基于GIS技术的动物物种管理及保护

王 浩，杨德宏，满亚洲



基于GIS技术的动物物种管理及保护

王 浩，杨德宏，满亚洲

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

近年来，随着科学技术的发展，传统意义上的动物地理学和生态学，其研究手段在野生动物研究中存在诸多的局限性，难以适应野生动物研究的新形势。同时，不同技术手段之间的融合应用与发展也逐渐成为一种热点和趋势，因此，GIS技术应运而生。目前，GIS技术的应用范围越来越广泛，在诸多领域都发挥出了重要的作用，将GIS技术引入野生动物的物种管理及保护的研究之中，是近年来对于GIS技术的一种新的应用。本文首先介绍GIS技术相关的基本理论，接着从几方面综合阐述该技术在动物物种管理保护研究中的应用，以及在我国相应领域的应用现状和前景，以供参考。

GIS；动物物种；物种管理；物种保护

0 引言

动物是自然界的一部分，也是自然生态链中的一部分。我国新修订的野生动物保护法于2017年1月1日开始正式实施，标志着中国的动物保护工作进入了一个新的阶段。将GIS技术融入对动物物种的管理和保护当中不失为一种行之有效的手段和方法。GIS技术在我国动物物种管理与保护研究的相关应用仅处于起步阶段。动物物种管理和保护的研究使用GIS技术虽然取得了一些不错的成果，然而却并不能真正在野生动物物种的精确调查、监测、分析、管理和保护等方面发挥作用。据相关资料统计显示，GIS技术在以下动物资源的管理保护中发挥了重要作用：青海三江源自然保护区借助GIS技术，选取多个生态因子对马麝栖息地进行适宜性评价，以此开展对马麝的物种管理与保护工作[1]；四川卧龙自然保护区内利用GIS的相关技术研究动物的栖息环境，为大熊猫、小熊猫、金丝猴等珍稀物种的管理和保护管理提供信息；西双版纳国家级自然保护区建立了涉及高程、植被等多个主题层次的GIS系统，参与对多个热带珍稀动物物种的管理与保护等等[2]。然而GIS技术在野生动物物种的管理与保护工作上真正发挥重要作用，任重而道远。

1 GIS技术的基本理论

地理信息系统（GIS——Geographical Information System）是建立在信息科学、空间科学以及地球科学基础上的一门交叉学科[3]，它的发展与地理学、地图学[4]、计算机科学、遥感技术等涉及空间数据的采集、处理和分析的多种学科和技术息息相关，是多种学科共同发展的结果。目前，地理信息系统的应用已逐渐深入到各行各业当中，其应用极为广泛。

一个完整的地理信息系统主要是由四个部分组成，既计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）及系统的组织和使用维护人员。GIS的核心的部分是计算机系统，也就是计算机的软件和硬件部分；空间数据反映GIS的信息内容；系统的组织和维护人员决定了GIS系统的工作方式和信息的表达方式[5]。

GIS主要有以下6大功能：①空间数据的输入、存储和编辑；②空间数据的操作运算；③空间数据的查询和检索；④空间数据的应用分析；⑤空间数据的更新；⑥空间数据的显示和结果输出。其中，GIS最为突出的功能是对空间数据和属性数据进行综合分析的功能，包括对空间数据和属性数据的采集、测量分类、处理、各种分析工作和决策支持等。[6-8]它能够在计算机的支持下，实现对各种数据和信息的精确快速的处理和分析。

2 我国野生动物管理保护现状

野生动物资源作为十分重要且不可或缺的资源，对这项资源的保护工作不容忽视。野生动物资源是生物资源中不可或缺的重要部分，我国的地域十分辽阔，为不同种类、不同习性的野生动物提供了相应的生存空间，可以说，中国是野生动物资源最多的国家之一。因此，加强对野生动物资源的管理保护工作对我国的国计民生有十分重要的意义。

