基于ArcGIS ModelBuilder的生態區鳥類棲息地的選擇

劉佳雨,楊武年,鄧 琮

（1. 成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室,四川 成都 610059）

智能化的空間信息提取和分析功能是GIS的核心之所在[1,2]。但是，在分析較復雜的空間問題時由于涉及到的步驟較多，有時相同的處理功能要多次執行，不能滿足效率和質量的要求。很多學者積極探索流程化分析處理空間數據的方法。例如，李鴻奎利用ArcGIS ModelBuilder模型編輯器來建立模型，實現了農用地圖斑地形因子的自動提取[3]。張正旺將GIS技術運用于鳥類棲息地的選擇，不僅可以定量獲得鳥類對特定類型棲息地的偏愛程度，還可以對選擇的機制進行探討[4]。本文利用ArcGIS ModelBuilder建立生態區鳥類棲息地的選擇模型，不但體現了其快速準確建立模型的優點，而且也為生物保護提供了輔助決策信息。

1 ArcGIS ModelBuilder空間分析建模技術

1.1 ArcGIS ModelBuilder

ArcGIS Modelbuilder基于圖解建模的基本原理，用直觀的圖形語言將所要研究的問題用一個或多個具體的過程模型表達出來。在這個建模過程中，可以分別定義圖形來代表輸入數據、輸出數據和空間處理工具，這些元素以流程圖的形式進行組合并執行空間分析操作功能[5]。ModelBuilder的界面環境非常友好，可以直接將工具箱里的各種地理處理工具和要處理的數據集直接拖動到模型構建器界面中，然后有序地把它們連接起來[6]（見圖1）。同時，模型和腳本可以組合應用，簡單的流程可以用 ModelBuilder通過可視化直接建模，復雜的流程可以借助腳本語言來編程[7]，模型可以直接調用這些結果。

1.2 模型的基本組成及類型

圖解模型主要由3部分組成:輸入數據、 輸出數據和空間處理工具。輸入數據和輸出數據可以是柵格數據集、shapefile、CAD，也可以是Coverage等[8]。由圖1可知，ModelBuilder中的元素為:①Tool，可以直接拖拽到Model中來使用；②Project，是執行工具前輸入的任何數據；③Derive是衍生數據，可以再次作為輸入數據參與下一步的處理。

圖形模型的類型包括單處理過程模型和復雜處理過程模型[9]（見圖2）。不論是建立簡單或復雜模型，都需要經過下列幾個步驟：①添加輸入數據；②添加空間處理工具；③添加連接；④保存模型；⑤添加注釋；⑥設置參數；⑦運行圖解模型。

圖1 空間處理模型組成示意圖

圖2 圖形模型的類型

2 研究方法

2.1 研究背景

國外某自然保護區計劃興建新的公路，但是公路會影響某種受保護鳥類的棲息環境。因此，在公路規劃中必須慎重考慮對受保護鳥類棲息地的影響問題。本案例的目的在于通過使用ArcGIS ModelBuilder找出該地區適合此種鳥類棲息的地方，并進行棲息地的分級評價，以供公路規劃部門參考，在建設公路時可以避開這些生態保護區。

動物棲息地的選擇涉及的因子很多，過程也相當復雜。由于我們的目的是通過這樣一個案例理解并掌握如何利用ArcGIS ModelBuilder進行建模，所以只利用已有的數據進行分析研究。在此，僅將影響因子設定為公路、此種受保護鳥類喜歡的植物、生態區地形坡度以及所要求的棲息地面積。

2.2 數據準備及要求

數據包括：①該地區的公路數據，包括每條公路的空間數據、公路等級數據、影響范圍等屬性數據；②植被數據，包括該地區植被類型等屬性數據和面積等空間數據；③坡度數據，不同的植物對于坡度的要求不一樣，所以坡度數據也是必不可少的。

根據有關專家的多年研究，適宜此種鳥類生活的地方應該符合以下要求：①植被類型是此種鳥類喜愛的；②坡度小于40°；③與公路保持一定的距離；4)面積不能太小，要大于101 171 m2。根據以上條件，就可以找出適合此種鳥類生活的地方。

2.3 用ArcGIS ModelBuilder實現建模的技術流程

ArcGIS10.1的界面和ArcGIS9.3有所不同。在ArcGIS10.1中，ArcCatalog作為一個窗口內嵌在ArcMap中，可以通過在ArcCatalog中的文件夾下新建工具箱的方式來創建一個Model，調出ArcGIS ModelBuilder模型構建器的運行環境。這個復雜的處理過程模型分別由5個單處理過程模型組合而成，如圖3。

圖3 建模流程圖

模型（A）：輸入數據是vegtype（植被類型）數據，處理工具是“篩選”工具，輸出數據是select（被選擇的植被類型）。如果模型的輸入輸出參數滿足條件，則模型被“打通”。在“查詢構建器”中輸入SQL語言“habitat=1”，選擇出滿足條件的要素。可以將輸出結果永久保存，也可以將其作為中間結果臨時保存，作為下一個模型的輸入數據。這里僅將其作為中間結果保存。

模型（B）：輸入數據有兩個，一個是模型（A）的輸出結果select，另一個是坡度數據slopelt40；處理工具是“相交”工具，輸出數據是intersect。此時的輸出要素類保存的是選擇的植被數據和坡度小于等于40°的數據的相交部分，將輸出要素類同樣作為中間結果臨時保存。

