ArcGIS在野生動物空間分布研究中的應用

高健峰 徐睿澤 劉錦繡

(中國地質大學(北京)信息工程學院，北京，100083)

在任一選定的時刻或時間段，野生動物個體或群體均在其所處環境中有一個唯一對應的空間位置，而這種空間屬性與野生動物的行為緊密相連[1]。如何迅速而有效地發現和研究野生動物空間位點之間的關系和規律，是人們關注和需要解決的問題。在過去，由于技術的限制，人們往往用尺子、測量儀等實測工具對野生動物進行勘察和分析，導致人們對于野生動物空間分布研究十分有限與低效。近幾十年來，隨著地理信息科學和計算機技術的發展、DBMS(database management system)技術的進步、面向對象的編程語言、移動設備以及地理信息系統(geographic information system，GIS)的廣泛使用，已經促使GIS在野生動物空間研究中發揮了更加重要的作用，并有著更加廣闊的前景。本文對ArcGIS在野生動物空間分布研究中的應用現狀進行分析總結并予以前景展望。

1 ArcGIS的特點

ArcGIS在2004年推出的ArcGIS 9已經有了一個完整的GIS軟件集合，它包括了一系列的GIS框架：ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，移動GIS，服務端GIS等。ArcGIS作為一個功能強大、開放性強、可拓展、可伸縮、多層次的平臺，可以適用于絕大部分空間分析的研究，同樣ArcGIS在研究野生動物空間方面也有較為廣泛的應用。目前全球首款支持云結構Esri公司已經推出了ArcGIS 10版本，分析討論ArcGIS在野生動物空間分析相關研究中的應用，可為野生動物研究數據處理平臺的構建提供支持。

2 ArcGIS在野生動物空間分布研究中的應用

ArcGIS廣泛的應用技術來源于統計學領域之外，如地理學、人口、土地利用、生態環境、景觀、地統計學、計量經濟學、流行病學，或者城市和區域規劃以及相關文獻。分析ArcGIS有關文獻關鍵詞的出現頻率，充分表明ArcGIS在空間分布與分析、時空分布與變化、空間數據庫、空間自相關、空間格局等領域具有強大的功能和廣泛、典型的應用。ArcGIS在野生動物空間分布相關研究中處于不可替代的地位，在研究野生動物的棲息生境選擇、領域確定、活動節律、遷徙路線等方面均有廣泛的應用前景。ArcGIS通過自身的可擴展軟件結構，為GIS應用提供了一個具有伸縮性的軟件平臺，使不同專業的使用人員可以開發出一系列針對具體專業的“插件”式模塊。利用這些模塊可以顯著地擴展ArcGIS的功能。目前已有許多應用于野生動物行為生態研究的插件，如美國地質調查局(USGS，2003)開發的“Animal Movement”系列模塊就是代表[1]。

2.1 ArcGIS在野生動物生境研究中的應用

2.1.1 生境影響因子分析

生境(habitat)是野生動物生存的環境，其質量的好壞直接關系到野生動物的命運[2-3]。影響野生動物的生境因素主要包括三個方面，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、土地開發程度、農業活動等。由于每個種類的野生動物對生境的需求不同，并且差異性較大，所以很難得到的一個包含所有野生動物生境因子指標體系，這也就提升了研究各類野生動物的生境因子的難度。以往很多研究都認為動物群落的空間結構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確性和效率。例如，Hooker等利用GIS軟件對影響加拿大東部海岸鯨類(Cetacea)分布的生境因子(水深，時間，溫度)進行了研究，得到了鯨的分布規律和結論，為保護和評估鯨類提供了科學性的根據[8]；張星爍等使用了ArcGIS 10.0軟件模擬隨機分配，以調查相鄰領域相互作用對于斑背大尾鶯(Locustellapryeri)空間分布的影響[9]；李亞藏等利用ArcGIS軟件對數據進行處理，利用ArcGIS中自然斷點法進行分區，將計算得到的生境影響因子制成東北虎(Pantheratigrisaltaica)生境適宜性分級圖，評價并預測東北虎的適宜生存的生境，為建立中國東北虎自然保護區和放歸工作提供參考[10]。

2.1.2 生境分析模型構建

ArcGIS作為GIS學科的基礎軟件，有著強大的分析功能和開放性，并且待解決的問題往往錯綜復雜，是單單ArcGIS解決不了的。這也就決定了ArcGIS與其他理論相結合產生相對綜合的分析模型。在生境分析方面，一般采用ArcGIS與數學模型綜合成一種預測工具，尤其是柵格數據對空間數據的模擬與評估十分有效[11]。過去，人們常常利用HEP/HIS模型和多元統計模型進行野生動物生境分析，多元統計模型相比與前者具有歸納性強，減少檢驗問題到最低限度等特點[12]。目前已有越來越多的模型應用到野生動物分析當中，如王俊基于MaxEnt模型和ArcGIS的分析功能科學地對神農架川金絲猴(Rhinopithecusroxellana)的生境進行診斷與評價，利用ArcGIS將所有處理過的數據圖層轉換為MaxEnt模型需要的ASCII文件格式，之后對環境變量數據進行處理，并利用柵格計算工具計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地圖代數理論、生態位模型、累積耗費距離模型等研究方法，在ArcGIS軟件的支持下，對吉林省琿春地區東北虎棲息地進行研究，為東北虎棲息地的保護、恢復、生境適宜性等提供參考[14]；張立博基于MaxEnt模型，利用ArcGIS中near功能計算柵格中心點到河流道路等的距離，并利用近20年內蒙古高格斯臺地區馬鹿(Cervuselaphus)生境格局變化數據，對其生境結構進行分析與評價[15]。

