外来入侵物种的起源、分布、传播、入侵、扩散、预警、监测、风险评估、损失评估等是入侵生物学研究重要内容^[1]。这些入侵生物学的研究重点均与外来入侵物种在时间、空间上的分布密切相关，外来物种发生的时空分布是外来入侵物种调查和监测的核心要素，也是预警和风险评估的基础数据。国内外在入侵物种地理信息系统建设方面开展了较多的研究工作，在互联网上发布外来入侵物种分布的地理空间信息是一种越来越重要的服务^[2]。1997年世界自然保护联盟入侵物种专家组(ISSG)建立全球生物入侵数据库(Global Invasive Species Database，GISP)，主要收集全球对生态多样性构成威胁的外来入侵物种信息，包括名称、生态类群、描述、影响、地理分布、向新地点入侵的路径、本地扩散方式等^[3]。Chudamani Joshi等^[4]开发了一种利用遥感和地理信息系统结合来研究外来物种在主要生态系统中的空间分布的方法 。加拿大国家植物服务署建立了加拿大入侵植物数据库(IPCAN)，该数据库提供外来入侵植物的生物学、分布和控制等方面的信息，并可以通过GIS分析入侵与气候、环境和土地利用的相互关系^[5]。我国研究人员在外来入侵物种相关地理信息系统方面也开展了较多的研究与应用，如：李超等^[6]通过对危害情况的普查，应用地理信息系统对马铃薯甲虫在我国新疆北部地区的种群空间分布规律展开了研究 ；武汉市外来物种入侵风险预警网是基于Web GIS技术，建立武汉外来入侵物种监测、交流和研究的数据平台^[5]。这些研究将地理信息系统作为入侵生物发生数据可视化和分析评估的图形化工具，研究的对象多为区域性或是单一物种的风险评估、空间分布及发生预测。

本文以科技部基础调查专项“中国外来物种及其安全性考察”(2006FY111000)项目考察成果为基础，针对大量文献分析获得的入侵物种历史分布数据，以及项目野外调查采集的问卷、排查、普查等入侵生物空间分布数据在管理和可视化方面的具体需求，应用SOA架构下的WebGIS技术，构建中国外来入侵物种分布地理信息系统，以期为中国外来入侵物种调查与研究协作，提供入侵物种时间、空间分布数据的展示、分析和管理工具，为后续的外来入侵物种分布数据挖掘、空间公布、风险评估和防控预案提供基础数据支撑。

1 数据资源与技术方法 1.1 数据资源与数据库设计 1.1.1 入侵生物空间分布数据

科技部基础调查专项“中国外来入侵物种及其安全性考察2006FY111000”，通过数年在广东、福建、浙江、重庆和海南等5省市实地调查和文献分析获得了大量的入侵生物物种与分布情况的基础数据^[7]。数据类型主要有外来入侵物种基础数据、历史分布数据和野外调查数据三大类，基础数据包括：物种的分类编目数据、生物学描述、检疫方法、为害和防控方法等；外来入侵物种历史分布数据是以省份为基础单元进行统计，收集了外来入侵物种历史数据754条；调查数据主要来源于问卷、排查、普查、样地调查和样方调查等调查类型，每类调查数据均包含空间属性数据，如：经度、纬度、海拔、地址等。共收集65 901条外来入侵物种野外考察数据记录，涉及54种入侵动物、57种入侵微生物、124种入侵植物，各类型数据量见表 1。

1.1.2 基础地理信息数据

基础地理信息数据采用国家基础地理信息中心发布的基础数据包，包括：国、省界，地市级和县级行政界，首都和各级行政中心位置，主要河流、公路和铁路等数据。背景遥感图利用瓦片地图技术加快数据载入速度^[8]。

1.1.3 数据库设计与实体模型

外来入侵物种分布地理信息数据库主要包括：入侵物种编目表、入侵物种分布表、调查点信息表、物种问卷调查表、物种排查表、入侵植物普查表、入侵植物样方表、病害普查表、病害标准地调查表、节肢动物普查表、节肢动物标准地调查表、标本信息表、影像信息表等与入侵物种调查分布相关的数据表单；此外还包括：用户信息、角色权限等系统管理相关辅助表单。

外来物种编目信息是数据库的核心，系统通过物种编码(主键，primary key)来关联属性信息表与相关调查信息表。此外，调查地点编号(主键，primary key)也是所有调查信息重要数据关联点，用调查地点编号来关联所用与调查相关的信息内容如普查、排查、样方、样地、问卷等。综合分析所有信息来源与信息的相关性建立实体模型图，实体模型如图 1所示。

1.2 系统功能与技术方案设计 1.2.1 系统技术架构设计

系统采用基于面向服务的架构(Service-Oriented Architecture，SOA)的技术框架，将所有数据及地图访问功能定义为网络服务(Web Services)。服务器端架设WEB服务器、GIS服务器和数据库服务器。WEB服务器用于承载系统应用发布，其中包括各类数据及服务调用接口，系统采用B/S架构进行设计，采用Ajax+JSON进行数据传递^[9]。GIS服务器采用ArcGIS Server解决方案，通过ArcGIS Server REST API将ArcGIS Server提供的地图资源服务嵌入到Web应用中，以REST+JSON来实现与ArcGIS 网络服务(Mapping Services,Data Services,Analysis Services)的交互。系统涉及数据都遵循外来入侵物种信息数据采集规范的约定，关系数据库采用SQL Server 2008，空间数据库引擎ArcSDE作为中间件连接GIS应用程序和关系数据库系统，能够实现空间数据和属性数据统一存储和管理^[10]。系统技术架构如图 2所示。