2.1 当前我国的野生动物资源面临的威胁

在当前形势下我国的野生动物资源面临着严重威胁，我国的生物资源十分的丰富，但是在现行的经济快速发展的形势下，生物的稳定性遭到了破坏，在《濒危野生动植物种国际贸易公约》中所列出的世界性的濒危物种当中，中国的濒危物种占据了近25%的比例。当前，我国野生动物资源面临着以下的威胁：栖息地环境严重破坏、资源枯竭加剧、外来物种入侵、环境污染加剧、物种遗传多样性减少、疾病种类增多[9]。

2.2 当前我国野生动物保护现状

近年来，我国对野生动物的管理与保护的研究工作不断深入，取得了一定的成果。我国野生动物的管理与保护研究工作发展迅速，相关政策陆续出台。

自上世纪九十年代开始，我国开展了多次全国性的野生动物资源调查，特别是针对生物物种多样性的情况进行调查，以增加对我国野生动物物种情况的掌握，便于有针对性的采取对策。近年来，动物物种的濒危问题已经逐渐引起了人们的重视，诸多学者从遗传学与生态学的角度研究分析了物种数量的减少和濒危情况，揭示了当前形势下物种之所以受到威胁，除了自然环境被破坏甚至恶化之外，物种繁衍、生存与栖息的环境亦被破坏且破坏程度十分严重。因此，必须需建立濒危物种管理机制，强化野生动物物种的保护程度。同时，对野生动物物种的繁衍、生存与栖息的环境保护刻不容缓，要想使野生动物物种保持良好的存续状态，最为关键的是要恢复野生动物的栖息环境。这些年来，我国施行了对多种珍稀濒危物种生存环境的恢复与种群的复壮工作，取得了一定的成效。

但是，我国的野生动物物种的管理和保护工作形势仍不乐观。联合国大会将每年的5月22日定为“国际生物多样性日”。山水自然保护中心于2017年5月22日，向公众发布了《中国自然观察2016》。这份报告评估了从2000年至2015年之间的1085个濒危物种的保护状况，其中包括了《国家重点保护野生动物名录》中的全部物种。这份报告显示，在2014年所评估过的174个物种当中，保护状况总体改善的有26种，维持现状的有32种，变差的有116种；而当名录扩充至1085个物种后，评估显示，保护状况总体改善的只有102种，45个物种维持现状，738个物种变差[10]。显然，野生动物物种管理与保护状况比之前更糟了。这就进一步说明野生动物物种的管理与保护工作是十分必要且意义深远的。

3 GIS在物种管理与保护中的研究应用

地理信息系统（GIS——Geographical Information System）技术是从上世纪80年代初才在我国开始初步应用，发展至今已然取得了一些成果，例如初步建成我国国家地理信息系统数据库，并正式投入使用；诸多专题地理信息系统（资源调查、规划和环境、灾害监测等方面）研制成功，投入使用后取得了不错的研究成果，产生了巨大的经济和社会效益；智慧地球、智慧城市等技术发展迅速，并且在城市发展决策规划中发挥重要作用。近年来，地理信息系统技术发展势头迅猛，实用化程度不断提高，商品化进程、产业化进程正在加速发展并且不断提高。然而，GIS技术野生动物物种管理与保护方面，还是相当新的技术。

GIS技术在野生动物的物种管理与保护研究中的应用主要有以下几个方面：

（1）研究野生动物栖息地的分布

通过遥感手段（RS）和实时定位（GPS）技术对所研究的特定目标进行实时的动态空间信息的获取，利用GIS的数据库和分析功能，对数据进行实时地接收、处理、运算、分析等，绘制出野生动物繁衍、生存与栖息的分布图、同时确定所研究区域的生物多样性程度，进一步预测出目标动物物种的主要分布区域以及其物种的丰富度。通过GIS自动绘制的研究目标的分布区和物种丰富度，可以进一步研究目标的栖息地分布特征和分布规律以及形成规律，并且为目标动物的物种管理和保护制订相应的对策提供一定的科学依据。