2.1.3 生境破碎化分析

生境破碎化是指對生境的破壞，分為生境喪失和生境分割兩個方面，即生境被徹底破壞和一大片生境被破壞成許多小區域的生境。造成生境破碎化的原因是由于人為或環境因素導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]。并且生境破碎化對種群會產生嚴重的影響，如減少物種擴散的機會、限制種群分布、影響植物傳播種子、降低野生動物遺傳效應等[17-19]。近年來隨著人類活動范圍的不斷擴大，亂砍濫伐污染環境的現象嚴重，越來越多的生境被破壞，對于生境破碎化的研究也就成了必要和熱點之一。張明海等對野生東北虎現狀及其保護研究表明，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期遭受大面積、超強度的采伐， 盡管實施了天然林保護工程， 但其恢復的進程是長期和緩慢的[20]。利用ArcGIS功能可以將生境破碎化的區域可視化，并利用強大的分析功能對區域的預測和保護提出建設性意見。如古麗巴努·阿不來提利用ArcGIS對塔里木盆地馬鹿亞種(Cervuselaphusyarkandensis)棲息地適宜性進行分析，研究馬鹿塔里木亞種棲息地破壞情況和評估其生境適宜性[21]；廉歡等通過對瀾滄江流域水電站數量、級別和人為污染物排放等數據的收集整理，利用ArcGIS對收集的數據進行插值處理，對研究區域河流生境破碎化進行空間分析評價[22]；陳艷等針對近年來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象，利用Shannon-Wiener指數和ArcGIS制圖功能對流域破碎化程度進行分區，再利用空間疊加分析功能探究河流生境破碎化對魚類(輻鰭魚綱Actinopterygii)物種多樣性的影響[23]；孫海義等利用ArcGIS對1976-1999年東北虎分布區變化作出評估，對20世紀末東北虎分布區的變遷進行了直觀的探究[24]。

2.2 ArcGIS在野生動物空間分布與監測方面的應用

GIS中的空間分析是對空間的查詢與量算，即對對象的空間和屬性數據進行分析的一系列技術[25]。空間分析也早已成為GIS的核心功能之一，它特有的對空間信息的提取、表現和傳輸功能，是地理信息系統區別于一般信息系統的主要功能特征。空間分析在地理學以及其他有關學科中日益得到重視并且空間分析所包含的學科跨度較大，從19世紀中期John Snow醫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技術、經濟、天文學、地球科學、文化、科學各個領域中，空間分析技術已經有了較為成熟的體系和方法。

對野生動物的監測和統計數據后，為了對野生動物有宏觀的把控和具體的分析，人們常常將空間分析技術引入到野生動物學。而空間分析作為GIS的核心和靈魂，有著思想多源、方法多樣、技術復雜的顯著特點[26]。同時，ArcGIS作為一款GIS軟件，基本可以滿足絕大部分對空間分析的操作，可以對空間屬性信息進行空間信息量算、緩沖區分類、網路分析、空間統計分析、疊加分析、空間信息分類等操作，極大地滿足了人們的需要。為野生動物的防治、監測、評估、分級統計等提供了便利。如圖1，筆者利用ArcGIS作出了我國野生動物危害核密度分級圖，為人們直觀地認識各地區野生動物損害程度提供幫助。ArcGIS在野生動物空間分布分析具體的應用較為廣泛，如范志強等提出應用GIS對有蹄類動物棲息地的狀況進行評估[27]；劉祥等利用ArcGIS軟件將監測數據制成淮河流域典型河流大型底棲野生動物調查點位圖[28]；Wood等利用ArcGIS軟件提出了一種評估生態脆弱型的GIS概念模型，并以蘇格蘭地區為例，對野生動物的時空分布進行探究[29]；沈拓等利用ArcGIS中核密度估計，并以高斯正態函數作為核函數，得到密云區野生動物危害核密度估計圖，對密云野生動物危害熱點進行空間點模式分析[30]；劉強等仿制美國地震局(USGS，2003)基于ArcGIS平臺開發出的一系列擴展插件，利用最小凸多邊形法(MCP)得到野生動物活動范圍[1]。

圖1 中國野生動物危害核密度估計圖Fig.1 Kernel density estimation for China’s wildlife hazards

2.3 ArcGIS在自然保護地設計中的應用——以自然保護區為例

自然保護區(nature reserve，NR)是指對具有代表性的生態系統、瀕危野生動植物物種的天然集中分布、有特殊含義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、水域，依法予以特殊看管和保護的區域，同時也可以促進教育，促進地區經濟發展，滿足人們回歸自然的愿望[31]。自然保護區分國家級自然保護區和地方級自然保護區，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。中國作為世界上自然資源最為豐富的國家之一，為進行生物多樣性的就地保護，已有較為成熟的保護區體系。截至2015年，中國已建立2 740處自然保護區，總面積達147萬km2，已基本形成布局較為合理的自然保護區體系[32-33]。但是仍有一些地區未經自然保護區的保護，野生動物也正遭一些不法分子獵殺，所以對自然保護區的研究仍然是十分重要的。

