基于物聯(lián)網(wǎng)的廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源庫(kù)信息平臺(tái)構(gòu)建

韋 維，梁星星，何應(yīng)會(huì)，蒙 芳，楊麗萍，劉曉蔚，陳健武，李軍集

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西特色經(jīng)濟(jì)林培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西油茶良種與栽培工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和日益普及，視頻監(jiān)控、定位，傳感器和電子標(biāo)簽等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)已融入多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)生產(chǎn)與生活實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、高效化和智能化[1]。林木種質(zhì)資源是林木育種和改良的基礎(chǔ)，也是國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源[2]。廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院于2017年開(kāi)始構(gòu)建廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源庫(kù)，已收集我國(guó)華南地區(qū)100多個(gè)樹(shù)種原生林木種質(zhì)資源以及國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的種質(zhì)資源，現(xiàn)保存了大量?jī)?yōu)良家系、優(yōu)良無(wú)性系、特異種質(zhì)和優(yōu)良單株。為提高種質(zhì)資源庫(kù)的種質(zhì)保存與創(chuàng)新能力，廣西林科院應(yīng)用傳感器、二維碼、視頻監(jiān)控、移動(dòng)互聯(lián)及自動(dòng)控制技術(shù)等構(gòu)建廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源設(shè)施保存庫(kù)立體傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)接智能信息管理平臺(tái)，對(duì)種質(zhì)資源庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)資源信息的高效管理，對(duì)廣西林木種質(zhì)資源有效保存和開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

1 建設(shè)原則

廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源庫(kù)樹(shù)種保存多，數(shù)據(jù)信息量大，且不同環(huán)境條件對(duì)種質(zhì)資源的保存情況和評(píng)價(jià)利用有影響。由于種質(zhì)資源數(shù)據(jù)管理具有特殊性，廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源庫(kù)信息平臺(tái)遵循易用性、規(guī)范性、可靠性和擴(kuò)展性等原則[3]，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，采用可視化界面管理，數(shù)據(jù)安全可靠且可追溯，并具備擴(kuò)展開(kāi)發(fā)的能力[2]。

2 總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

林木種質(zhì)資源庫(kù)信息平臺(tái)集成林木種質(zhì)資源庫(kù)管理系統(tǒng)、生態(tài)因子管理系統(tǒng)、二維碼標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，構(gòu)建設(shè)施保存庫(kù)立體傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種質(zhì)保存環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和對(duì)資源引種、種質(zhì)資源保存、環(huán)境因子和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化管理。

平臺(tái)總體架構(gòu)包括5個(gè)層次，2個(gè)體系。感知層由傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，該層基于傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)等對(duì)林業(yè)主體、客體及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、識(shí)別與監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)層保存感知層的傳輸數(shù)據(jù)，為平臺(tái)提供重要數(shù)據(jù)支撐；支撐層提供對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)；應(yīng)用系統(tǒng)層集成各類管理系統(tǒng)，為各類業(yè)務(wù)提供一體化的管理服務(wù)；展示層通過(guò)WEB 和移動(dòng)終端向用戶展示整個(gè)平臺(tái)[2-7]（圖1）。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Platform architecture design

3 主要功能設(shè)計(jì)

3.1 感知層功能設(shè)計(jì)

感知層運(yùn)用環(huán)境因子傳感器、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星定位、紅外感應(yīng)裝置和二維碼對(duì)資源庫(kù)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，對(duì)進(jìn)出人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)進(jìn)出車輛車牌進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，精準(zhǔn)定位保存種質(zhì)。

3.2 數(shù)據(jù)層功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)層由地理、氣象、土壤、視頻、引種和種質(zhì)資源庫(kù)等基礎(chǔ)庫(kù)、業(yè)務(wù)庫(kù)和三維模型庫(kù)及數(shù)據(jù)管理體系構(gòu)成，為平臺(tái)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

3.3 支撐層功能設(shè)計(jì)

支撐層負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的信息加工、數(shù)據(jù)處理、數(shù)表分析和通訊服務(wù)等，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)、GIS 通用服務(wù)、資源目錄服務(wù)、信息檢索服務(wù)、遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)、視頻監(jiān)測(cè)服務(wù)、實(shí)時(shí)通訊服務(wù)和安全認(rèn)證服務(wù)等。

3.4 應(yīng)用層功能設(shè)計(jì)

3.4.1 種質(zhì)資源管理

參 考LY/T 2192-2013[8]、LY/T 2417-2015[9]，將引種數(shù)據(jù)分為護(hù)照信息、分類檢索信息、基本描述信息、其他描述信息、保存單位信息和共享信息6大類，并在此基礎(chǔ)上細(xì)分管理。根據(jù)林木種質(zhì)資源調(diào)查方法[10]和各樹(shù)種性狀調(diào)查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，管理和更新種質(zhì)資源庫(kù)保存的每份種質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、管理措施、生長(zhǎng)性狀和經(jīng)濟(jì)性狀等數(shù)據(jù)（表1）。功能設(shè)置、種質(zhì)資源生長(zhǎng)性狀與經(jīng)濟(jì)性狀等指標(biāo)可根據(jù)需求單獨(dú)設(shè)置。

表1 種質(zhì)資源庫(kù)的數(shù)據(jù)分類Tab.1 Data classification of germplasm resource bank

3.4.2 生態(tài)因子數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

利用種質(zhì)資源庫(kù)部署的溫度、濕度、光照、風(fēng)力、風(fēng)向和降雨量等傳感器，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)生態(tài)因子進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并傳輸數(shù)據(jù)。

