基于GIS的生物多樣性監測與評價系統構建研究

【摘要】將生物多樣性評價理論與GIS技術相結合，著重分析了生物多樣性監測與評價指標體系的建立，基于GIS技術開發了生物多樣性監測與評價系統，并結合沙坡頭自然保護區的實例，實現了對生物多樣性科學、高效、客觀的可視化評價。

【關鍵詞】生物多樣性；GIS；指標體系；評價系統

1、系統建立背景

生物多樣性是生物及其與環境形成的生態復合體以及與此相關的各種生態過程的總和，是一個內涵十分廣泛的重要概念。然而隨著人口的迅速增長人類經濟活動的不斷加劇，作為人類生存最為重要的基礎的生物多樣性受到了嚴重的威脅，為了確定與預期標準相一致或相背離的程度而對生物多樣性進行定期或不定期的監測是必要的。

因此，需要針對自然保護區關鍵種群及其棲息地、人為干擾情況、自然環境特征及自然災害等典型對象和問題，綜合運用地面調查、在線監測、衛星遙感監測等多種技術手段，建立“天地一體化”的生物多樣性監測與評價系統，提升生物多樣性監測與管理水平。在此基礎上，進一步推進我國自然保護區生物多樣性保護工作。

2、系統總體設計

2.1 總體設計。自然保護區生物多樣性監測與評價系統總體功能設計見下圖，主要分為監測、評價兩大部分功能。

2.2 基礎軟件建設。基礎支撐軟件平臺包含數據庫軟件（SQL SERVER 2008）和GIS平臺（Supermap iServer 6R）。其中GIS平臺屬于服務式GIS平臺，服務式GIS平臺用于B/S架構應用軟件平臺中的地圖展示和操作。

2.3 空間數據采集。空間數據主要包括基礎數據、遙感數據和生態專題數據。

基礎數據主要是沙坡頭自然保護區邊界、功能區等已有的基礎數據，包括基礎地理數據、動植物分布數據和土地利用數據。基礎數據原始格式為MAPGIS格式（WP、WL、WT），需要經過格式轉換和坐標轉換進行處理。

遙感數據主要是中等空間分辨率的陸地衛星數據，地面分辨率30m和15m。對于遙感數據，處理內容主要包括幾何校正、正射校正、影像融合、拼接與切割、色彩調整、投影變換與格式轉換等。

生態專題數據主要包括土地利用數據、林木覆蓋度、地表溫度（LST）、NDVI（歸一化植被指數）、NPP（凈初級生產力）、EVI（增強型植被指數）等。

3、評價指標體系構建

3.1 指標體系構建模型。生物多樣性評價中的常用的指標體系模型包括“壓力—狀態—響應模型”（PSR） （OECD， 1993）、“驅動力—狀態—響應模型”（DSR） （U-NCSD， 2001）與“驅動力—壓力—狀態—影響—響應模型”（DPSIR） （EEA， 1999； 2010 BIP， 2010）等。其中，DPSIR模型較前兩個模型具有更強的邏輯性和整體性，尤其解決了驅動力指標與狀態指標之間的邏輯缺陷，是目前生物多樣性評價指標體系依據的主要模型。

在DPSIR概念模型中，驅動力是造成環境變化的潛在原因；壓力是指人類活動對自然環境的影響，是環境的直接壓力因子；狀態是指環境在上述壓力下所處的狀況；影響是指環境所處的狀態對人類健康和社會經濟的影響；響應過程表示人類在促進可持續發展進程中所采取的積極對策和政策。

3.2指標體系框架。本文以寧夏中衛沙坡頭自然保護區為研究區域，應用DPSIR（驅動力—壓力一狀態一影響—響應）模型，結合沙坡頭自然保護區自身屬性，構建并設計了“目標層—狀態層—要素層—評價指標—監測指標”五層結構的自然保護區生物多樣性監測與評價體系。

沙坡頭自然保護區屬于干旱半干旱荒漠生態類型的自然保護區，主要保護典型溫帶沙漠自然生態系統及其生態演替，特有稀有野生沙地動、植物及其生存繁衍的生態環境和以防護林工程為主體的人工生態系統及其治沙科研成果，以及區內各名勝古跡和歷史遺跡。由于沙漠自然環境變化劇烈，沙漠自然生態系統、人工生態系統以及典型動植物對環境變化有著較強的敏感度，環境、水文和氣候變化是造成生物多樣性改變的潛在因素，因此驅動力層包括環境要素、水溫要素和氣候變化三個要素層；人類活動、污染排放和自然災害是生物多樣性的直接壓力因子，即作為壓力層；狀態層包括自然保護區生物多樣性狀況及生態系統健康度，表征生物多樣性在壓力下的狀態；影響層包括自然保護區對人類的影響，如保護區植物可起到氣候調節、防風固沙作用，生物多樣性則具有科研價值；響應層則是為實現生物多樣性可持續發展而采取的積極措施。所構建的指標體系如表3所示。

4、基于GIS的生物多樣性監測與評價系統構建

4.1 系統概述。生物多樣性監測與評價基于面向對象的可視化程序設計語言c#，以SQL SERVER 2008做底層數據庫進行開發，在Supermap iServer 6R的基礎上進行了二次開發，增加了適用于生物多樣性監測與評價的計算及分析模塊，使系統具備GIS成熟的空間管理分析功能的同時，計算功能更加實用。

4.2 系統功能設計。生物多樣性監測與評價系統主要包括監測與評價兩大功能模塊。

自然保護區監測功能主要包括生物多樣性監測、自然生態環境監測、環境質量監測、自然災害監測和人為干擾監測等；同時具有監測數據管理、基本信息管理和數據字典信息管理等信息管理功能。該模塊中的數據主要采用GIS平臺導入和手工錄入的方式導入系統并進行編輯和顯示。

自然保護區分析評價系統可基于多源數據，對生物多樣性、自然生態環境進行專題評價，根據構建的自然性、代表性、多樣性、稀有性、適宜性、生態脆弱性和人類威脅性等指標賦權重進行分項評價或綜合評價。

5、結論與展望

歸納總結國內外生物多樣性監測評價相關研究成果的基礎上，結合沙坡頭自然保護區的特點以及生態環境現狀特征，提出了一個完整的具有層次性、結構性的生物多樣性監測評價指標體系。

通過進行自然保護區生物多樣性監測與評價，可提高自然保護區生態環境監管能力，并為相關管理部門提供決策支持。

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作者簡介：陳瑋（1987-）女，山西太原人，研究生，山西農業大學，助教。研究方向：測繪及地理信息應用。