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生物多样性领域新标准化编码方法与数据管理系统
沙特国王大学学报应用于生物多样性领域Alaoui Altafa,b,Dakki Mohamedb,Ziti Soumiac,Ettaki Badiad,a,Zerouaoui JamalaaKenitra Ibn Tofail大学理学院,SIMO:工程科学和建模实验室,B.P. 133,Kenitra 14000,摩洛哥b穆罕默德五世大学科学研究所,湿地研究所,Av. Ibn Battota,拉巴特10106,摩洛哥c拉巴特科学院,智能处理和系统安全,4 Avenue Ibn Batouta,B.P. 1014,拉巴特,摩洛哥dLyrica:摩洛哥拉巴特信息科学学院数据、内容和知识工程系计算机科学、数据科学和知识工程研究实验室阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2019年2019年7月3日修订2019年8月22日接受在线预订2019年8月24日关键词:编码分类生物多样性模型A B S T R A C T复杂的分类或类型学(如层次表)的概念和处理,主要是自然成分,长期以来一直是研究人员的主要关注。因此,制定了几种编纂方法,以处理和促进这些表格的管理。大多数这些方法使用字母数字代码,保持特定于每一个案件(实体类型),在这个意义上,他们的换位到其他案件是很少可行的。本文提出了一种新的标准化编码方法,适用于各种等级制度。在开发一个复杂的生物多样性数据管理系统时,这种方法包括为每个表创建固定数量的级别,使用相同类型的字符串进行编码,基于这种方法可以用同一个模块管理不同的表,并便于代码(=位置)的自动增量和更新。新模式的优点是,除了增加请求的响应时间外,还可以生成、更新或删除代码,而不干扰其他元素的代码。它给人希望,在某些情况下(如地理数据库),合并不同的表,其合并是以前不明显。©2019作者(S)。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍世界上所有现有的元素和现象都可以组织在定义良好的实体或数据系列中,其中它们以允许它们识别的方式组织,使用描述符为每个元素取特定的值组合。在这些数据系列中的大多数中,元素被分类在一个重要的分类模型(分类或类型学)中,其中元素通过“父到子”的关系类型该分层*通讯作者:科学学院,伊本Tofail大学在Kenitra,SIMO:工程科学和建模实验室,B.P.133,Kenitra 14000,Morocco.电子邮件地址:altaf. gmail.com(A. Altaf)。沙特国王大学负责同行审查制作和主办:Elsevier给定分类标准和级别的数量,关系可能导致复杂的实体。分类通常用于计算机科学、电信和贸易,也用于与自然和人有关的数据的管理,其中存在根据层次模型自然组织的大量可以在几个组成 部 分 中 找 到 良 好 的 说 明 性 实 例 : 人 类 ( 系 谱 树 和 活 动 )(Valentini et al., 2000年),生物(植物,动物,微生物)(李和陈,2010年),生态(生态系统,栖息地)(戴维斯和莫斯,2002年;戴维斯例如,2017; Gavish等人,2018; Blasi等人,2017年)、地理(区域、次区域)、水文(水系和分级流域)(Wang和Wang , 2013; Farinha , 0000; Verdin 和 Verdin , 1999; Jia 和Wang,2006; Hörhan,2009)、行政(州、省、集体)等。这些分层数据的计算机化管理需要编码,这是一种技术操作,包括为数据序列的每个元素分配一个不变的标识符(Wang和Wang,2013; Lemos等人, 2018年)。这一编纂仍然遇到某些问题,主要是它们是否能够反映这两方面的问题。https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2019.08.0101319-1578/©2019作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页:www.sciencedirect.comA. Altaf等人/沙特国王大学学报1427-所有元素的唯一性和层次位置。这些方法远未标准化,因为在同一应用程序中经常使用几种方法本文描述了一种编码模型,该模型可以推广到任何类型的层次实体,其中每个元素都可以通过代码识别,该代码集成了元素的整个层次路径以及其相对于其级别的其他元素的确切位置除了其简单性之外,这种方法的目的是提高数据操作的效率和在提出和实施该模型之前,对文献进行简要评价,以证明这种模型对分层数据编码的必要性。2. 当前分层数据编码:文献综述2.1. 通过实例说明一些关于分层数据编码的工作使用了分层代码。