3.4.3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

在種質(zhì)資源庫(kù)部署高清攝像頭和紅外感應(yīng)裝置，對(duì)種質(zhì)資源保存庫(kù)進(jìn)出車輛、人員和保存狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控（表2）。

表2 監(jiān)控設(shè)備功能Tab.2 Function of monitoring equipments

3.4.4 種質(zhì)溯源

采用二維碼技術(shù)對(duì)原地保存與資源庫(kù)保存的每份種質(zhì)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)掃碼鏈接至平臺(tái)。

4 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)基于多層面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）、領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及便于測(cè)試和擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，采用自主研發(fā)的WebGIS 平臺(tái)，可支持二、三維GIS 一體化。數(shù)據(jù)庫(kù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)分離庫(kù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用MYSQL Community Server（開(kāi)源），空間數(shù)據(jù)庫(kù)為PostGIS（遵循OpenGIS 規(guī)范）；服務(wù)端通過(guò)面向?qū)ο蟮腏AVA 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)功能，搭建多層次的系統(tǒng)架構(gòu)；前端應(yīng)用新一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)HT?ML5 及交互的圖型化技術(shù)Unity3D 展現(xiàn)。視頻數(shù)據(jù)傳輸基于RTMP 協(xié)議，氣象站數(shù)據(jù)傳輸基于RS-485總線。

4.2 平臺(tái)構(gòu)成

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在平臺(tái)構(gòu)建種質(zhì)資源管理系統(tǒng)、生態(tài)因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、二維碼追溯系統(tǒng)、動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)和移動(dòng)APP，以實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源庫(kù)的智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)來(lái)源的追溯和精準(zhǔn)管理（圖2）。

圖2 平臺(tái)主界面Fig.2 Main interface of platform

4.2.1 生態(tài)因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)實(shí)時(shí)傳輸回管理系統(tǒng)的溫度、濕度、光照、風(fēng)力、風(fēng)向、降水量、土壤濕度和負(fù)離子含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)展示或按照一定周期（周、月、年）匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 生態(tài)因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Monitoring system of ecological factors

4.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

利用視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種質(zhì)資源庫(kù)車輛、人員進(jìn)出情況以及資源保存庫(kù)狀況，觀測(cè)重點(diǎn)植株，對(duì)接生態(tài)因子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有效提高種質(zhì)資源庫(kù)監(jiān)管、災(zāi)害監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)能力（圖4）。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)Fig.4 Remote monitoring system

4.2.3 種質(zhì)資源管理系統(tǒng)

研發(fā)了物種管理、庫(kù)區(qū)管理、生產(chǎn)管理、采集登記、保存登記、調(diào)查數(shù)據(jù)管理、測(cè)定評(píng)價(jià)和調(diào)查指標(biāo)分類等功能，實(shí)現(xiàn)林木種質(zhì)資源引種數(shù)據(jù)和種質(zhì)資源庫(kù)的動(dòng)態(tài)更新和統(tǒng)計(jì)（圖5）。廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源保存庫(kù)建庫(kù)面積為533.3 hm2，共收集熱帶和亞熱帶速生樹(shù)種、珍貴樹(shù)種、經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種、觀賞樹(shù)種以及竹藤5 大類100 多個(gè)樹(shù)種5 463 份種質(zhì)，其中物種126份、種源161份、家系3 178份、無(wú)性系1 897份和品種229份，該系統(tǒng)可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理。

圖5 種質(zhì)資源庫(kù)管理系統(tǒng)Fig.5 Management system of germplasm resource bank

4.2.4 二維碼追溯系統(tǒng)

二維碼可對(duì)接種質(zhì)資源管理系統(tǒng)，對(duì)植株進(jìn)行標(biāo)識(shí)后，通過(guò)“林木種質(zhì)資源管理系統(tǒng)”APP 掃碼實(shí)現(xiàn)對(duì)種質(zhì)資源庫(kù)保存植株來(lái)源的追溯（圖6）。

圖6 二維碼追溯Fig.6 QR code

4.2.5 移動(dòng)管理系統(tǒng)

移動(dòng)管理系統(tǒng)是本平臺(tái)的移動(dòng)管理端，集成了種質(zhì)資源管理系統(tǒng)的主要功能、調(diào)查軌跡記錄和測(cè)量功能等，可在野外調(diào)查時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、記錄和修訂（圖7）。

圖7 種質(zhì)資源庫(kù)移動(dòng)管理系統(tǒng)Fig.7 Mobile management system of germplasm resource bank

4.2.6 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

可根據(jù)用戶需要，設(shè)置多因素對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成相關(guān)報(bào)告。

5 討論

隨著林木種質(zhì)資源種類和數(shù)量的增加，傳統(tǒng)種質(zhì)資源管理的局限性越發(fā)突出。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，推動(dòng)著基因資源的高效管理。通過(guò)實(shí)踐，基于物聯(lián)網(wǎng)的廣西國(guó)家林木種質(zhì)資源庫(kù)可實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理、環(huán)境因子數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、種質(zhì)資源庫(kù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可準(zhǔn)確、快捷地生成各類統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，對(duì)種質(zhì)資源的保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用起到很好的支撐作用。下一步可集成種質(zhì)資源共享平臺(tái)和造林管理系統(tǒng)，推動(dòng)種質(zhì)資源的交流與交換，加快優(yōu)質(zhì)林木種質(zhì)資源的創(chuàng)新與利用。