数字化动物园的探索与研究

　　【摘要】本文通过对数字化动物园的阐述，介绍了数字化动物园的基本建设体系，并详细总结出其基本构架和基础，及所应探索和研究的内容及方向，并以北京动物园的研究和技术集成为示范，强调数字化动物园建设的紧迫性和重要性。
　　【关键词】数字化动物园，建设体系
　　
　　1前言
　　动物园是通过人工模拟区域自然环境和种群结构，来实现生物多样性的保育、科普教育、资源储存和开发利用的基地，它主要以动物学、生态学和园林园艺学支撑。随着时代的发展，这些传统学科将继续发挥重要的作用，而新兴的科学和技术，特别是信息科学将为动物园的可持续发展发挥重要作用。随着计算机和互联网技术的飞速发展，以及ＩＴ技术在生命科学领域的广泛运用，世界各大单位也纷纷加强了信息化进程。发达国家著名的动物园均积极采用最新信息技术实现动物记录与监测管理计算机化；采用环境调控技术实现展馆环境自动化控制，满足模拟多种生态环境的要求；采用动物学、生态学和园林园艺学等多种手段，研究、保护和利用动物遗传多样性。
　　
　　2数字化动物园的含义
　　数字化动物园作为一个新的概念，尚无明确的定义，参照国内外对数字地球、数字农业等相关定义，并考虑到动物园的特点，数字化动物园应包括以下几个内容：对动物园的各个方面的各种要素与过程全面实现数字化；在动物园的各个部门全面地实施数字化和网络化管理。
　　数字化动物园的主要特征包括：信息资源得到充分的应用；基础设施装备高度智能化；动物保育操作技术自动化；动物园经营管理信息网络化；数字、信息和知识链条化；资源环境的信息监测、评价和决策系统化；动物生长过程的数字化；动物展览设计智能化。动物数字化表达与虚拟、生物信息学、精确农业技术、智能化专家系统、智能机械和设备等为基本手段，从不同层次、不同方面和不同技术内容实现对动物园全过程的数字化表达、控制和管理。
　　
　　3数字化动物园的建设体系结构
　　3.1数字化动物园的建设体系结构
　　建设数字化动物园是一个复杂的系统工程，主要由基础层、技术层、数据层和系统层4个部分组成。基础层是基础和前提，包括建设数字化动物园的各种标准与规范、软硬件条件、网络环境和基础设施等，尤其是信息采集、处理与监控标准化平台；技术层是支撑条件，包括3S技术、计算机技术、网络技术、智能技术和可视化技术等，其中3S技术是核心技术；数据层是核心内容，主要是相关数据库存、多维空间数据仓库和空间数据的无缝连接等内容；应用层主要面向不同用户群的需求提供业务服务，例如虚拟环境以及辅助决策支持系统和物种保护过程机械智能化等。
　　
　　3.2数字化动物园的信息技术体系
　　数字化动物园的信息技术体系包括动物园信息管理、地理信息监测、动物管理、智能动物保育和动物园信息服务。
　　信息的采集、处理、存储和管理是信息化的基础，动物园会积累大量种群谱系资源数据库、科学研究数据库、科普教育数据库、资源利用数据库和日常管理数据库等，要求建立一个专门的、共享式的动物园信息管理平台。
　　
　　3.3数字化动物园的基础——虚拟动物标本馆
　　自20世纪60年代就有基于动物生理生态过程的模拟动物生长研究，随着信息技术的发展，可视化仿真为动物生长研究提供了一种直观、迅速的科学研究方法，它可通过图形方式更有效地观察与分析动物生长中的结构与功能、生长发育、进化和分布等规律。因此，虚拟动物开始用于数字化动物园研究中。虚拟动物就是以当物体为研究对象，通过构造一个简单但是能够反映物理世界中真实动物的数学抽象描述模型，模拟被研究对象的发生、发展过程，为解释现象、揭示机理、发现规律和预测结果提供有用工具。
　　按建模方法和目的不同可将虚拟动物模型分为两类：静态模型和动态模型。静态模型是应用三维数字化方法等测定动物的形态结构数据后，直接应用这些数据建立虚拟动物模型。动态模型是基于对动物生长过程中拓扑结构演变和几何形态变化规律的研究，提取动物的生长规则而建立的模型。