在生境分类中,如EUNIS(Valentini等人,2000; Davies和Moss,2002; Davies等人,2017;Galparsoro等人,2012; Greene等人,1999年;委员会,2005年;Evans,2006年; Louvel和Poncet,2013年; Borre等人,2000)和COR-INE 生 物 群 落 ( Wyatt , 0000; Linden , 2001; Devillers 和Corine,1991;欧洲委员会,0000),数据根据多级分级系统组织(参见表1)。类型学的进展从代表大型自然景观的最高级别开始,使用CORINE Biotopes中的数字和EUNIS中的字母进行编码。每个下级都分配有一个特定的数字代码,前面是上级代码。此外,第三层的代码与第二层的代码之间用一个点隔开。Corine土地覆被类型学(欧洲环境署,0000)的土地利用只包括三个层次,其中每一个包含最多五个类别/类型。每个元素都由一个简单的数字代码标识,该代码由其自身的代码和其父元素的代码连接而成。地中海湿地生境分类的MedWet模型(Farinha,0000; Farinha等人, 1996年),密切模仿美国湿地和深水栖息地(Farinha,0000;埃文斯,2006年),是由四个层次(系统,子系统,类和子类)。考虑到这些级别中的每一个最多有七个“子元素”,编码使用每个级别一个字母,这给出了一个四个字母的这些等级标准由四个独立的参数(水分状况、盐度状况、人工性和优势度)完成,每个参数最多允许14种情况。每个参数都由一个在代码中占据固定位置的字母编码(根据上面给出的顺序),这为每个类型提供了一个完整的八个字母的代码在欧洲分类NATURA 2000(Valentini等人,2000),站点由字母数字代码标识,最多9个字符;前两个字符指的是国家,而网站代码可以根据国家当局定义的逻辑和连贯系统自由分配。例如,比利时的Messancy流带有代码水文网络提供了一个很好的分层实体教学模型,其中水道一个在另一个中流动,一个单一的方向(上游-下游)。最常用的编纂方法之一,称为Pfafstetter模型(Verdin和Verdin,1999年; Jia和Wang,2006年;Farinha等人, 1996),包括为每个分支分配一个1到9之间的数字,0保留给网络的最后一段(下游)。对于这个网络的细分,在其上部允许分叉的每个部分被分配一个1到9之间的奇数,而不能细分为分支的动脉当使用少于9个分区对子流域进行编码时,该方法会生成不完整的代码(Hörhan,2009)。 为了弥补这一不足,Li等人采用了另一种方法(Hörhan,2009);它在两个(特别是三个)水道的每个汇合处(节点)创建2-3个来自父元素(下游水道)的子元素(上游水道)。它为两个子元素分配相同的层次级别,即使它们的大小(流,宽度)非常不同。在这种方法中,插入或删除一个元素会导致所有基础元素的代码发生变化,因此需要在使用它们的所有文档和表格中更新它们。生物世界的分类是另一个需要进行编码以管理数据库中分类实体的领域(见图1)。这些实体的传统分类是基于一个复杂的系统,至少由七个强制性级别(界,门,纲,目,科,属和种)和几个中间级别(如总目和亚目)组成。大多数数据库对分类群给出了数字代码,但没有说明其构建方法。例如,为了管理海洋生物资源的统计数据,粮农组织使用10位数的分类编码来确定分类群(Li和Chen,2010年)。国际湿地组织对水鸟使用了5个字符的标识符,由属名的前三个字母和种名的前两个字母这种连接有时会为两个不同的物种产生相同的代码,这迫使使用物种名称的第三个字母而不是第二个字母。这种方法并不意味着任何等级,而物种的学名可能会发生变化。等级分类也适用于人类活动及其对自然的影响。在Natura 2000程序中,活动仅在三个级别中分层分类(Valentini等人,2000),每个级别都分配了一个三位数的代码。'00 0和'90 0之间的两位数代码最后一级元素使用增量步长'10'进行编码,而对于前两级,此步长变为'100 (请参阅图2)。 另外两个代码是为“其他活动”(X90)和“可忽略活动”(XX)的特殊情况保留的影响分为三个级别;一个字母分配给第一级,而第二级和第三级则用一个字母连接母代码进行编码对于第三级,在其代码和第二级代码(例如“FC-A”)之间添加破折号()2.2. 对现有方法上面的例子清楚地表明,在组织和操纵由等级关系联系在一起的数据时,编纂是至关重要的。这种编纂是使用各种方法进行的,几乎所有的方法都是为了整合表1根据EUNIS和CORINE生境的生境编码系统水平123456EUNIS一A5A5.3A5.35A5.354A5.3541CORINE生境11515.112.1112.11112.11111428A. Altaf等人/沙特国王大学学报Fig. 1. 生物组织图(以动物王国为例):等级分类的典型例子,层次稳定。图二.为人类活动编纂Natura 2000。