ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布研究中的應(yīng)用

高健峰 徐睿澤 劉錦繡

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京，100083)

在任一選定的時(shí)刻或時(shí)間段，野生動(dòng)物個(gè)體或群體均在其所處環(huán)境中有一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的空間位置，而這種空間屬性與野生動(dòng)物的行為緊密相連[1]。如何迅速而有效地發(fā)現(xiàn)和研究野生動(dòng)物空間位點(diǎn)之間的關(guān)系和規(guī)律，是人們關(guān)注和需要解決的問(wèn)題。在過(guò)去，由于技術(shù)的限制，人們往往用尺子、測(cè)量?jī)x等實(shí)測(cè)工具對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行勘察和分析，導(dǎo)致人們對(duì)于野生動(dòng)物空間分布研究十分有限與低效。近幾十年來(lái)，隨著地理信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、DBMS(database management system)技術(shù)的進(jìn)步、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言、移動(dòng)設(shè)備以及地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的廣泛使用，已經(jīng)促使GIS在野生動(dòng)物空間研究中發(fā)揮了更加重要的作用，并有著更加廣闊的前景。本文對(duì)ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)并予以前景展望。

1 ArcGIS的特點(diǎn)

ArcGIS在2004年推出的ArcGIS 9已經(jīng)有了一個(gè)完整的GIS軟件集合，它包括了一系列的GIS框架：ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，移動(dòng)GIS，服務(wù)端GIS等。ArcGIS作為一個(gè)功能強(qiáng)大、開放性強(qiáng)、可拓展、可伸縮、多層次的平臺(tái)，可以適用于絕大部分空間分析的研究，同樣ArcGIS在研究野生動(dòng)物空間方面也有較為廣泛的應(yīng)用。目前全球首款支持云結(jié)構(gòu)Esri公司已經(jīng)推出了ArcGIS 10版本，分析討論ArcGIS在野生動(dòng)物空間分析相關(guān)研究中的應(yīng)用，可為野生動(dòng)物研究數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的構(gòu)建提供支持。

2 ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布研究中的應(yīng)用

ArcGIS廣泛的應(yīng)用技術(shù)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域之外，如地理學(xué)、人口、土地利用、生態(tài)環(huán)境、景觀、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、流行病學(xué)，或者城市和區(qū)域規(guī)劃以及相關(guān)文獻(xiàn)。分析ArcGIS有關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率，充分表明ArcGIS在空間分布與分析、時(shí)空分布與變化、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間自相關(guān)、空間格局等領(lǐng)域具有強(qiáng)大的功能和廣泛、典型的應(yīng)用。ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布相關(guān)研究中處于不可替代的地位，在研究野生動(dòng)物的棲息生境選擇、領(lǐng)域確定、活動(dòng)節(jié)律、遷徙路線等方面均有廣泛的應(yīng)用前景。ArcGIS通過(guò)自身的可擴(kuò)展軟件結(jié)構(gòu)，為GIS應(yīng)用提供了一個(gè)具有伸縮性的軟件平臺(tái)，使不同專業(yè)的使用人員可以開發(fā)出一系列針對(duì)具體專業(yè)的“插件”式模塊。利用這些模塊可以顯著地?cái)U(kuò)展ArcGIS的功能。目前已有許多應(yīng)用于野生動(dòng)物行為生態(tài)研究的插件，如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS，2003)開發(fā)的“Animal Movement”系列模塊就是代表[1]。

