GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用概述

劉炳輝 潘淑萍

摘 要：該文介紹了地理信息系統(tǒng)的功能，分析了GIS在生物技術(shù)方面的具體應(yīng)用，主要包括GIS技術(shù)在蟲媒病防治、生物群落結(jié)構(gòu)、確定動(dòng)植物分布等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);生物技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào) X820.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）04-0139-02

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為當(dāng)代最先進(jìn)的技術(shù)手段，其對(duì)空間數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的分析與處理功能。依賴于計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)的支持，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行輸入、管理、存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算，并最終顯示和描述。GIS技術(shù)的強(qiáng)大性，使其在生物技術(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文較為系統(tǒng)的整理分析了GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用，為GIS在生物技術(shù)領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1 地理信息系統(tǒng)

1.1 基本概念 地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種以計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)為支撐，收集、存儲(chǔ)、管理、計(jì)算、分析、顯示和描述整個(gè)或部分地球表面（包括大氣）空間的相關(guān)地理分布數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理功能，可以建立各種模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，還可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、緩沖分析、決策分析等，是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)。處理的數(shù)據(jù)類型大體上分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)2類。2種數(shù)據(jù)在不同的軟件系統(tǒng)中，可按照不同的形式進(jìn)行組織與使用。GIS可以分層存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)，每一層是數(shù)據(jù)的地理特征與屬性的集合，即圖層，不同的圖層又可以進(jìn)行疊加進(jìn)行進(jìn)一步的分析。其原理是通過一定的地理基礎(chǔ)聯(lián)系將不同的圖層聯(lián)系起來再進(jìn)行整合疊置，這就相當(dāng)于將透明的地圖進(jìn)行層層疊加，最終得到一幅擁有各種信息的“地圖”，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析。

1.2 應(yīng)用與發(fā)展 GIS本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具有比較專業(yè)的信息系統(tǒng)空間形式，是一種能夠集中和顯示地理參考信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。GIS技術(shù)可應(yīng)用于科學(xué)調(diào)查、發(fā)展預(yù)測(cè)、測(cè)繪和路線規(guī)劃等領(lǐng)域。例如，GIS系統(tǒng)可以使應(yīng)急計(jì)劃人員更容易地計(jì)算自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，或者使用GIS查找需要保護(hù)的濕地。運(yùn)用GIS既可以在大尺度上進(jìn)行研究，也可以在小尺度上進(jìn)行研究。可以將衛(wèi)星與GIS結(jié)合起來，對(duì)物種進(jìn)行跟蹤定位;也可以對(duì)物種的生境動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)物種的空間分布格局;也可以通過多種參數(shù)的運(yùn)用構(gòu)建生存力的模型，為物種的生存與保護(hù)尤其是一些瀕危的物種提供較為可靠的保護(hù)方案。

GIS的發(fā)展概括起來，分為以下4個(gè)階段：（1）20世紀(jì)60年代，GIS概念經(jīng)湯姆林森首次提出并且首次建立了系統(tǒng)，該時(shí)期為GIS的開拓時(shí)期;（2）20世紀(jì)70年代，為GIS的鞏固與發(fā)展時(shí)期;（3）20世紀(jì)80年代，GIS大發(fā)展時(shí)期;（4）20世紀(jì)90年代至今，GIS的應(yīng)用與普及時(shí)期。國(guó)內(nèi)發(fā)展速度比國(guó)外晚，但發(fā)展速度較快，隨著時(shí)間的推移，GIS技術(shù)的發(fā)展將會(huì)越來越全面化、高端化、高效化。其獨(dú)特的空間信息處理和分析能力是近年來各種新興技術(shù)的需求。

2 生物技術(shù)

2.1 應(yīng)用與發(fā)展 近年來，現(xiàn)代生物技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和生化工程等許多領(lǐng)域都取得了可觀的成果與巨大的進(jìn)步。在GIS的支持下，修改物種的遺傳物質(zhì)，甚至設(shè)計(jì)新物質(zhì)，創(chuàng)造一些新的生物品種，工業(yè)規(guī)模地使用現(xiàn)有的生物系統(tǒng)以及利用生化過程制造工業(yè)產(chǎn)品已變得不再困難。利用生物轉(zhuǎn)化的特性生產(chǎn)化工產(chǎn)品，特別是傳統(tǒng)方法難以獲得的物品，從而改變現(xiàn)有工藝，可以解決許多長(zhǎng)期存在的問題。在資源短缺的條件中，生物技術(shù)的前景十分巨大，比如，使用生物技術(shù)處理污水，新型生物消解笨類物質(zhì)等，都是利用生物技術(shù)來處理環(huán)境污染。在許多生物學(xué)研究中，如各種環(huán)境的生態(tài)分布，生物技術(shù)的應(yīng)用也非常廣泛。