这种等级制度。然而,关于这些方法,可以提出三个重要的评论:代码结构和长度对于所处理的每个实体是特定的,并且它们到其它实体的转换通常会导致饱和,在这个意义上,不能创建子级别和/或不能将更多的记录添加到同一级别;为了处理数据层次(即空间数据),现有模型通常将这些数据分解成与层次级别一样多的表,子实体通过关键字字段链接到父实体。这种方法的第一个缺陷是它增加了数据库中的表的数量,这通常会使与层次结构相关的处理变得复杂,因为访问表中的元素需要通过父表。计算中使用的另一种经典方法是诉诸自反关系(父子),而不必乘以表。例如,粮农组织的海洋生物资源编纂就是这种情况(Li和Chen,2010年)。在这种情况下,等级水平的概念失去了意义,因为不可能按照某些分类的要求将额外的元素放在同一个级别中(生物实体,栖息地)。. );Li等人提出的方法(Hörhan,2009)的水文网络的然而,使用这种方法,元素的更新(删除、插入、修改)需要兄弟元素以及所有其子元素的代码的重新洗牌,这可能产生不便,特别是如果这些代码用于外部引用报告中。3. 一种新的分层数据由于“2000年水鸟和湿地”的长期概念性工作,出现了编纂方法标准化的必要性摩洛哥的数据库,用于管理冬季水鸟监测数据以及国家湿地清单。该数据库包含大量表格,其中的要素按等级制度(分类或类型学)组织。在开发过程中,这些表格经常受到类似的处理,但每个表格都使用特定的模块。这种方法在计算机应用程序中产生了类似模块的冗余和应用程序的夸大延长。为了解决上面评估部分中讨论的问题,挑战将是提出一个可以应用于管理所有分层表的单个处理模块。只有当所有这些表格中使用的代码都采用相同的方法进行验证时,才有可能做到这一点,该方法允许:通过元素在层次结构中的级别位置以及在相同级别的元素之间的级别位置来标识元素;支持大量的级别和这些级别中的元素;在数据库的整个生命周期中为每个元素分配一个标识符在同一个表中处理所有层次,即不必将层次分解为单独的实体(例如在GIS中),这具有减少存储空间、简化查询公式和优化关系数据库中的响应时间的好处。新方法建议将该表纵向分解为固定的各级,知道这些级别通常少于10个;在每一级,所有要素性质相似(同质),数量可能不确定。编码方案还必须包含整个层次结构,这就是为什么给定级别的每个元素的代码为了允许这一点,代码是在一个'字符串'的格式,但只组成的dig- its,这给了可能性,这种格式还允许保留固定长度的代码字段。同一父元素的子元素使用一个字段编码,该字段的长度足以覆盖该父元素可能具有的最大可能的子元素(记录)数量例如(见表2),知道在动物王国中,没有一个“目”级的分类单元可以包含全世界100个科,我们可以为“科”级保留一个“0000 0”格式的代码,其长度(4个字符)允许通过使用步长10(0010,0020)自动递增插入999个案例。. . .. . 9990)。假设A. Altaf等人/沙特国王大学学报14292表2. 鸟类等级表的新编码系统:5级分类的前11个要素SP_IDSP_ORSP_FASP_GESP_SPSP_SUSP_LevSP_CODTAXSP_名称000100000000000000000100100000000000000000鳍鱼目100100010000000000000200100010000000000000齿鱼科200100010001000000000300100010001000000000蒂纳姆斯300100010001000100000400100010001000100000陶400100010001000100010500100010001000100010拉朗西斯500100010001000100020500100010001000100020陶600100010001000100030500100010001000100030克莱伊700100010001000200000400100010001000200000孤束800100010001000200010500100010001000200010伯南布哥900100010001000200020500100010001000200020孤束注:SP_ID:鸟类ID; SP_OR:一级(目)鸟类代码; SP_FA:二级(科)鸟类代码; SP_GE:三级(属)鸟类代码; SP_SP:四级(种)鸟类代码; SP_SU:第五级(亚种)鸟类代码; SP_Lev:鸟类分类级别编号; SP_CODTAX:鸟类全球代码; SP_Name:鸟类名称。由于在设计数据库时已对这一代码的最大大小作了很好的估计,因此有时需要预测在系统运行期间需要扩展代码的风险,即使是最小的风险当不需要以给定的顺序组织这些元素时,可以简单地通过递增表中最后创建的代码来生成新代码。否则,新元素在现有的兄弟元素中有一个定义好的位置;在这种情况下,它们的代码应该用一个增量步长分开,这样就可以为新的中间元素插入新的代码每个新元素应该插入两个连续兄弟元素之间的中间位置(见表3),然后将其代码同化为两个兄弟元素的平均值的代码(等式① ①)。