GIS通过对所采集的目标动物栖息地的地理位置、海拔和经纬度可以对目标物种的分布数据进行实时的收集和处理，实时体现目标物种的动态变化，及时准确迅速地自动绘制目标动物物种的分布图，并且及时处理分析，迅速得到变化后的目标物种的丰富度。然后可以通过数值、文字，也可以用示意性的图形或图像、声音、动画等输出，为其他的研究者提供实时的信息资源，实现全国乃至世界范围内的信息共享。

通过对数据资料的收集与整理，以红耳鹎（Pycnonotus jocosus）在中国的分布变化（徐雪怡，2018）为例探讨GIS技术在野生动物栖息地分布方面的应用。

红耳鹎物种从1976至2016年，这40年间，其动物地理亚区发生了比较大的变化。（图1）1976年以来，至2016年，这40年当中，红耳鹎物种在中国的分布范围呈现一种辐射状扩散趋势，而且这种趋势在不断加大。通过对资料的整理和总结，发现红耳鹎在中国的分布，在广东广西分布尤为明显，在云南、贵州与福建等省份也有分布，在北方地区则较少出现。通过GIS手段对红耳鹎的栖息地分布分析，发现其栖息地更多的选择在林地灌丛等环境中，但是也发现红耳鹎在人类活动的区域，如公园、绿化区带等环境中栖息，故说明其可以适应人类生存的环境[11]。

图1 1976-2016年间红耳鹎在中国的分布[11]

∆标记点：1976至1989 年分布地变化；□标记点：1990至2005年分布地变化；○标记点：2006至2016年分布地变化。

利用GIS技术可以将野生动物的物种信息、 生存环境及其动态变化信息实时地采集、处理并录入地理坐标体系当中，极大地增强了对于空间问题的解决能力，同时也更使处理的结果更加精确快捷。这种研究动物物种分布空间格局的手段在野生动物物种的管理与保护的研究中具有十分重要的意义。

（2）研究野生动物物种多样性的动态变化

GIS技术可以将通过遥感（RS）、全球定位（GPS）技术所采集到的野生动物繁衍、生存及栖息的自然环境（地形、地貌、植被等）[12]、生态环境（天敌、寄生者和生存环境的时空分布等）、历史背景（气候变化、生态环境中的原生物种变化、植被变化等）信息综合起来，以此建立野生动物物种相关变化的动态分析模型，为相关物种的管理与保护提供决策和一定的科学依据[13]。

以青藏高原有蹄类动物的物种多样性（蒋志刚，2018）例探讨GIS技术在野生动物物种多样性的动态变化方面的应用。通过对资料的查阅，收集以及整理，我们能够发现在青藏高原上，有蹄类动物物种分布大致是东部分布较密，西部较为稀疏，其中在巴颜喀拉山、横断山脉和昆仑山脉东段分布最多，喜马拉雅山脉东段和祁连山脉分布次之，喜马拉雅山脉西段和柴达木盆地分布最少（图2）。

与青藏高原上有蹄类动物物种的分布密度不同, 青藏高原上特有的有蹄类动物物种主要集中分布在青藏高原的内部，其中在巴颜喀拉山脉东段、祁连山脉南坡昆仑山脉东段的分布最多，青藏高原西北部分布次之，柴达木盆地、青藏高原东部和东南部分布最少（图3）。

图2 青藏高原有蹄类物种的分布密度[14]

图3 青藏高原特有有蹄类物种分布密度[14]

青藏高原是探讨生物进化、物种保育、人类与野生动物关系等多方面内容的天然实验室（陈发虎等，2017）。但是，由于青藏高原地区面积较大且内部地形十分复杂，动物物种分布可能会随着环境的不断变化而变迁，同时，随着研究的不断深入与发展，我们还可能会发现新的有蹄类动物物种分布[14]。

通过GIS手段与已建立成功的生态学模型相结合，常常会被用来研究目标动物物种生存的生态环境系统中各重要组成部分的实时动态变化，这项融合技术成为了用来模拟野生动物物种多样性动态变化最为强力且最为便捷和精准的手段。

