫,劉萬(wàn)學(xué),張桂芬,趙 健*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所,福州 350003;3.福州大學(xué)數(shù)字中國(guó)研究院(福建),福州 350002)

我國(guó)是世界上遭受外來(lái)入侵物種危害和威脅最為嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。世界自然保護(hù)聯(lián)盟公布的“世界100種惡性外來(lái)入侵物種”中有46種在我國(guó)造成危害和威脅[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)農(nóng)田、城市、森林、草原、濕地和淡水生態(tài)系統(tǒng)的外來(lái)入侵物種已達(dá)680余種,這不僅對(duì)我國(guó)農(nóng)林生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也引起了入侵地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化與不可持續(xù)使用[1,3]。近20年來(lái),我國(guó)外來(lái)入侵物種整體呈現(xiàn)新發(fā)、突發(fā)、頻發(fā)的特點(diǎn),以平均每年5～6種的速度增加[4]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化與區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展,外來(lái)入侵物種跨境/跨區(qū)域的傳入和擴(kuò)散壓力增加,傳播與擴(kuò)散途徑/路徑復(fù)雜多樣化[5],新發(fā)突發(fā)疫情極易呈現(xiàn)局部暴發(fā)的態(tài)勢(shì)[6],這些都增加了外來(lái)入侵物種監(jiān)測(cè)預(yù)警與管控的難度。

潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種早期監(jiān)測(cè)預(yù)警是防控其擴(kuò)散成災(zāi)的前瞻性和主動(dòng)性舉措。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,構(gòu)建融合分子識(shí)別[7]、圖像識(shí)別[8]、光譜識(shí)別[9]、無(wú)人機(jī)[10]、物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)[11]等智能化、數(shù)字化技術(shù)的外來(lái)入侵物種預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái),已成為當(dāng)前和未來(lái)外來(lái)入侵物種防控的重要發(fā)展方向。針對(duì)入侵昆蟲的性誘集技術(shù),研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),通過(guò)對(duì)入侵昆蟲發(fā)生和危害的環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、發(fā)生地定位,管理者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)入侵昆蟲監(jiān)測(cè)區(qū)域的全面感知[12]。基于移動(dòng)定位的外來(lái)入侵物種的“云采集”系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了不同調(diào)查任務(wù)中物種發(fā)生與危害數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)程傳輸,管理者還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物種調(diào)查的全程跟蹤管理[13-14]。但是,上述各系統(tǒng)獨(dú)立存在,采集的數(shù)據(jù)也是單一、孤立的,缺乏有效的空間融合和信息匯聚,不能挖掘數(shù)據(jù)的潛在應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)集成與融合平臺(tái),實(shí)現(xiàn)外來(lái)入侵物種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效集成,可以很好地解決此問(wèn)題。基于互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種可視化系統(tǒng)可將各類來(lái)源的物種發(fā)生分布信息進(jìn)行融合與展示,發(fā)掘信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí),隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,3D GIS技術(shù)應(yīng)用也日趨成熟。3D GIS不僅可以真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)存在的客觀世界,還可以將空間的自然現(xiàn)象更加形象具體地呈現(xiàn)給用戶,而且對(duì)空間數(shù)據(jù)可以開展更加復(fù)雜的3D分析和操作。目前,3D GIS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)田環(huán)境模擬與監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)資源臺(tái)賬管理和農(nóng)村土地整治等領(lǐng)域[15-17]。因此,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景進(jìn)行融合和聯(lián)動(dòng),構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的可視化環(huán)境,既可以直觀了解潛在外來(lái)入侵物種的擴(kuò)散危害動(dòng)態(tài),又可以對(duì)新發(fā)外來(lái)入侵物種在國(guó)內(nèi)的擴(kuò)散危害動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理,從大區(qū)域甚至全球尺度上支撐外來(lái)入侵物種的預(yù)防與監(jiān)控工作。