鳕鱼半升半升。Code½i-1]这种插入可以生成四种不同的场景:场景1:Code(i+1)-Code(i-1)> 1;(1);场景2:Code(i + 1)-Code(i-1)= 1(代码饱和);重新初始化当前父元素中兄弟元素的代码:对于i = 1,Code(i)=增量步长的值;对于i = [2-N],Code(i)= Code(i-1)+步长场景3:新元素(i)是当前父元素的第一个子元素;代码(i)=(0 +代码(1))/2场景4:新元素(i)是当前父元素的最后一个子元素;代码(i)=代码(i-1)+步长。incremental step的值随它期望在两个连续的现有元素之间插入的新元素的数量而变化;例如,步长为10可以在两个连续的元素之间插入一定的参考表格(即官方分类)被纳入一个具有明确内容的数据库,即不允许任何新记录。然而,许多其他类型学对修改和插入是开放的,并且增量步骤是必要的。由于代码通常不可见,因此这种编码方法允许在饱和的情况下重新初始化代码(不可能插入新代码)。4. 新编码模型在处理这些问题之前,应当回顾:本文件所建议的编码系统涉及等级表,因为其记录是按等级安排的;但是,它仍然适用于只有一级的表;用这种新方法设计的代码在组织(分类)和搜索记录方面具有很高的重要性,尽管这些任务也可以使用表中的其他字段来执行;代码通常是不可见的,并且如果需要,可以使用特定的概念方法在表中添加附加的可见代码;大多数现有的分级表用于组织参考列表(类型学),其中当操作列表时通常仅显示一个字段。然而,除了该元素和编码字段之外,其他潜在的字段可能是有用的,主要是为了给出这些注释意味着可以以标准格式来理解分层表,其中每个记录的特征在于以下字段:代码1(级别1)、代码2(级别2)。. CodeN(级别N )、 Code ( Code 1 到 CodeN 的连接)、 Title/Label 、Short meaning、Visible Code和Description。后两个字段通常非常有用,即使它们通常被认为是辅助信息,而字段表3. 在两个兄弟元素中间插入一个新元素SP_IDSP_ORSP_FASP_GESP_SPSP_SUSP_LevSP_CODTAXSP_名称300100010001000100000400100010001000100000陶400100010001000100010500100010001000100010拉伦西斯1000100010001000100015500100010001000100015北草500100010001000100020500100010001000100020陶1430A. Altaf等人/沙特国王大学学报在. Net平台下,采用UML建模方法,MySQL数据库实现了一个标准化的层次表为了说明这些方法,使用实验数据集;它是从上述数据库(摩洛哥的水鸟和4.1. 结构化分层表在实践中,同一个数据库可以包含多个类型表,每个表通常包含多个层次级别,并且每个级别允许最大数量的记录。开发人员通常为每个表设计一个管理接口,这导致了开发中的巨大冗余有了新的编码系统,就有可能为所有这些类型设计一个标准化的管理模块,同时允许整合它们的特性。要在更新表单中显示每个表(实体),需要以下信息:实体名称(即,动物群、植物群、流域等)以及每个层次上的四个指示:名称、在层次中的位置、代码长度、代码实现步骤和描述(一般含义)。这些特征将存储在可修改的元数据表中,即Level_Typ(见表4和图4)。3)。为了处理分层表,标准化模块将使用元数据进行标签和分层管理。这些标签将是可修改的,而不需要操纵源代码,但级别的数量和层次顺序应被视为暂时不变的参数。4.2. 为一个新元素创建一个类型学代码在类型学中,新元素(记录)的插入是在给定的层次结构中完成的,并且从创建它的代码。该模型包含四个步骤(参见图4和图5):选择实体中的级别,识别用作新元素位置的参考(之后或之前)的现有元素,计算代码(等式5)。(1))并插入新的内容。4.3. 在隐藏记录时删除代码删除类型学中的元素(记录)会导致自动删除所有集成其代码的基础记录(子元素),而不会影响兄弟元素。该属性构成了该编码方法的优点,已知在某些树设计方法(二进制或多个)中,该删除可能需要重新编码与被删除的元素相关的所有元素4.4. 改变元素在类型学中的位置为了在一个相同级别内移动元素,该过程通过确定其目的地位置并生成如上所示的新代码开始(参见图1和2)。6和7)。这个新分配的代码(图7)将取代旧代码(图6),包括其子元素。在下面的例子中(见图2)。6和7),则移动的元素位于级别4中,来自级别3中的当前父级表4.类型表示例。