（3）研究野生动物物种管理与保护对策

据不完全统计，目前地球上的生物物种的数量大约有200万到1亿左右。野生动物资源是十分重要战略资源之一，动物的物种数量减少甚至濒临灭绝是当前世界上所面临的一个十分严峻的问题，因此对这项资源的保护工作不容忽视。当前，人为的破坏是造成动物物种灭绝速度加快的一个最重要的因素。联合国生物多样性大会对生物物种的灭绝速度进行了估测，有关专家认为当今地球上每小时约有3种生物灭绝，大约1天内灭绝近72种生物，1年内约有26280种生物灭绝[15]。虽然说对生物物种灭绝的确切的速度依然存在争议，但是不能否认的是,地球上大部份的生物处在水深火热之中。GIS技术在制定动物物种的管理与保护以及生物的物种多样性的保护对策方面发挥了极为重要的作用。在应用GIS评价动物保护区设置方面较为流行的是Scott提出的漏洞（Gap）分析模型[16]。Gap模型通过由卫星图像所获取的植被分布的类型，同时以蝶类和脊椎动物等生物作为生物多样性的指示物，然后采用GIS技术的地图叠加功能确定当前尚未被保护的生物物种。在对动物保护区的提出、规化和设计中，以GIS技术为基础的Gap模型能全面精准快捷地对动物物种的分布状况和管理与保护状况进行评价。此外，生物多样性信息系统在地理区域水平上保护动物物种多样性十分有效，该系统利用GIS技术来收集生物多样性的空间数据，然后将Gap模型和空间模型用于所收集的生物空间数据的运算、处理和分析，最后通过GIS的决策支持系统为动物物种管理与保护提供决策和一定的科学依据。

4 GIS在动物物种管理保护中面临的问题

GIS技术在野生动物物种管理与保护以及生物多样性的管理方面，其应用面临着十分严峻的挑战，主要有以下几点：

1）野生的动物具有天生警觉性和灵活的行动力，它们的躲避和藏匿行为使我们在野外取得相关的数据变得十分艰难；

2）野生动物在野外生存会遇到诸多问题，譬如季节、食物、自然灾害、疾病或其他原因，因此，其常常会处于迁徙状态，这就会使我们很难对野生动物的种群或者个体进行准确地定位；

3）野生动物所生存的地域存在着复杂的地形地貌，譬如由于森林中树木的覆盖，树下的动物物种的情况和数据很难被精确获取甚至在图表中体现；

4）野生动物生存栖息的环境中，存在着复杂的生态系统和食物链，不同动物物种之间存在着复杂的相关性，这直接影响着物种的繁衍生存和数量，然而这又使我们很难测定物种的精确数据。

这些问题使我们在动物物种的管理与保护和生物多样性等方面的研究相关数据的采集、处理、分析和输出模拟变得十分困难，从而桎梏了GIS技术与动物物种管理与保护研究的融合发展。

5 结束语

基于GIS技术的野生动物物种管理与保护工作，是将GIS的地理空间信息技术与野生动物物种的空间分布、物种多样性等专题信息有机结合，实现对现存的或者物种大量减少甚至面临濒危的野生动物的相关的信息资源进行收集、管理、处理空间分析、信息共享等。这项研究通过利用GIS技术的空间可视化以及图形直观的特点，为野生动物物种的管理与保护提供了一个安全可靠、功能强大、精准快捷、操作简便的GIS分析工具，为相关的研究和工作提供了进行决策和一定科学依据的分析平台。

基于GIS技术的野生动物管理与保护工作在最近几年取得了一些进展，但是与西方发达国家的野生动物物种管理保护工作相比还差得很远。以加拿大为例，其所有的国家级保护区在上世纪90年代末期就开始建立相关的GIS平台实现对动物物种的管理与保护工作，现在已形成了相当成熟的GIS平台和以及详细和完备的数字化地图，为野生动物的相关研究提供了巨大的支持和帮助。我国相关的研究工作正在展开并且逐渐普及，一些重要的专题地理信息系统逐步建立，并将长期而系统地为野生动物物种的管理与保护工作提供多样性的信息资源、监测和分析。GIS技术与野生动物研究工作相结合将在我国的动物物种的管理与保护工作中发挥出重要的作用。

[1] 张洪峰, 车利锋, 苏丽娜, 等. 青海三江源自然保护区马麝栖息地适宜性评价[C]//中国西部动物学学术研讨会. 2014.