1.2.2 地图服务设计

系统地图服务基于ArcGIS Server REST API的数据接口规范，根据系统地图服务及查询操作功能的需求，定义5类地图服务。用户通过浏览器与地图WEB服务进行交互，每种服务提供不同的地图数据服务功能。系统地图服务内容如表 2所示。

1.2.3 系统的主要功能设计

外来入侵物种分布地理信息系统，主要包括：系统管理、地图操作、外来入侵生物基础数据(历史分布数据、普查数据、排查数据、调查问卷数据)的管理、入侵生物分布数据查询四大个功能模块组成。每个功能模块下又有若干个子模块。系统主要功能结构如图 3所示。

2 系统实现

系统开发环境为Microsoft Visual Studio 2008，采用ASP.NET技术，编程语言为C#，完成系统开发，并通过互联网向授权用户提供调查数据录入、数据审核管理、入侵物种数据检索、入侵物种属性信息查询、入侵物种分布数据专题图绘制、地图操作浏览等功能。主要实现功能如下。

2.1 系统管理

系统管理功能主要为系统管理员对系统运行和维护提供工具，主要实现系统用户的增、删、改，用户的权限配置和数据备份管理。用户角色分为：管理员、数据录入员、行业专家、普通用户等，不同的用户具有不同的数据访问和操作权限。

2.2 地图操作

在地图上方的工具栏实现地图操作，其中包含了地图常用操作，如：放大、缩小、前后视图、平移等。在地图窗口的左侧设置了地图缩放轴，通过移动缩放轴的标尺可以设置地图的缩放级别，并支持鼠标滚轮进行地图缩放。

2.3 数据管理

数据管理主要分为数据录入和数据审核发布两大功能，数据录入为数据录入员提供数据添加、修改、删除、提交等功能，并支持Excel标准表格的数据导入。数据审核发布主要为行业专家用户提供数据审核、修改和发布等功能。

2.4 物种信息检索

为授权用户提供通过WEB页面进行入侵物种数据检索、入侵物种详细信息浏览、入侵物种分布专题图生成等功能。数据检索可以提供入侵物种分类地位、物种名称、调查时间等复合查询检索方式，并支持通过选择门、纲、目、科、属、物种名称直接枚举选择物种查询。查询结果显示特定入侵物种的历史地理分布、问卷、排查、普查等数据，数据查询结果以省域分布专题图、点状分布专题图等地图形式进行展示，并实现数据列表、详细信息浏览等功能。系统数据查询结果专题图、点状分布图和详细信息页面如图 4~6所示。

3 讨论与结论

近年来，随着面向服务架构(SOA)技术的成熟，互联网环境下GIS集成应用方式正逐步从系统集成模式向服务集成模式转变^[11]。本研究采用SOA架构进行系统设计，以WEB服务(Web service)的方式实现入侵物种属性数据与空间数据的应用服务集成，系统实现了数据采集、数据审核、基于地图的历史入侵数据查询与专题地图的生成等功能，基本满足了入侵物种调查协作的数据录入发布与数据查询展示的具体要求。此外，本研究结合SOA跨平台、松耦合、高拓展性等面向服务的特点，为系统在入侵物种监测预警协作的实际应用中整合不同来源的数据资源，拓展跨平台的数据应用打下良好的基础。本研究选择ArcGIS Server REST API这一轻量级的Web GIS解决方案，有效地降低开发技术门槛、减少开发成本，提升系统的安全性^[12]。在数据存储方面，系统利用空间数据引擎ArcSDE，将空间数据作为外来入侵生物数据库的一个空间数据子集与外来入侵物种属性数据存储在平台的统一的数据库中，提高了数据访问效率。

对于入侵生物预警、监测和防控体系而言，该研究仅完成了入侵生物分布数据管理、数据查询与数据可视化共享利用的基础性工作，对于入侵物种监测预警领域还有很多可拓展性工作可进一步深入，如：基于移动终端的入侵生物数据采集、入侵物种分布空间数据分析及入侵生物风险评估等方面，都有待于进一步的深入研究与开发。入侵物种监测是一项长期的基础性调查工作，需要应用现代信息与通讯技术在数据管理、数据传输、数据分析等方面的优势，为入侵物种的长期监测数据采集和管理提供更好的解决方案与实用的信息系统，最终为中国外来入侵生物预警防控提供信息技支撑和基于入侵生物大数据的决策参考。

该研究主要针对大量外来入侵物种协作调查数据管理、数据可视化、物种空间分布展示与数据共享利用等方面的需求，采用现代数据库技术、GIS技术和网络技术实现大量入侵物种查分布数据的存储、组织和管理，完成了外来入侵物种分布地理信息系统的构建。通过对多种类型的入侵生物分布调查信息的数字化，并在此基础之上实现了入侵物种调查数据录入、审核、检索、专题图绘制、地图操作浏览等功能。系统的开发为中国外来入侵物种大范围调查与研究协作提供了数据管理与共享利用的工具，并作为“中国外来入侵物种数据库”的应用子系统，实际应用于入侵物种野外协作调查实践中。