级别类型IDLevel_Type_NameTabLevel_Type_LabelLevel_Type_LengthLevel_Type_Level级别类型描述1动物群王国13描述2动物群动物门23描述3动物群类34描述4动物群秩序44描述5动物群家庭54描述6动物群属64描述7动物群物种74描述8菌群王国13描述9菌群动物门23描述10菌群类34描述11菌群秩序44描述12菌群家庭54描述13菌群属64描述14菌群物种74描述图三. 类型表的建模。A. Altaf等人/沙特国王大学学报1431见图4。 插入元素时创建分层代码的过程。图五. 计算新的分层代码的过程。1432A. Altaf等人/沙特国王大学学报见图6。 元素在更改其位置之前的第一个位置。见图7。 元素位置更改后的新位置。(010010 0010 0000 0000 0000)中的新父节点3级(010 030 0010 0000 0000 0000)在第二个位置以其新兄弟(010 030 0010 0010 0000 0000)命名。5. 讨论本文提出的等级制度编纂模式化学分类是建立在现有的分类基础上的,当前父级(3级)010 010 0010 000000000000当前代码(4级)010 010 0010 002000000000生物多样性领域。其中一些仍然是不完整的,在这个意义上,他们应该承认新的元素(即未发现的物种或栖息地类型)。此外,在这样的分类中,可以将元素从一个级别和位置移动到其他级别和位置儿子的当前代码(5级)010 010 0010 0020 00100000010 010 0010 0020 00200000(即:植物区系或动物区系分类中的物种组合.. . ).这些修改的计算机化管理不是一件容易的事,特别是对于大型关系数据库。各种方法解决了分层分类表的元素的编码,但它们都存在其推广到所有情况的弱点。换句话说,其中大多数方法适用于它们所适用的特定情况。新父级(3级)010 030 0010 00000000设计了0000拟议的编纂解决方案明确说明了菲律宾-新的地方(后其第一个兄弟)010 030 0010 0010 0000一个给定的实体的所有组件,并具有优势(四级)0000提供生成或删除代码的可能性,而无需删除-新代码(4级)010 030 0010 0015 0000破坏了其他元素的密码实际上,最常用0000方法采用长度减小的字母数字编码,儿子们的新代码(第5级)010 030 0010 0015 0010防止其泛化。然而,为了实现父子关系0000的元素,大多数方法提出的连接的部分,010 030 0010 0015 0020与儿子的密码吻合0000这里提出的编纂模式提供了一种解决办法,可以推广到所有经典类型学,正如其证实的那样A. Altaf等人/沙特国王大学学报1433适用于广泛的类型学(同一系统中有100多个案例然而,某些方面可以被认为是这种方法的弱点;即在两个连续元素之间插入几个新元素之后,增量“步骤”提供的所有位置都可能被消耗。这种情况通过使用增量“步骤”重新初始化相关级别中的代码来解决此外,通过将级别的数量与同一级别中的元素数量相乘,可以得出数百万条记录的表,这可能会延迟请求响应时间,尽管拟议的编码提供了减少此时间的可能性(即,经由允许在桌子的一部分上工作的过滤器然而,某些大型表格可能包含不以相同频率或使用相同工具操作的数据(例如包含植物群和动物群的表格),因此模块最终仅处理表格的一部分,而其他部分变得繁琐。6. 结论本文提出了一种适用于各种层次表的编码方法,并在一个包含大量层次表的“湿地和水鸟”大型数据库中实现,证明了该方法在复杂数据库的概念和管理上都具有很大的然而,所提出的模型尚未显示出其所有优点,这就是为什么我们认为它的使用开辟了一条有希望的研究道路编纂系统的第一次实施已经允许数据管理的一些模块的标准化,以及对复杂数据库的使用的重大优化然而,其他有希望的研究方向仍处于起点:自动创建分层表并修改其结构,提高处理大型数据表的效率,在地理空间数据处理中使用模型等。该模型的一些弱点也需要解决:首先,该方法只能处理元素有一个“父”的类型(表),而在一些层次类型(活的和惰性的对象)中这似乎承认一个简单的解决方案,在未来的工作可以集中。竞争利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。引用布拉西 角,Capotorti ,G. ,Alós Orti ,M.M. ,安 泽洛蒂岛Attorre ,F. ,Azzella ,M.M.,扎瓦托湖2017.为在国家一级执行《欧洲生物多样性战略》进行生态系统测绘:意大利案例。Environ.Sci.政策78,173-184。https://doi.org/10.1016/j.envsci.2017.09.002网站。Borre,J.V.,Paelinckx,D.,Mücher,C.A.库伊斯特拉湖,Haest,B.,施密特,GBA2000. “整合遥感。J. Nat. 保存。 19(2),116-125。C. 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