對保護區的建立與分析，國內雖然起步較晚，但是勢頭較好，并且ArcGIS的出現，給研究人員規劃保護區帶來了極大便利。筆者利用河南省海拔、坡度、森林覆蓋率、人口密度、城鎮用地面積比重、水資源量等數據與DEM數據，在ArcGIS中處理并制作出河南省自然保護區開發適宜性綜合評價分級圖(圖2)，為建立河南省保護區提出建議。付勵強等利用ArcGIS 9.3軟件中的核密度分析工具和Buffer Wizard建立緩沖區進而建立空間分布數據庫，制作國家級自然保護區和國家級風景名勝區空間分布圖[34]；Scott等利用ArcGIS 9.3建立帶有各自然保護區地理坐標的空間分布圖層，并提取各保護地的空間信息[35]；李浩等基于CA-Markov模型，之后利用ArcGIS將矢量數據轉換為柵格數據進行分析制圖，對扎龍濕地景觀變化進行研究評估[36]；Perkl利用ArcScene與ADM模型，將GIS與野生動物走廊設計相結合，并對野生動物保護進行規劃[37]；孟令軍利用ArcGIS將NDVI數據代入植被覆蓋度的計算式，并進行空間運算，之后對DEM數據進行坡度提取，水文分析，綜合得出適宜東北虎生存的國內的區域，為建立中國東北虎自然保護區提出了寶貴的建議[38]。

圖2 河南省野生動物保護區開發適宜性綜合評價分級圖Fig.2 Grading map for comprehensive evaluation of development suitability， Henan nature reserves of wildlife

3 前景與展望

3.1 基于云計算在ArcGIS中對野生動物研究應用

云計算(cloud computing)是分布式計算的一種類型，是通過網絡將數據計算處理程序分化為無數個小的程序，然后，再通過多部服務器組成的系統進行處理和分析這些小程序得到結果并返回給用戶。近年來隨著科學技術的進步，云計算逐漸成為信息產業發展的重點，而ArcGIS也是其中的一員。云計算在ArcGIS 10中已經有了一定的應用，它實現了協同GIS、一體化GIS、三維GIS、時空GIS和云GIS這五大飛躍[39]。云計算可以使ArcGIS在野生動物空間分布研究中得到更為廣泛的應用。

在未來，隨著云計算技術的不斷強大，會推動ArcGIS軟件平臺的進一步發展。由于遙感圖像具有實時性、數據量大的特點，未來的ArcGIS可能會向快速處理大數據進而將實時的遙感影像轉換為柵格、矢量數據便于分析和研究。在野生動物研究方面，可以將野生動物的遙感數據實時地傳送到ArcGIS軟件中，以供數據獲取。隨著遙感技術的發展，傳感器的空間分辨率會大大提升，通過遙感影像觀察野生動物的分布、數量也會成為現實。而這時就需要ArcGIS實時處理遙感影像以進行快速分析，以便解決許多野生動物的瘟疫、不正常現象等的突發狀況，為迅速、宏觀把控地區野生動物空間分布及研究做出貢獻。

3.2 基于多元統計技術在ArcGIS中對野生動物研究應用

由于我國人口眾多，對生境的破壞程度遠遠大于一些發達國家，生境破碎化現象較為嚴重也導致了許多野生動物瀕臨滅絕，對生境的保護任重而道遠。我們應該對國家的稀有動植物資源重視起來。隨著科學技術的迅速發展，分析野生動物的方法變得越來越復雜。基于ArcGIS軟件和多元統計技術為獲取與生境有關的環境因子互相之間的關聯提供了強有力的支撐，也因此，這種綜合的研究方法應該是未來較為適合的研究方法[40]。

3.3 基于5G技術在ArcGIS中對野生動物研究應用

5G網絡(5G Network)是第五代移動通信網絡，其峰值理論傳輸速度可達1 GB/8 s，比4G網絡的傳輸速度快數百倍。5G在不久之后會逐漸融入生活之中，改變我們的生活。5G雖然是移動通信網絡，但是其表現出來的高速度、穩定性可以改變人們對信息處理的方式方法。傳輸穩定性的提高，使研究人員在使用5G網絡技術利用ArcGIS進行遙感數據處理時，不會因為工作場景復雜而造成傳輸時間過長或者傳輸不穩定的情況，可以極大地提高研究人員的工作效率。同時，5G也可以促進中國新一代的PNTRC系統的發展，對海陸空全方位的把控，可以使野生動物的研究更加具體、全面。并且隨著5G的出現，將ArcGIS軟件搬到移動端也是前景之一，移動端ArcGIS的出現也可以將空間數據分析帶入一個方便、快捷的新時代。