2.1 ArcGIS在野生動(dòng)物生境研究中的應(yīng)用

2.1.1 生境影響因子分析

生境(habitat)是野生動(dòng)物生存的環(huán)境，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到野生動(dòng)物的命運(yùn)[2-3]。影響野生動(dòng)物的生境因素主要包括三個(gè)方面，分別是非生物因素、生物因素和人類因素。其中非生物因素包括海拔、坡度、坡向、植被覆蓋度、水、緯度等；生物因素包括植被類型、天敵、采食類型等；人類因素包括交通、土地開發(fā)程度、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等。由于每個(gè)種類的野生動(dòng)物對(duì)生境的需求不同，并且差異性較大，所以很難得到的一個(gè)包含所有野生動(dòng)物生境因子指標(biāo)體系，這也就提升了研究各類野生動(dòng)物的生境因子的難度。以往很多研究都認(rèn)為動(dòng)物群落的空間結(jié)構(gòu)是由于該物種的生境偏好所決定的[4-7]。而ArcGIS作為一款空間分析軟件豐富了生境因子研究的手段和方法，大大提升了研究的準(zhǔn)確性和效率。例如，Hooker等利用GIS軟件對(duì)影響加拿大東部海岸鯨類(Cetacea)分布的生境因子(水深，時(shí)間，溫度)進(jìn)行了研究，得到了鯨的分布規(guī)律和結(jié)論，為保護(hù)和評(píng)估鯨類提供了科學(xué)性的根據(jù)[8]；張星爍等使用了ArcGIS 10.0軟件模擬隨機(jī)分配，以調(diào)查相鄰領(lǐng)域相互作用對(duì)于斑背大尾鶯(Locustellapryeri)空間分布的影響[9]；李亞藏等利用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用ArcGIS中自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分區(qū)，將計(jì)算得到的生境影響因子制成東北虎(Pantheratigrisaltaica)生境適宜性分級(jí)圖，評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)東北虎的適宜生存的生境，為建立中國(guó)東北虎自然保護(hù)區(qū)和放歸工作提供參考[10]。

2.1.2 生境分析模型構(gòu)建

ArcGIS作為GIS學(xué)科的基礎(chǔ)軟件，有著強(qiáng)大的分析功能和開放性，并且待解決的問(wèn)題往往錯(cuò)綜復(fù)雜，是單單ArcGIS解決不了的。這也就決定了ArcGIS與其他理論相結(jié)合產(chǎn)生相對(duì)綜合的分析模型。在生境分析方面，一般采用ArcGIS與數(shù)學(xué)模型綜合成一種預(yù)測(cè)工具，尤其是柵格數(shù)據(jù)對(duì)空間數(shù)據(jù)的模擬與評(píng)估十分有效[11]。過(guò)去，人們常常利用HEP/HIS模型和多元統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行野生動(dòng)物生境分析，多元統(tǒng)計(jì)模型相比與前者具有歸納性強(qiáng)，減少檢驗(yàn)問(wèn)題到最低限度等特點(diǎn)[12]。目前已有越來(lái)越多的模型應(yīng)用到野生動(dòng)物分析當(dāng)中，如王俊基于MaxEnt模型和ArcGIS的分析功能科學(xué)地對(duì)神農(nóng)架川金絲猴(Rhinopithecusroxellana)的生境進(jìn)行診斷與評(píng)價(jià)，利用ArcGIS將所有處理過(guò)的數(shù)據(jù)圖層轉(zhuǎn)換為MaxEnt模型需要的ASCII文件格式，之后對(duì)環(huán)境變量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用柵格計(jì)算工具計(jì)算不同生境適宜性面積，最終全方位地分析生境分布[13]；劉芳基于層次分析法、GIS地圖代數(shù)理論、生態(tài)位模型、累積耗費(fèi)距離模型等研究方法，在ArcGIS軟件的支持下，對(duì)吉林省琿春地區(qū)東北虎棲息地進(jìn)行研究，為東北虎棲息地的保護(hù)、恢復(fù)、生境適宜性等提供參考[14]；張立博基于MaxEnt模型，利用ArcGIS中near功能計(jì)算柵格中心點(diǎn)到河流道路等的距離，并利用近20年內(nèi)蒙古高格斯臺(tái)地區(qū)馬鹿(Cervuselaphus)生境格局變化數(shù)據(jù)，對(duì)其生境結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)[15]。