本研究基于3D GIS技術(shù)構(gòu)建的潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有真實(shí)感強(qiáng)、可視域大、數(shù)據(jù)融合度高等特點(diǎn);可以瀏覽外來(lái)入侵物種世界范圍內(nèi)發(fā)生危害和擴(kuò)散歷史,海關(guān)截獲數(shù)據(jù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)顯示以及進(jìn)入國(guó)內(nèi)的擴(kuò)散危害動(dòng)態(tài),并可在真實(shí)環(huán)境場(chǎng)景上進(jìn)行空間分析;通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)外來(lái)入侵物種監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),在三維可視化場(chǎng)景中即可掌握外來(lái)入侵物種實(shí)時(shí)發(fā)生與危害情況?；谖锫?lián)網(wǎng)的潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理,降低了野外調(diào)查與監(jiān)測(cè)成本,提高了野外監(jiān)測(cè)的工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在架構(gòu)上分為:表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和硬件支撐層(圖1)。其中:表現(xiàn)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)三維可視化、數(shù)據(jù)檢索查詢、數(shù)據(jù)管理等具體功能的實(shí)現(xiàn)和人機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互;業(yè)務(wù)邏輯層是對(duì)三維空間可視化方法、入侵物種動(dòng)態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)模型、入侵物種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模型的模塊化抽象,對(duì)一些共性功能進(jìn)行有機(jī)整合,方便表現(xiàn)層調(diào)用;數(shù)據(jù)服務(wù)層承擔(dān)系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)的調(diào)用和反饋,是系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高效整合的關(guān)鍵;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層管理系統(tǒng)涉及的各類數(shù)據(jù);硬件支撐層保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行,除了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)所需的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等必要硬件之外,移動(dòng)智能調(diào)查終端、物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備等作為物種監(jiān)測(cè)中重要的數(shù)據(jù)采集終端,在系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行中也發(fā)揮著不可替代的作用。制定的潛在和新發(fā)入侵物種信息標(biāo)準(zhǔn)化體系保證了系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的規(guī)范,系統(tǒng)管理運(yùn)維和安全保障體系為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供支撐。

圖1 潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The framework of 3D visual system for early-warning and monitoring potentially and newly invasive alien species

潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)流程包括:預(yù)警監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)資源建設(shè)、數(shù)據(jù)融合與分析和數(shù)據(jù)成果應(yīng)用3個(gè)階段(圖2)。在預(yù)警監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)資源建設(shè)階段,潛在和新發(fā)物種的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)依靠安裝在固定位點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)采集、識(shí)別遷飛性入侵昆蟲數(shù)據(jù),并通過(guò)分析模型實(shí)時(shí)判斷其是否形成危害,從而構(gòu)筑潛在入侵物種阻截帶。針對(duì)廣域大范圍的潛在和新發(fā)入侵物種分布信息的采集,則采用智能移動(dòng)終端開展普查,借助終端設(shè)備具有的空間定位、拍照、標(biāo)簽識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)裙δ?極大地提高了普查的工作效率。入侵物種本底數(shù)據(jù)的收集整理是對(duì)文獻(xiàn)資料、圖片、歷史調(diào)查數(shù)據(jù)和跨部門提供的入侵物種信息進(jìn)行高效整合,提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的豐度和實(shí)用性。在數(shù)據(jù)融合與分析階段,根據(jù)潛在和新發(fā)入侵物種信息標(biāo)準(zhǔn)對(duì)來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)智能調(diào)查終端等多種來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,形成潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種數(shù)據(jù)資源集合,然后按照不同的監(jiān)測(cè)需求,運(yùn)用分析模型實(shí)現(xiàn)潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種的預(yù)警監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)成果應(yīng)用是基于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),借助三維可視化平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)分析成果進(jìn)行三維空間可視化展示、時(shí)空可視化展示等人機(jī)交互輸出,并將其運(yùn)用于入侵物種防控和科學(xué)研究等工作。