　　虚拟动物的研究方法包括：对不同生长条件、不同发育阶段的动物进行定性观察，判别其生长模式，确定描述其形态结构的总体框架；定量化测定动物的拓扑结构、几何特性和机械性质等，通过数理统计和模式识别等方法，由测定数据提取动物身理生化规律；模型依据生长规律模拟植物生长，应用可视化技术在计算机上实现虚拟动物。
　　
　　3.4数字化动物园的重要内容——虚拟动物园
　　虚拟现实技术是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。目前主要用分布式虚拟环境建立虚拟动物园，即基于因特网和万维网的计算机软硬件环境，形成具有三维图形空间，让参与者从世界各地上网连接到该三维空间，并以化身表示各自在该共享环境中的身份，进行相互交流。虚拟动物园目前主要用于网上发布信息、动物园管理和规划、公众参与和决策、生态保育和旅游发展等，是作为一个分布式虚拟环境存在的。
　　虚拟动物园拟采用均衡客户机/服务器结构，综合应用Arc／Info、Arc／View、AutoCAD、Java和VRML97等开发工具，设计基于因特网的三维数据模型，及支持二维图形图像的系统用户交互界面。用户基于该界面可进行三维漫游探索、数据查询分析及与其他用户通讯合作操作等。。
　　
　　4数字化动物园—以北京动物园为例
　　北京动物园是以热带亚热带植物为对象，集动物科学研究、引种保育、科普教育和资源利用为一体的综合性动物园。自建园以来，已在动物种群谱系系统建设与演化、引种与驯化和迁地保护等方面取得了重要的研究成果，为国民经济的发展和基础科学研究做出了重要贡献。先后引种植物1万多种，现收集保存植物约9000种，积累了大量基础数据，初步编制了植物定植图，建立了重要专类园和引种繁育的数据库，完成了“北京动物园标本馆模式标本数据库、北京动物园标本数据库、科普旅游信息系统与空间数据库的建设”，为数字化动物园奠定了深厚的基础。近期北京动物园又启动了数字化动物园建设工作，该工作将在如下方面开展研究与技术集成：
　　（1）数字动物园技术与集成:在数字动物信息获取及计算机技术集成的基础上拓展数字动物园，探讨数字信息技术在动物园建设中的理论应用和实践。建立基于数字化技术的动物园研究、开发和产出一体化基地。最终实现新优动物资源、优良生态模式和现代科普教育的产业化。
　　（2）数字化动物标本馆:通过高分辨扫描和摄影系统建立动物活体和标本三维图像档案数据库，开发动物图像和文字识别系统，重塑现代标本馆。
　　（3）动物资源保护、种质创新与利用:在动物资源研究的基础上，建立动物资源数据库、动物化学成分数据库、新种群创新相关的优良性状和基因(重点是与发育、生长和抗逆等有关的基因)数据库、相关的性状和基因的标记(包括形态标记和分子标记)数据库等。
　　（4）生态环境资源监测与规划:通过3S技术动态跟踪调查各类生态环境资源(水分、土壤和气象等)，构建实时环境生态环境数据库。
　　
　　5结语
　　在一个日益城市化的社会，许多市民已经失去了与自然界和野生动植物的简单接触。人们从来没有与我们手里管理的、赖以为生自然资源这样遥远。虚拟动物园是以互联网为基础，空间数据为依托，虚拟现实技术为特征的，具有三维界面和多分辨率浏览器的面向公众的开放系统，使现代动物园的信息实现数字化管理，并为公众提供身临其境的交互或访问平台。通过建设数字化动物园，我们正努力以鼓励从事支持我们行星——地球上所有居民自然资源、栖息地和生态结构的工作的方式，将人们和自然联系起来。
　　
　　参考资料：
　　[1]《北京动物园志》北京动物园管理处中国林业出版社
　　[2]黄玫.动物园规划设计研究.硕士学位论文.同济大学.2005.