[2] 解焱. GIS技术在保护区管理中的应用[C]. 全国生物多样性保护与持续利用研讨会. 1998.

[3] 马思根. 基于VB. NET的MAPGIS集成开发研究[D]. 昆明理工大学, 2005.

[4] 李振星, 邵峰晶, 孙仁诚, 李淑静, 吴舜尧. 基于分类的GIS地图符号快速标注算法[J]. 软件, 2012, 33(2): 108-110

[5] 胡刘学, 牛淑贤, 薛柏桥. 地理信息系统(GIS)与森林资源管理[J]. 陕西林业科技, 2010(2): 61-65.

[6] 陈美伊. 基于GIS 的旅游景区虚拟实现技术的研究[J]. 软件, 2015, 36(10): 30-32.

[7] 刘翔宇, 朱大明. Arcgis中基于Python的地理数据库批量合并方法研究[J]. 软件, 2018, 39(7): 161-165.

[8] 徐文祥, 李金良, 杨焱, 等. 关于地理信息系统在土地资源管理中的实践应用探讨[J]. 软件, 2018, 39(7): 199-201

[9] 李喜贵. 我国野生动物保护研究现状[J]. 农民致富之友, 2014(1): 109-109.

[10] 梁佩英. 野生动植物保护工作的现状、问题及对策[J]. 农技服务, 2017, 34(11): 147-148.

[11] 徐雪怡, 林源, 伊剑锋, 等. 40年间红耳鹎在中国的分布变化探讨[J]. 动物学杂志, 2018(1): 17-25.

[12] 陈德牛, 张国庆. 云南省西双版纳及邻近地区陆生贝类的新种记述与动物地理学分析(腹足纲: 前鳃亚纲: 原始腹足目: 中腹足目)[J]. Zoological Systematics, 1998, 23(4): 346-359.

[13] 刘鹏, 刘美娟, 张扬, 等. 白颈长尾雉生物学研究进展及展望[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 220-224.

[14] 蒋志刚, 李立立, 胡一鸣, 等. 青藏高原有蹄类动物多样性和特有性: 演化与保护[J]. 生物多样性, 2018(2).

[15] 晨曦. 一份发人深思的物种灭绝清单——物种灭绝忧思录(上)[J]. 生态经济, 2009(6): 18-21.

[16] 李一琳. 基于GIS和MaxEnt技术的褐马鸡历史分布区变化及保护区GAP分析究[D]. 北京林业大学学报. 2016, 38 (11).

Animal Species Management and Protection Based on GIS Technology

WANG Hao, YANG De-hong, MAN Ya-zhou

(College of land and resources engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

In recent years, with the development of science and technology, the traditional sense of the animal geography and ecology, the research methods in the study of wild animals has many limitations, it is difficult to adapt to the new situation of wildlife research. At the same time, the integration application and development of different technical means have gradually become a hot spot and trend. Therefore, GIS technology emerges at the historic moment. At present, the application of GIS technology is more and more widely, all play an important role in many areas, introducing GIS technology to the species of wildlife management and protection of research, is for a new application of GIS technology in recent years. This paper introduces the related basic theory of GIS technology, then the comprehensive elaboration from several aspects in the study of the technical management in animal protection applications, as well as the corresponding application status and prospect in the field of in our country, for your reference.

GIS; Animal species; Species management; Species protection

TP701；Q958

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.026

王浩(1993-)，男，研究生，主要研究方向：地理信息系统。

王浩，杨德宏，满亚洲. 基于GIS技术的动物物种管理及保护[J]. 软件，2018，39（12）：111-115