1.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化與結(jié)構(gòu)模型

由于潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)包括混合型數(shù)據(jù)和離散性數(shù)據(jù),制定信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化管理是保證數(shù)據(jù)融合效率和模型分析精度的重要基礎(chǔ)。為此,本文制定了5類19種信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,涵蓋物種基礎(chǔ)信息、物種調(diào)查監(jiān)測(cè)信息、口岸截獲信息、地理本底信息、文件存儲(chǔ)信息,滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合和分析的需要。

面對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以物種為主線,在所有涉及物種信息的表單中,通過(guò)統(tǒng)一編碼的物種ID(物種唯一識(shí)別碼)實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)(圖3),以提高數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用率。

1.3 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)潛在和新發(fā)外來(lái)入侵生物預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用需求,系統(tǒng)功能分為:物種信息模塊、物種分布模塊、調(diào)查監(jiān)測(cè)模塊、檢測(cè)監(jiān)測(cè)模塊、口岸截獲模塊、地圖功能模塊和輔助功能模塊。每個(gè)模塊下又分為多個(gè)2級(jí)子模塊,各模塊之間遵循數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,系統(tǒng)功能框架如圖4所示。

圖3 潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型及關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.3 The main data structure model and their relationships of 3D visual early-warning and monitoring system for potentially and newly invasive alien species

系統(tǒng)各模塊功能設(shè)定：

物種信息模塊:實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)潛在和新發(fā)入侵物種信息管理和查詢,物種信息包括:物種基礎(chǔ)信息、文獻(xiàn)信息、圖片等。

物種分布模塊:通過(guò)數(shù)據(jù)檢索在三維空間場(chǎng)景中展示物種的分布狀況,包括:物種國(guó)外分布、國(guó)內(nèi)分布和發(fā)生點(diǎn)分布,通過(guò)時(shí)間軸展現(xiàn)物種在不同歷史時(shí)期的空間分布。

調(diào)查監(jiān)測(cè)模塊:實(shí)現(xiàn)潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種調(diào)查數(shù)據(jù)管理,在三維空間場(chǎng)景中展現(xiàn)調(diào)查點(diǎn)的空間分布,通過(guò)篩選條件可統(tǒng)計(jì)在不同空間尺度下調(diào)查點(diǎn)的數(shù)量。

檢測(cè)監(jiān)測(cè)模塊:通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在入侵物種的預(yù)警分析和擴(kuò)散監(jiān)測(cè),以及在三維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)展示。

口岸截獲模塊:對(duì)口岸截獲數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、統(tǒng)計(jì)和分析,運(yùn)用空間可視化技術(shù)展現(xiàn)口岸截獲入侵物種的遷移路徑。

地圖功能模塊:作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示的基礎(chǔ)框架,集成應(yīng)用三維空間渲染引擎、在線地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表渲染等技術(shù),為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)三維可視化、時(shí)空可視化和統(tǒng)計(jì)分析提供支撐。

輔助功能模塊:實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶管理、權(quán)限管理和日志管理等基礎(chǔ)運(yùn)維功能。

圖4 潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊Fig.4 The functional units of 3D visual system for early-warning and monitoring potentially and newly invasive alien species

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Cesium三維引擎開發(fā)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的三維可視化采用Cesium三維引擎技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。Cesium通過(guò)WebGL技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維場(chǎng)景顯示和渲染,基于JavaScript前端技術(shù),無(wú)需安裝插件即可完成高性能、高精度、高視覺(jué)質(zhì)量和極易用的全球三維影像和地圖展示[18-19]。Cesium提供對(duì)多種二維、三維空間內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)的可視化支持,以及各類國(guó)際OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WMTS等地圖服務(wù),滿足物種發(fā)生點(diǎn)、發(fā)生覆蓋面、遷移擴(kuò)散路徑等不同類型數(shù)據(jù)應(yīng)用的時(shí)空可視化需要,以及讓系統(tǒng)能夠集成豐富的地理本底數(shù)據(jù),如:遙感背景、行政區(qū)劃、地表覆蓋等,方便用戶直觀了解物種所處的環(huán)境狀況。此外,Cesium支持基于時(shí)間長(zhǎng)度軸的二維幾何體或三維圖形模型的動(dòng)態(tài)可視化,包括基于顏色、形狀、路徑等方面的線性變化,為入侵物種遷移擴(kuò)散空間數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)融合展示提供了技術(shù)解決方案。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合

潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源于野外調(diào)查、物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、口岸等跨部門間的數(shù)據(jù)交換、歷史調(diào)查數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料等多種途徑;數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)流、文本、圖片;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集成的重要任務(wù)就是對(duì)這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效融合。在數(shù)據(jù)融合前需要對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗,數(shù)據(jù)清洗遵循潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包括數(shù)據(jù)一致性檢查、無(wú)效值和缺失值處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合以物種對(duì)象為主線,分為3個(gè)層級(jí)的融合:第1層級(jí)是對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間等不同維度屬性之間的區(qū)分和追蹤;第2層級(jí)針對(duì)物種分布、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布等特定的數(shù)據(jù)應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行分析,抽取滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)集合;第3層級(jí)是根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求,通過(guò)分析模型對(duì)物種入侵潛在風(fēng)險(xiǎn)、入侵預(yù)警進(jìn)行評(píng)估決策。

2.3 數(shù)據(jù)三維時(shí)空可視化

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的三維時(shí)空可視化是基于Cesium三維引擎技術(shù)架構(gòu)。由于入侵物種發(fā)生分布及擴(kuò)散具有空間變化和時(shí)間變化的特征,因此系統(tǒng)入侵物種數(shù)據(jù)的三維時(shí)空可視化分為:空間可視化和時(shí)間可視化?？臻g可視化涉及物種、調(diào)查點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、口岸、遷移擴(kuò)散路徑等對(duì)象在空間位置上的點(diǎn)狀要素、線狀要素和面狀要素的展示。點(diǎn)狀要素與面狀要素選擇與數(shù)據(jù)主題貼切的圖標(biāo)及配色,力求直觀地表達(dá)數(shù)據(jù)分析成果。對(duì)于海量數(shù)據(jù),根據(jù)三維場(chǎng)景的視角,系統(tǒng)采用聚類算法對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)狀要素進(jìn)行聚合,提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)渲染效率。在用線狀要素表達(dá)物種遷移擴(kuò)散的路徑時(shí),系統(tǒng)在線狀要素上疊加了動(dòng)畫效果,使得物種遷移擴(kuò)散過(guò)程的模擬更加形象生動(dòng)。時(shí)間可視化是對(duì)具有時(shí)間序列屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,它可以與空間可視化進(jìn)行疊加,從而反映物種在時(shí)間和空間4維尺度上的變化情況。系統(tǒng)時(shí)間可視化采用Cesium的Clock控件,可根據(jù)設(shè)定的閾值對(duì)不同歷史時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動(dòng)播放,也可以通過(guò)人機(jī)交互的方式進(jìn)行手動(dòng)切換。

3 數(shù)據(jù)資源建設(shè)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)及部署環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)采用的技術(shù)及運(yùn)維所需的部署環(huán)境如表1所列。

表1 潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種三維可視化預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與部署環(huán)境Table 1 The development technology and development environment of 3D visual early-warning and monitoring system for potentially and newly invasive alien species

