ArcGIS在野生动物空间分布研究中的应用

高健峰 徐睿泽 刘锦绣

(中国地质大学(北京)信息工程学院，北京，100083)

在任一选定的时刻或时间段，野生动物个体或群体均在其所处环境中有一个唯一对应的空间位置，而这种空间属性与野生动物的行为紧密相连[1]。如何迅速而有效地发现和研究野生动物空间位点之间的关系和规律，是人们关注和需要解决的问题。在过去，由于技术的限制，人们往往用尺子、测量仪等实测工具对野生动物进行勘察和分析，导致人们对于野生动物空间分布研究十分有限与低效。近几十年来，随着地理信息科学和计算机技术的发展、DBMS(database management system)技术的进步、面向对象的编程语言、移动设备以及地理信息系统(geographic information system，GIS)的广泛使用，已经促使GIS在野生动物空间研究中发挥了更加重要的作用，并有着更加广阔的前景。本文对ArcGIS在野生动物空间分布研究中的应用现状进行分析总结并予以前景展望。

1 ArcGIS的特点

ArcGIS在2004年推出的ArcGIS 9已经有了一个完整的GIS软件集合，它包括了一系列的GIS框架：ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，移动GIS，服务端GIS等。ArcGIS作为一个功能强大、开放性强、可拓展、可伸缩、多层次的平台，可以适用于绝大部分空间分析的研究，同样ArcGIS在研究野生动物空间方面也有较为广泛的应用。目前全球首款支持云结构Esri公司已经推出了ArcGIS 10版本，分析讨论ArcGIS在野生动物空间分析相关研究中的应用，可为野生动物研究数据处理平台的构建提供支持。

2 ArcGIS在野生动物空间分布研究中的应用

ArcGIS广泛的应用技术来源于统计学领域之外，如地理学、人口、土地利用、生态环境、景观、地统计学、计量经济学、流行病学，或者城市和区域规划以及相关文献。分析ArcGIS有关文献关键词的出现频率，充分表明ArcGIS在空间分布与分析、时空分布与变化、空间数据库、空间自相关、空间格局等领域具有强大的功能和广泛、典型的应用。ArcGIS在野生动物空间分布相关研究中处于不可替代的地位，在研究野生动物的栖息生境选择、领域确定、活动节律、迁徙路线等方面均有广泛的应用前景。ArcGIS通过自身的可扩展软件结构，为GIS应用提供了一个具有伸缩性的软件平台，使不同专业的使用人员可以开发出一系列针对具体专业的“插件”式模块。利用这些模块可以显著地扩展ArcGIS的功能。目前已有许多应用于野生动物行为生态研究的插件，如美国地质调查局(USGS，2003)开发的“Animal Movement”系列模块就是代表[1]。

2.1 ArcGIS在野生动物生境研究中的应用

2.1.1 生境影响因子分析

生境(habitat)是野生动物生存的环境，其质量的好坏直接关系到野生动物的命运[2-3]。影响野生动物的生境因素主要包括三个方面，分别是非生物因素、生物因素和人类因素。其中非生物因素包括海拔、坡度、坡向、植被覆盖度、水、纬度等；生物因素包括植被类型、天敌、采食类型等；人类因素包括交通、土地开发程度、农业活动等。由于每个种类的野生动物对生境的需求不同，并且差异性较大，所以很难得到的一个包含所有野生动物生境因子指标体系，这也就提升了研究各类野生动物的生境因子的难度。以往很多研究都认为动物群落的空间结构是由于该物种的生境偏好所决定的[4-7]。而ArcGIS作为一款空间分析软件丰富了生境因子研究的手段和方法，大大提升了研究的准确性和效率。例如，Hooker等利用GIS软件对影响加拿大东部海岸鲸类(Cetacea)分布的生境因子(水深，时间，温度)进行了研究，得到了鲸的分布规律和结论，为保护和评估鲸类提供了科学性的根据[8]；张星烁等使用了ArcGIS 10.0软件模拟随机分配，以调查相邻领域相互作用对于斑背大尾莺(Locustellapryeri)空间分布的影响[9]；李亚藏等利用ArcGIS软件对数据进行处理，利用ArcGIS中自然断点法进行分区，将计算得到的生境影响因子制成东北虎(Pantheratigrisaltaica)生境适宜性分级图，评价并预测东北虎的适宜生存的生境，为建立中国东北虎自然保护区和放归工作提供参考[10]。