2.1.3 生境破碎化分析

生境破碎化是指對(duì)生境的破壞，分為生境喪失和生境分割兩個(gè)方面，即生境被徹底破壞和一大片生境被破壞成許多小區(qū)域的生境。造成生境破碎化的原因是由于人為或環(huán)境因素導(dǎo)致景觀中面積較大的自然棲息地不斷被分割破碎而形成的[16]。并且生境破碎化對(duì)種群會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如減少物種擴(kuò)散的機(jī)會(huì)、限制種群分布、影響植物傳播種子、降低野生動(dòng)物遺傳效應(yīng)等[17-19]。近年來(lái)隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，亂砍濫伐污染環(huán)境的現(xiàn)象嚴(yán)重，越來(lái)越多的生境被破壞，對(duì)于生境破碎化的研究也就成了必要和熱點(diǎn)之一。張明海等對(duì)野生東北虎現(xiàn)狀及其保護(hù)研究表明，生境破壞及破碎化是東北虎種群的主要威脅因素，東北虎所依賴的森林長(zhǎng)期遭受大面積、超強(qiáng)度的采伐， 盡管實(shí)施了天然林保護(hù)工程， 但其恢復(fù)的進(jìn)程是長(zhǎng)期和緩慢的[20]。利用ArcGIS功能可以將生境破碎化的區(qū)域可視化，并利用強(qiáng)大的分析功能對(duì)區(qū)域的預(yù)測(cè)和保護(hù)提出建設(shè)性意見。如古麗巴努·阿不來(lái)提利用ArcGIS對(duì)塔里木盆地馬鹿亞種(Cervuselaphusyarkandensis)棲息地適宜性進(jìn)行分析，研究馬鹿塔里木亞種棲息地破壞情況和評(píng)估其生境適宜性[21]；廉歡等通過(guò)對(duì)瀾滄江流域水電站數(shù)量、級(jí)別和人為污染物排放等數(shù)據(jù)的收集整理，利用ArcGIS對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，對(duì)研究區(qū)域河流生境破碎化進(jìn)行空間分析評(píng)價(jià)[22]；陳艷等針對(duì)近年來(lái)珠江流域上修建的大量水利工程造成的河流生境破碎的現(xiàn)象，利用Shannon-Wiener指數(shù)和ArcGIS制圖功能對(duì)流域破碎化程度進(jìn)行分區(qū)，再利用空間疊加分析功能探究河流生境破碎化對(duì)魚類(輻鰭魚綱Actinopterygii)物種多樣性的影響[23]；孫海義等利用ArcGIS對(duì)1976-1999年?yáng)|北虎分布區(qū)變化作出評(píng)估，對(duì)20世紀(jì)末東北虎分布區(qū)的變遷進(jìn)行了直觀的探究[24]。

2.2 ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布與監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

GIS中的空間分析是對(duì)空間的查詢與量算，即對(duì)對(duì)象的空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的一系列技術(shù)[25]。空間分析也早已成為GIS的核心功能之一，它特有的對(duì)空間信息的提取、表現(xiàn)和傳輸功能，是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于一般信息系統(tǒng)的主要功能特征。空間分析在地理學(xué)以及其他有關(guān)學(xué)科中日益得到重視并且空間分析所包含的學(xué)科跨度較大，從19世紀(jì)中期John Snow醫(yī)生分析倫敦霍亂傳播制圖得到傳染源，到如今的空間分析深入到工業(yè)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、天文學(xué)、地球科學(xué)、文化、科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域中，空間分析技術(shù)已經(jīng)有了較為成熟的體系和方法。