3.2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源建設(shè)中,根據(jù)存儲(chǔ)類型將數(shù)據(jù)分為:關(guān)系型數(shù)據(jù)和文件型數(shù)據(jù)。關(guān)系型數(shù)據(jù)遵循潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種信息規(guī)范和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。文件型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在運(yùn)維服務(wù)器的磁盤陣列中,根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯采用樹形結(jié)構(gòu)的分層文件夾進(jìn)行管理。在關(guān)系型數(shù)據(jù)中設(shè)置專門字段記錄與其關(guān)聯(lián)的文件存儲(chǔ)位置,方便系統(tǒng)功能模塊的調(diào)用。數(shù)據(jù)資源建設(shè)主要通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)接口、數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入、逐條輸入等方式,其中,調(diào)查數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞;跨部門數(shù)據(jù)交換基于規(guī)范的數(shù)據(jù)模板采用批量導(dǎo)入的方式;對(duì)于小量的數(shù)據(jù)添加則通過(guò)系統(tǒng)功能界面的數(shù)據(jù)添加功能逐條輸入。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主頁(yè)面采用簡(jiǎn)潔的三段式布局風(fēng)格,頁(yè)眉設(shè)置系統(tǒng)標(biāo)識(shí)、主要功能模塊引導(dǎo)欄、用戶信息(圖5)。主頁(yè)中間的三維可視化區(qū)域采用地球視角,在主頁(yè)的左側(cè)設(shè)置放大、縮小、平移等地圖操作按鈕、查詢輸入欄和查詢結(jié)果;右側(cè)設(shè)置地圖圖層控制按鈕和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表。頁(yè)尾設(shè)置時(shí)間軸和系統(tǒng)狀態(tài)信息欄。物種查詢功能支持物種的拉丁學(xué)名或中文名稱的模糊查詢。顯示與查詢關(guān)鍵詞相關(guān)的物種類別,點(diǎn)擊某個(gè)物種,顯示物種基本信息,包括物種中文名稱、拉丁學(xué)名、分類地位。

在物種分布功能中,物種世界分布查詢是以國(guó)家為單位,按照首次發(fā)生年進(jìn)行歷史動(dòng)態(tài)展示,同時(shí)在頁(yè)面右側(cè)統(tǒng)計(jì)分析每年新增的國(guó)家數(shù)量,形成柱狀圖;物種國(guó)內(nèi)分布查詢是以省份為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)展示;物種發(fā)生點(diǎn)分布是在三維地球中展示物種在全球發(fā)生位點(diǎn)。如圖6至圖7以番茄潛葉蛾Tutaabsoluta(又名Phthorimaeaabsoluta)為例展示了物種的發(fā)生分布情況。

檢測(cè)監(jiān)測(cè)功能包含:預(yù)警監(jiān)測(cè)和擴(kuò)散監(jiān)測(cè)。預(yù)警監(jiān)測(cè)主要針對(duì)潛在外來(lái)入侵物種,在外來(lái)物種還沒(méi)有傳入國(guó)內(nèi)時(shí),為了實(shí)現(xiàn)物種的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防,對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)性潛在外來(lái)入侵物種在國(guó)內(nèi)可能發(fā)現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)通過(guò)部署物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備,開展預(yù)防性監(jiān)測(cè),系統(tǒng)以點(diǎn)狀要素展現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及監(jiān)測(cè)情況。擴(kuò)散監(jiān)測(cè)主要針對(duì)新發(fā)外來(lái)入侵物種,在外來(lái)物種傳入國(guó)內(nèi)后,通過(guò)終端設(shè)備組織人員開展調(diào)查,追蹤外來(lái)入侵物種的擴(kuò)散和危害動(dòng)態(tài),為外來(lái)入侵物種的阻截區(qū)建設(shè)和早期預(yù)警防控提供依據(jù)。檢測(cè)監(jiān)測(cè)功能效果以番茄潛葉蛾為例(圖8)。

口岸截獲模塊的數(shù)據(jù)展示方式為不同年份我國(guó)口岸截獲總批次的動(dòng)態(tài)變化點(diǎn)圖和不同年份不同來(lái)源國(guó)的截獲總批次數(shù)量柱狀圖。用戶可以根據(jù)截獲年份進(jìn)行查詢。同時(shí),系統(tǒng)以年份為時(shí)間軸,展現(xiàn)不同來(lái)源國(guó)在不同口岸截獲批次的年度變化,從而直觀地展示潛在外來(lái)入侵物種的主要來(lái)源國(guó)家或地區(qū),以及在我國(guó)截獲批次多的進(jìn)境口岸地理分布。以地中海實(shí)蠅Ceratitiscapitata為例,口岸截獲功能如圖9所示。

圖5 物種查詢結(jié)果顯示界面Fig.5 The display interface of invasive alien species query results

