基于GIS的生物多样性监测与评价系统构建研究

【摘要】将生物多样性评价理论与GIS技术相结合，着重分析了生物多样性监测与评价指标体系的建立，基于GIS技术开发了生物多样性监测与评价系统，并结合沙坡头自然保护区的实例，实现了对生物多样性科学、高效、客观的可视化评价。

【关键词】生物多样性；GIS；指标体系；评价系统

1、系统建立背景

生物多样性是生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，是一个内涵十分广泛的重要概念。然而随着人口的迅速增长人类经济活动的不断加剧，作为人类生存最为重要的基础的生物多样性受到了严重的威胁，为了确定与预期标准相一致或相背离的程度而对生物多样性进行定期或不定期的监测是必要的。

因此，需要针对自然保护区关键种群及其栖息地、人为干扰情况、自然环境特征及自然灾害等典型对象和问题，综合运用地面调查、在线监测、卫星遥感监测等多种技术手段，建立“天地一体化”的生物多样性监测与评价系统，提升生物多样性监测与管理水平。在此基础上，进一步推进我国自然保护区生物多样性保护工作。

2、系统总体设计

2.1 总体设计。自然保护区生物多样性监测与评价系统总体功能设计见下图，主要分为监测、评价两大部分功能。

2.2 基础软件建设。基础支撑软件平台包含数据库软件（SQL SERVER 2008）和GIS平台（Supermap iServer 6R）。其中GIS平台属于服务式GIS平台，服务式GIS平台用于B/S架构应用软件平台中的地图展示和操作。

2.3 空间数据采集。空间数据主要包括基础数据、遥感数据和生态专题数据。

基础数据主要是沙坡头自然保护区边界、功能区等已有的基础数据，包括基础地理数据、动植物分布数据和土地利用数据。基础数据原始格式为MAPGIS格式（WP、WL、WT），需要经过格式转换和坐标转换进行处理。

遥感数据主要是中等空间分辨率的陆地卫星数据，地面分辨率30m和15m。对于遥感数据，处理内容主要包括几何校正、正射校正、影像融合、拼接与切割、色彩调整、投影变换与格式转换等。

生态专题数据主要包括土地利用数据、林木覆盖度、地表温度（LST）、NDVI（归一化植被指数）、NPP（净初级生产力）、EVI（增强型植被指数）等。

3、评价指标体系构建

3.1 指标体系构建模型。生物多样性评价中的常用的指标体系模型包括“压力—状态—响应模型”（PSR） （OECD， 1993）、“驱动力—状态—响应模型”（DSR） （U-NCSD， 2001）与“驱动力—压力—状态—影响—响应模型”（DPSIR） （EEA， 1999； 2010 BIP， 2010）等。其中，DPSIR模型较前两个模型具有更强的逻辑性和整体性，尤其解决了驱动力指标与状态指标之间的逻辑缺陷，是目前生物多样性评价指标体系依据的主要模型。

在DPSIR概念模型中，驱动力是造成环境变化的潜在原因；压力是指人类活动对自然环境的影响，是环境的直接压力因子；状态是指环境在上述压力下所处的状况；影响是指环境所处的状态对人类健康和社会经济的影响；响应过程表示人类在促进可持续发展进程中所采取的积极对策和政策。

3.2指标体系框架。本文以宁夏中卫沙坡头自然保护区为研究区域，应用DPSIR（驱动力—压力一状态一影响—响应）模型，结合沙坡头自然保护区自身属性，构建并设计了“目标层—状态层—要素层—评价指标—监测指标”五层结构的自然保护区生物多样性监测与评价体系。

沙坡头自然保护区属于干旱半干旱荒漠生态类型的自然保护区，主要保护典型温带沙漠自然生态系统及其生态演替，特有稀有野生沙地动、植物及其生存繁衍的生态环境和以防护林工程为主体的人工生态系统及其治沙科研成果，以及区内各名胜古迹和历史遗迹。由于沙漠自然环境变化剧烈，沙漠自然生态系统、人工生态系统以及典型动植物对环境变化有着较强的敏感度，环境、水文和气候变化是造成生物多样性改变的潜在因素，因此驱动力层包括环境要素、水温要素和气候变化三个要素层；人类活动、污染排放和自然灾害是生物多样性的直接压力因子，即作为压力层；状态层包括自然保护区生物多样性状况及生态系统健康度，表征生物多样性在压力下的状态；影响层包括自然保护区对人类的影响，如保护区植物可起到气候调节、防风固沙作用，生物多样性则具有科研价值；响应层则是为实现生物多樣性可持续发展而采取的积极措施。所构建的指标体系如表3所示。

4、基于GIS的生物多样性监测与评价系统构建

4.1 系统概述。生物多样性监测与评价基于面向对象的可视化程序设计语言c#，以SQL SERVER 2008做底层数据库进行开发，在Supermap iServer 6R的基础上进行了二次开发，增加了适用于生物多样性监测与评价的计算及分析模块，使系统具备GIS成熟的空间管理分析功能的同时，计算功能更加实用。

4.2 系统功能设计。生物多样性监测与评价系统主要包括监测与评价两大功能模块。

自然保护区监测功能主要包括生物多样性监测、自然生态环境监测、环境质量监测、自然灾害监测和人为干扰监测等；同时具有监测数据管理、基本信息管理和数据字典信息管理等信息管理功能。该模块中的数据主要采用GIS平台导入和手工录入的方式导入系统并进行编辑和显示。

自然保护区分析评价系统可基于多源数据，对生物多样性、自然生态环境进行专题评价，根据构建的自然性、代表性、多样性、稀有性、适宜性、生态脆弱性和人类威胁性等指标赋权重进行分项评价或综合评价。

5、结论与展望

归纳总结国内外生物多样性监测评价相关研究成果的基础上，结合沙坡头自然保护区的特点以及生态环境现状特征，提出了一个完整的具有层次性、结构性的生物多样性监测评价指标体系。

通过进行自然保护区生物多样性监测与评价，可提高自然保护区生态环境监管能力，并为相关管理部门提供决策支持。

参考文献：

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作者简介：陈玮（1987-）女，山西太原人，研究生，山西农业大学，助教。研究方向：测绘及地理信息应用。