對(duì)野生動(dòng)物的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后，為了對(duì)野生動(dòng)物有宏觀的把控和具體的分析，人們常常將空間分析技術(shù)引入到野生動(dòng)物學(xué)。而空間分析作為GIS的核心和靈魂，有著思想多源、方法多樣、技術(shù)復(fù)雜的顯著特點(diǎn)[26]。同時(shí)，ArcGIS作為一款GIS軟件，基本可以滿足絕大部分對(duì)空間分析的操作，可以對(duì)空間屬性信息進(jìn)行空間信息量算、緩沖區(qū)分類、網(wǎng)路分析、空間統(tǒng)計(jì)分析、疊加分析、空間信息分類等操作，極大地滿足了人們的需要。為野生動(dòng)物的防治、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、分級(jí)統(tǒng)計(jì)等提供了便利。如圖1，筆者利用ArcGIS作出了我國(guó)野生動(dòng)物危害核密度分級(jí)圖，為人們直觀地認(rèn)識(shí)各地區(qū)野生動(dòng)物損害程度提供幫助。ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布分析具體的應(yīng)用較為廣泛，如范志強(qiáng)等提出應(yīng)用GIS對(duì)有蹄類動(dòng)物棲息地的狀況進(jìn)行評(píng)估[27]；劉祥等利用ArcGIS軟件將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制成淮河流域典型河流大型底棲野生動(dòng)物調(diào)查點(diǎn)位圖[28]；Wood等利用ArcGIS軟件提出了一種評(píng)估生態(tài)脆弱型的GIS概念模型，并以蘇格蘭地區(qū)為例，對(duì)野生動(dòng)物的時(shí)空分布進(jìn)行探究[29]；沈拓等利用ArcGIS中核密度估計(jì)，并以高斯正態(tài)函數(shù)作為核函數(shù)，得到密云區(qū)野生動(dòng)物危害核密度估計(jì)圖，對(duì)密云野生動(dòng)物危害熱點(diǎn)進(jìn)行空間點(diǎn)模式分析[30]；劉強(qiáng)等仿制美國(guó)地震局(USGS，2003)基于ArcGIS平臺(tái)開發(fā)出的一系列擴(kuò)展插件，利用最小凸多邊形法(MCP)得到野生動(dòng)物活動(dòng)范圍[1]。

圖1 中國(guó)野生動(dòng)物危害核密度估計(jì)圖Fig.1 Kernel density estimation for China’s wildlife hazards

2.3 ArcGIS在自然保護(hù)地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以自然保護(hù)區(qū)為例

自然保護(hù)區(qū)(nature reserve，NR)是指對(duì)具有代表性的生態(tài)系統(tǒng)、瀕危野生動(dòng)植物物種的天然集中分布、有特殊含義的自然遺跡等保護(hù)對(duì)象所在的陸地、水域，依法予以特殊看管和保護(hù)的區(qū)域，同時(shí)也可以促進(jìn)教育，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足人們回歸自然的愿望[31]。自然保護(hù)區(qū)分國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和地方級(jí)自然保護(hù)區(qū)，并且由于建立的目的，本身所具備的條件不同，要求不同，有很多的類型。中國(guó)作為世界上自然資源最為豐富的國(guó)家之一，為進(jìn)行生物多樣性的就地保護(hù)，已有較為成熟的保護(hù)區(qū)體系。截至2015年，中國(guó)已建立2 740處自然保護(hù)區(qū)，總面積達(dá)147萬(wàn)km2，已基本形成布局較為合理的自然保護(hù)區(qū)體系[32-33]。但是仍有一些地區(qū)未經(jīng)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)，野生動(dòng)物也正遭一些不法分子獵殺，所以對(duì)自然保護(hù)區(qū)的研究仍然是十分重要的。

對(duì)保護(hù)區(qū)的建立與分析，國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但是勢(shì)頭較好，并且ArcGIS的出現(xiàn)，給研究人員規(guī)劃保護(hù)區(qū)帶來(lái)了極大便利。筆者利用河南省海拔、坡度、森林覆蓋率、人口密度、城鎮(zhèn)用地面積比重、水資源量等數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中處理并制作出河南省自然保護(hù)區(qū)開發(fā)適宜性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)圖(圖2)，為建立河南省保護(hù)區(qū)提出建議。付勵(lì)強(qiáng)等利用ArcGIS 9.3軟件中的核密度分析工具和Buffer Wizard建立緩沖區(qū)進(jìn)而建立空間分布數(shù)據(jù)庫(kù)，制作國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)空間分布圖[34]；Scott等利用ArcGIS 9.3建立帶有各自然保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)的空間分布圖層，并提取各保護(hù)地的空間信息[35]；李浩等基于CA-Markov模型，之后利用ArcGIS將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析制圖，對(duì)扎龍濕地景觀變化進(jìn)行研究評(píng)估[36]；Perkl利用ArcScene與ADM模型，將GIS與野生動(dòng)物走廊設(shè)計(jì)相結(jié)合，并對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)進(jìn)行規(guī)劃[37]；孟令軍利用ArcGIS將NDVI數(shù)據(jù)代入植被覆蓋度的計(jì)算式，并進(jìn)行空間運(yùn)算，之后對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度提取，水文分析，綜合得出適宜東北虎生存的國(guó)內(nèi)的區(qū)域，為建立中國(guó)東北虎自然保護(hù)區(qū)提出了寶貴的建議[38]。