2.1.2 生境分析模型构建

ArcGIS作为GIS学科的基础软件，有着强大的分析功能和开放性，并且待解决的问题往往错综复杂，是单单ArcGIS解决不了的。这也就决定了ArcGIS与其他理论相结合产生相对综合的分析模型。在生境分析方面，一般采用ArcGIS与数学模型综合成一种预测工具，尤其是栅格数据对空间数据的模拟与评估十分有效[11]。过去，人们常常利用HEP/HIS模型和多元统计模型进行野生动物生境分析，多元统计模型相比与前者具有归纳性强，减少检验问题到最低限度等特点[12]。目前已有越来越多的模型应用到野生动物分析当中，如王俊基于MaxEnt模型和ArcGIS的分析功能科学地对神农架川金丝猴(Rhinopithecusroxellana)的生境进行诊断与评价，利用ArcGIS将所有处理过的数据图层转换为MaxEnt模型需要的ASCII文件格式，之后对环境变量数据进行处理，并利用栅格计算工具计算不同生境适宜性面积，最终全方位地分析生境分布[13]；刘芳基于层次分析法、GIS地图代数理论、生态位模型、累积耗费距离模型等研究方法，在ArcGIS软件的支持下，对吉林省珲春地区东北虎栖息地进行研究，为东北虎栖息地的保护、恢复、生境适宜性等提供参考[14]；张立博基于MaxEnt模型，利用ArcGIS中near功能计算栅格中心点到河流道路等的距离，并利用近20年内蒙古高格斯台地区马鹿(Cervuselaphus)生境格局变化数据，对其生境结构进行分析与评价[15]。

2.1.3 生境破碎化分析

生境破碎化是指对生境的破坏，分为生境丧失和生境分割两个方面，即生境被彻底破坏和一大片生境被破坏成许多小区域的生境。造成生境破碎化的原因是由于人为或环境因素导致景观中面积较大的自然栖息地不断被分割破碎而形成的[16]。并且生境破碎化对种群会产生严重的影响，如减少物种扩散的机会、限制种群分布、影响植物传播种子、降低野生动物遗传效应等[17-19]。近年来随着人类活动范围的不断扩大，乱砍滥伐污染环境的现象严重，越来越多的生境被破坏，对于生境破碎化的研究也就成了必要和热点之一。张明海等对野生东北虎现状及其保护研究表明，生境破坏及破碎化是东北虎种群的主要威胁因素，东北虎所依赖的森林长期遭受大面积、超强度的采伐， 尽管实施了天然林保护工程， 但其恢复的进程是长期和缓慢的[20]。利用ArcGIS功能可以将生境破碎化的区域可视化，并利用强大的分析功能对区域的预测和保护提出建设性意见。如古丽巴努·阿不来提利用ArcGIS对塔里木盆地马鹿亚种(Cervuselaphusyarkandensis)栖息地适宜性进行分析，研究马鹿塔里木亚种栖息地破坏情况和评估其生境适宜性[21]；廉欢等通过对澜沧江流域水电站数量、级别和人为污染物排放等数据的收集整理，利用ArcGIS对收集的数据进行插值处理，对研究区域河流生境破碎化进行空间分析评价[22]；陈艳等针对近年来珠江流域上修建的大量水利工程造成的河流生境破碎的现象，利用Shannon-Wiener指数和ArcGIS制图功能对流域破碎化程度进行分区，再利用空间叠加分析功能探究河流生境破碎化对鱼类(辐鳍鱼纲Actinopterygii)物种多样性的影响[23]；孙海义等利用ArcGIS对1976-1999年东北虎分布区变化作出评估，对20世纪末东北虎分布区的变迁进行了直观的探究[24]。

2.2 ArcGIS在野生动物空间分布与监测方面的应用

GIS中的空间分析是对空间的查询与量算，即对对象的空间和属性数据进行分析的一系列技术[25]。空间分析也早已成为GIS的核心功能之一，它特有的对空间信息的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征。空间分析在地理学以及其他有关学科中日益得到重视并且空间分析所包含的学科跨度较大，从19世纪中期John Snow医生分析伦敦霍乱传播制图得到传染源，到如今的空间分析深入到工业技术、经济、天文学、地球科学、文化、科学各个领域中，空间分析技术已经有了较为成熟的体系和方法。