2.2 生物技術(shù)應(yīng)用對(duì)GIS的需求 目前，多學(xué)科融合發(fā)展已經(jīng)成為了學(xué)科發(fā)展熱點(diǎn)，類似的，生物科學(xué)也可以與地理信息技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用。在不同的研究中，有許多需要分析各種信息處理領(lǐng)域，如某種植物和動(dòng)物棲息地的分布研究，動(dòng)物和植物群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空分析等，需要運(yùn)用GIS技術(shù);在環(huán)境污染管理，以及一些動(dòng)植物防疫和控制和監(jiān)控，也需要使用 GIS技術(shù)。這些研究都需要處理和分析空間信息數(shù)據(jù)，這也是GIS技術(shù)能夠解決問題的亮點(diǎn)與核心所在。

3 GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用

3.1 蟲媒病防治 蟲媒病是一類節(jié)肢動(dòng)物的傳染病，通過叮咬作用，使得生物之間得以傳播該疾病，主要的物種包括蚊蟲、蜱、螨、虱子和跳蚤等，曾經(jīng)造成過巨大損失以及傷害，以瘧疾、流行性乙型腦炎、登革熱等疾病最為典型。近年來，GIS技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)分析功能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和衛(wèi)生方面，在媒介生物學(xué)和蟲媒疾病防治領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。蟲媒疾病的影響因素不僅包括地理、植物類型、天氣等自然因素，還包括當(dāng)?shù)蒯t(yī)院治療水平、生活文化等社會(huì)因素。GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)存儲(chǔ)不同類型的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)用來定義形狀、位置、關(guān)系等基本地理特征，本質(zhì)是地圖。通常，它是基于向量的數(shù)據(jù)類型，并刪除基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)類型以供計(jì)算機(jī)處理。屬性數(shù)據(jù)通常用于定義空間數(shù)據(jù)代表的內(nèi)容，比如描述地理走勢(shì)、空氣含水量、密度、高程、植被密度等。在此基礎(chǔ)上，GIS技術(shù)可以集成各種影響因素的數(shù)據(jù)和蟲媒疾病的發(fā)生和傳播做出分析，可以提供關(guān)于基礎(chǔ)研究的生物分布特征以及蟲媒疾病的流行規(guī)律。自20世紀(jì)以來，一些研究人員將GIS應(yīng)用于監(jiān)測(cè)瘧疾、鼠疫和登革熱等蟲媒傳染病的發(fā)生與傳播[1]。目前，GIS技術(shù)應(yīng)用于媒介生物學(xué)以及有蟲媒病防治技術(shù)中，大體上包括以下2個(gè)方面：媒介生物學(xué)和蟲媒病監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)管理;蟲媒傳染病流行預(yù)測(cè)與預(yù)警。

3.2 生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)學(xué) 生態(tài)空間需要保證一個(gè)區(qū)域的生態(tài)平衡功能正常，以及為人類生活提供長(zhǎng)久的空間，這也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[2]。通過研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，GIS是許多空間技術(shù)研究的前提。在基于生物多樣性保護(hù)的空間識(shí)別方面，近30年來，生物學(xué)家特別關(guān)注的是生物多樣性保護(hù)中自然空間的選擇，比如，Rouget等基于GIS開展了區(qū)域生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)空間識(shí)別研究。還有的關(guān)注水土流失防護(hù)的空間識(shí)別，比如，Zagasa等基于GIS技術(shù)結(jié)合一般損失方程（USLE）來確定希臘奧林匹斯山的關(guān)鍵水土流失防護(hù)空間。同時(shí)，利用GIS技術(shù)還可以研究大型水生植物的群落結(jié)構(gòu)和空間分布格局[3]。

3.3 動(dòng)植物分布調(diào)查 運(yùn)用GIS技術(shù)可確定動(dòng)植物的空間分布，查明某種植物分布等工作都可以借助GIS技術(shù)。比如，張雪芹等針對(duì)山西省木本油料植物的分布，運(yùn)用山西省地圖作為圖形的數(shù)據(jù)，結(jié)合油料植物科和種的屬性數(shù)據(jù)，生成專題地圖進(jìn)而進(jìn)行地理空間分析[4];任小兵等運(yùn)用GIS技術(shù)，計(jì)算出物種空間分布區(qū)的面積，并且對(duì)人為干擾進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步建立物種分布的數(shù)據(jù)庫，隨時(shí)可以查詢與顯示;倪喜軍等某物種或者種群的定位點(diǎn)，在其周圍生成緩沖區(qū)，研究動(dòng)物棲息地的選擇等;建立統(tǒng)計(jì)學(xué)的GIS模型，對(duì)物種的空間分布情況進(jìn)行分析[5-6]。

參考文獻(xiàn)

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[6]倪喜軍.地理信息系統(tǒng)在野生動(dòng)物研究中的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報(bào)，1998（09）：5-8.

（責(zé)編：張宏民）