模型（C）：輸入數據是majorrds（主干道道路線性要素），處理工具是“緩沖區”工具，輸出數據是buffer（按照道路級別所作的緩沖區）。通過查詢道路要素的屬性表可知，一級道路緩沖半徑為400 m，二、三、四級道路緩沖半徑為250 m，可按照字段Distance直接選擇。將輸出的結果作為中間結果臨時保存（見圖4）。

圖4 道路緩沖結果

模型（D）：輸入數據是模型（B）和模型（C）的結果，處理工具是“擦除”工具，輸出數據是經過植被和坡度選擇后將道路緩沖區擦除的結果。將輸出要素類設置為中間結果臨時保存。

模型（E）：輸入數據是模型（D）的結果，處理工具仍然使用“篩選”工具，輸出數據是面積大小符合要求的要素類。利用“查詢構建器”輸入SQL語言“Shape_Area>=101171”，得出最終結果作為永久數據保存。

模型確認無誤后，就可以運行模型了。模型最終的運行結果出現在保存的路徑當中，同時在ArcMap中進行相應的顯示（見圖5）。

圖5 生態區鳥類最優棲息地

2.4 生態區鳥類棲息地選擇評價

由于生態環境的日益惡化，鳥類棲息地的面積呈逐年減小的趨勢，如何找到適合鳥類、特別是瀕危鳥類生活的地方，并采取有效的保護措施是亟待解決的問題[10]。所以，對生態區鳥類棲息地的選擇不能只限于“最優”，必須擴大棲息地的選擇范圍，適當放寬生態區鳥類棲息地選擇的限制條件，劃分出不同級別。針對不同級別所缺少的自然生態條件，如果對鳥類的生活產生的影響不是很大，并且能夠通過人類的行動加以適當改變，則可以將其納入潛在的鳥類棲息地范圍。這就需要對生態區鳥類棲息地進行選擇評價，分為最適合、比較適合、適合和不適合幾個等級。

2.4.1 評價過程

首先，分別為3個面域要素——選擇的植被、坡度小于40°的區域、道路的影響范圍添加字段并賦值，見表1。然后，對3個矢量面域數據進行區域疊加分析。這里要用到“聯合”處理工具，用于計算輸入要素的幾何并集，并將所有要素及其屬性都寫入輸出要素類。最后，對鳥類棲息地選擇結果進行分級，在屬性表中添加字段“class”，利用“字段計算器”分別將所添加的字段值相加，計算式為[roa]+ [slo]+ [veg]。通過計算結果，確定分類級別class的值分別為-1、0、1、2。符號化后，進行生態區鳥類棲息地選擇的分級顯示，見圖6。

表1 影響因子賦值

圖6 生態區鳥類棲息地選擇評價

2.4.2 評價結果

圖6中，紅色地塊表示最適合此種瀕危鳥類棲息的地方。黃色地塊則表示該地塊比較適合鳥類棲息，比如已經滿足了鳥類對于棲息地坡度的要求，并且和道路也有一定的距離，但是由于缺少鳥類喜愛的植物而使得鳥類很少“光顧”。對于這種情況，我們可以在這些地區適當栽培種植一些鳥類喜愛的植物類型，把其當成潛在的鳥類棲息地來加以重點保護。圖上的綠色地塊都在道路緩沖區域內，不適合鳥類棲息。深綠色地塊非常不適合鳥類棲息，可能缺少多個鳥類棲息地的必備條件。

3 結 語

本文利用ArcGIS ModelBuilder建立了生態區鳥類棲息地選擇模型，不但選擇出了所給鳥類的最佳棲息地，而且對生態區鳥類棲息地進行了評價，并對生態區鳥類最優棲息地的保護和潛在棲息地的保護提出了建設性意見。將 GIS 技術應用于生態區鳥類棲息地的選擇，充分發揮了GIS 在空間數據管理及分析方面的優勢[11]。利用ModelBuilder建立模型，可以一鍵式快速完成對空間數據的分析處理，使得沒有經過GIS專業訓練的人員以及其他領域的研究學者也能夠輕松體驗到GIS給空間數據處理和分析所帶來的便利。

[1]成秋明,劉江濤,張生元,等.GIS中的空間建模器技術及其在全國礦產資源潛力預測中的應用[J].地球科學-中國地質大學學報,2009,34(2):338-346

[2]楊馳. GIS空間分析建模構想[J].測繪通報,2006(11): 22-25

[3]李鴻奎,解鵬,馮曉琳,等.基于ModelBuilder的農用地圖斑地形因子自動提取與應用[J].國土與自然資源研究,2013(3):21-22

[4]張正旺,鄭光美.鳥類棲息地選擇研究進展[C].中國動物學會65周年年會，北京,1999

[5]湯國安.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2006

[6]許為一.GIS空間處理建模在城市規劃設計中的應用研究[D].南昌：江西師范大學，2008

[7]何勇.GIS過程建模與集成化研究[D].武漢：武漢大學，2004

[8]丁華祥,唐力明.空間處理建模技術的概念和應用——利用ArcGIS ModelBuilder工具實現空間數據的轉換[J].測繪通報,2009(1): 64-67

[9]陳雪冬.紅水河上游“龍灘水庫GIS”空間分析應用模型的設計與實現[D].成都：成都理工大學，2004

[10]楊勇.大斑啄木鳥棲息地選擇和適宜性評價研究[D].北京：北京林業大學，2011

[11]聶倩,閆利,蔡元波.基于遙感和GIS的土地適宜性評價[J].地理空間信息,2009(2): 28-30