圖6 番茄潛葉蛾國(guó)外分布地點(diǎn)圖Fig.6 The distribution points of Tuta absoluta in the foreign countries

圖7 2017年-2020年番茄潛葉蛾在我國(guó)擴(kuò)散地理分布Fig.7 The dispersal distribution points of Tuta absoluta from 2017 to 2020 in China

圖8 番茄潛葉蛾入侵我國(guó)后的擴(kuò)散動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖Fig.8 The distribution points of dispersal dynamic monitoring of Tuta absoluta after invading China

圖9 地中海實(shí)蠅海關(guān)截獲數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示截圖Fig.9 The dynamics display of customs interception records of Ceratitis capitata in China

4 討論

針對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在潛在和新發(fā)入侵物種預(yù)警監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)可視化的問(wèn)題,本文從數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)三維可視化和數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面提出了具體的解決方案,開展數(shù)據(jù)資源建設(shè),運(yùn)用Cesium 3D GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)研發(fā)了潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種預(yù)警監(jiān)測(cè)三維可視化系統(tǒng),并應(yīng)用于地中海實(shí)蠅和番茄潛葉蛾的預(yù)警監(jiān)測(cè)工作。系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合共享,并對(duì)物種基本生物學(xué)和生態(tài)學(xué)信息、國(guó)內(nèi)外歷史擴(kuò)散動(dòng)態(tài)和監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)分布,以及海關(guān)截獲數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空可視化展示;同時(shí)在一定程度上提高了物種調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)的早期預(yù)警效率,促進(jìn)了外來(lái)入侵物種相關(guān)管理和科研人員全面掌握物種在世界范圍內(nèi)發(fā)生、危害與擴(kuò)散動(dòng)態(tài)以及海關(guān)截獲情況,這為準(zhǔn)確發(fā)布外來(lái)入侵物種早期預(yù)警信息,明確重點(diǎn)預(yù)防與控制管理區(qū)域提供了數(shù)據(jù)可視化決策載體。

與國(guó)際應(yīng)用生物科學(xué)中心(CABI)的Invasive Species Compendium、歐洲和地中海植物保護(hù)組織(EPPO)的EPPO Global Database、全球入侵物種數(shù)據(jù)庫(kù)Global Invasive Species Database、中國(guó)國(guó)家有害生物檢疫信息系統(tǒng)、中國(guó)外來(lái)入侵物種數(shù)據(jù)庫(kù)等國(guó)內(nèi)外成熟的外來(lái)入侵物種數(shù)據(jù)庫(kù)相比,潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種預(yù)警監(jiān)測(cè)三維可視化系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)和信息化調(diào)查等多源數(shù)據(jù)的融合,而且在物種分布三維可視化方面進(jìn)行了探討[20]。系統(tǒng)運(yùn)用3D GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)在三維空間框架中的外來(lái)入侵物種空間分布的展示,3D GIS比二維平面地圖具有更加豐富的時(shí)空視角和數(shù)據(jù)展示維度,配合地形、遙感等數(shù)據(jù)可以為系統(tǒng)用戶提供更加豐富的數(shù)據(jù)可視化效果,以及高度、可視域、日照等復(fù)雜空間分析功能。但是,系統(tǒng)在潛在和新發(fā)外來(lái)入侵物種資源、系統(tǒng)開發(fā)性等方面需要進(jìn)一步完善。同時(shí),研究中物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是基于性誘集技術(shù)的昆蟲,而針對(duì)病原物和雜草的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)尚待開發(fā)。此外,系統(tǒng)中還缺乏基于遠(yuǎn)程智能預(yù)警信息發(fā)布精確指導(dǎo)物種綜合防控的知識(shí)服務(wù)功能,即系統(tǒng)能自動(dòng)地將早期監(jiān)測(cè)預(yù)警可視化信息通過(guò)手機(jī)短信、微信等平臺(tái)推送給農(nóng)資經(jīng)銷商,在實(shí)現(xiàn)減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的同時(shí),能有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境,從而獲得最大程度的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。這也是將來(lái)系統(tǒng)可拓展的功能之一。