圖2 河南省野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)開發(fā)適宜性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)圖Fig.2 Grading map for comprehensive evaluation of development suitability， Henan nature reserves of wildlife

3 前景與展望

3.1 基于云計(jì)算在ArcGIS中對(duì)野生動(dòng)物研究應(yīng)用

云計(jì)算(cloud computing)是分布式計(jì)算的一種類型，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序分化為無(wú)數(shù)個(gè)小的程序，然后，再通過(guò)多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析這些小程序得到結(jié)果并返回給用戶。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，云計(jì)算逐漸成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，而ArcGIS也是其中的一員。云計(jì)算在ArcGIS 10中已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)了協(xié)同GIS、一體化GIS、三維GIS、時(shí)空GIS和云GIS這五大飛躍[39]。云計(jì)算可以使ArcGIS在野生動(dòng)物空間分布研究中得到更為廣泛的應(yīng)用。

在未來(lái)，隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷強(qiáng)大，會(huì)推動(dòng)ArcGIS軟件平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展。由于遙感圖像具有實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，未來(lái)的ArcGIS可能會(huì)向快速處理大數(shù)據(jù)進(jìn)而將實(shí)時(shí)的遙感影像轉(zhuǎn)換為柵格、矢量數(shù)據(jù)便于分析和研究。在野生動(dòng)物研究方面，可以將野生動(dòng)物的遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到ArcGIS軟件中，以供數(shù)據(jù)獲取。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，傳感器的空間分辨率會(huì)大大提升，通過(guò)遙感影像觀察野生動(dòng)物的分布、數(shù)量也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。而這時(shí)就需要ArcGIS實(shí)時(shí)處理遙感影像以進(jìn)行快速分析，以便解決許多野生動(dòng)物的瘟疫、不正常現(xiàn)象等的突發(fā)狀況，為迅速、宏觀把控地區(qū)野生動(dòng)物空間分布及研究做出貢獻(xiàn)。

3.2 基于多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)在ArcGIS中對(duì)野生動(dòng)物研究應(yīng)用

由于我國(guó)人口眾多，對(duì)生境的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，生境破碎化現(xiàn)象較為嚴(yán)重也導(dǎo)致了許多野生動(dòng)物瀕臨滅絕，對(duì)生境的保護(hù)任重而道遠(yuǎn)。我們應(yīng)該對(duì)國(guó)家的稀有動(dòng)植物資源重視起來(lái)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，分析野生動(dòng)物的方法變得越來(lái)越復(fù)雜。基于ArcGIS軟件和多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)為獲取與生境有關(guān)的環(huán)境因子互相之間的關(guān)聯(lián)提供了強(qiáng)有力的支撐，也因此，這種綜合的研究方法應(yīng)該是未來(lái)較為適合的研究方法[40]。

3.3 基于5G技術(shù)在ArcGIS中對(duì)野生動(dòng)物研究應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)(5G Network)是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速度可達(dá)1 GB/8 s，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍。5G在不久之后會(huì)逐漸融入生活之中，改變我們的生活。5G雖然是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，但是其表現(xiàn)出來(lái)的高速度、穩(wěn)定性可以改變?nèi)藗儗?duì)信息處理的方式方法。傳輸穩(wěn)定性的提高，使研究人員在使用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用ArcGIS進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理時(shí)，不會(huì)因?yàn)楣ぷ鲌?chǎng)景復(fù)雜而造成傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者傳輸不穩(wěn)定的情況，可以極大地提高研究人員的工作效率。同時(shí)，5G也可以促進(jìn)中國(guó)新一代的PNTRC系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)海陸空全方位的把控，可以使野生動(dòng)物的研究更加具體、全面。并且隨著5G的出現(xiàn)，將ArcGIS軟件搬到移動(dòng)端也是前景之一，移動(dòng)端ArcGIS的出現(xiàn)也可以將空間數(shù)據(jù)分析帶入一個(gè)方便、快捷的新時(shí)代。