对野生动物的监测和统计数据后，为了对野生动物有宏观的把控和具体的分析，人们常常将空间分析技术引入到野生动物学。而空间分析作为GIS的核心和灵魂，有着思想多源、方法多样、技术复杂的显著特点[26]。同时，ArcGIS作为一款GIS软件，基本可以满足绝大部分对空间分析的操作，可以对空间属性信息进行空间信息量算、缓冲区分类、网路分析、空间统计分析、叠加分析、空间信息分类等操作，极大地满足了人们的需要。为野生动物的防治、监测、评估、分级统计等提供了便利。如图1，笔者利用ArcGIS作出了我国野生动物危害核密度分级图，为人们直观地认识各地区野生动物损害程度提供帮助。ArcGIS在野生动物空间分布分析具体的应用较为广泛，如范志强等提出应用GIS对有蹄类动物栖息地的状况进行评估[27]；刘祥等利用ArcGIS软件将监测数据制成淮河流域典型河流大型底栖野生动物调查点位图[28]；Wood等利用ArcGIS软件提出了一种评估生态脆弱型的GIS概念模型，并以苏格兰地区为例，对野生动物的时空分布进行探究[29]；沈拓等利用ArcGIS中核密度估计，并以高斯正态函数作为核函数，得到密云区野生动物危害核密度估计图，对密云野生动物危害热点进行空间点模式分析[30]；刘强等仿制美国地震局(USGS，2003)基于ArcGIS平台开发出的一系列扩展插件，利用最小凸多边形法(MCP)得到野生动物活动范围[1]。

图1 中国野生动物危害核密度估计图Fig.1 Kernel density estimation for China’s wildlife hazards

2.3 ArcGIS在自然保护地设计中的应用——以自然保护区为例

自然保护区(nature reserve，NR)是指对具有代表性的生态系统、濒危野生动植物物种的天然集中分布、有特殊含义的自然遗迹等保护对象所在的陆地、水域，依法予以特殊看管和保护的区域，同时也可以促进教育，促进地区经济发展，满足人们回归自然的愿望[31]。自然保护区分国家级自然保护区和地方级自然保护区，并且由于建立的目的，本身所具备的条件不同，要求不同，有很多的类型。中国作为世界上自然资源最为丰富的国家之一，为进行生物多样性的就地保护，已有较为成熟的保护区体系。截至2015年，中国已建立2 740处自然保护区，总面积达147万km2，已基本形成布局较为合理的自然保护区体系[32-33]。但是仍有一些地区未经自然保护区的保护，野生动物也正遭一些不法分子猎杀，所以对自然保护区的研究仍然是十分重要的。

对保护区的建立与分析，国内虽然起步较晚，但是势头较好，并且ArcGIS的出现，给研究人员规划保护区带来了极大便利。笔者利用河南省海拔、坡度、森林覆盖率、人口密度、城镇用地面积比重、水资源量等数据与DEM数据，在ArcGIS中处理并制作出河南省自然保护区开发适宜性综合评价分级图(图2)，为建立河南省保护区提出建议。付励强等利用ArcGIS 9.3软件中的核密度分析工具和Buffer Wizard建立缓冲区进而建立空间分布数据库，制作国家级自然保护区和国家级风景名胜区空间分布图[34]；Scott等利用ArcGIS 9.3建立带有各自然保护区地理坐标的空间分布图层，并提取各保护地的空间信息[35]；李浩等基于CA-Markov模型，之后利用ArcGIS将矢量数据转换为栅格数据进行分析制图，对扎龙湿地景观变化进行研究评估[36]；Perkl利用ArcScene与ADM模型，将GIS与野生动物走廊设计相结合，并对野生动物保护进行规划[37]；孟令军利用ArcGIS将NDVI数据代入植被覆盖度的计算式，并进行空间运算，之后对DEM数据进行坡度提取，水文分析，综合得出适宜东北虎生存的国内的区域，为建立中国东北虎自然保护区提出了宝贵的建议[38]。

图2 河南省野生动物保护区开发适宜性综合评价分级图Fig.2 Grading map for comprehensive evaluation of development suitability， Henan nature reserves of wildlife

3 前景与展望

3.1 基于云计算在ArcGIS中对野生动物研究应用

云计算(cloud computing)是分布式计算的一种类型，是通过网络将数据计算处理程序分化为无数个小的程序，然后，再通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。近年来随着科学技术的进步，云计算逐渐成为信息产业发展的重点，而ArcGIS也是其中的一员。云计算在ArcGIS 10中已经有了一定的应用，它实现了协同GIS、一体化GIS、三维GIS、时空GIS和云GIS这五大飞跃[39]。云计算可以使ArcGIS在野生动物空间分布研究中得到更为广泛的应用。

在未来，随着云计算技术的不断强大，会推动ArcGIS软件平台的进一步发展。由于遥感图像具有实时性、数据量大的特点，未来的ArcGIS可能会向快速处理大数据进而将实时的遥感影像转换为栅格、矢量数据便于分析和研究。在野生动物研究方面，可以将野生动物的遥感数据实时地传送到ArcGIS软件中，以供数据获取。随着遥感技术的发展，传感器的空间分辨率会大大提升，通过遥感影像观察野生动物的分布、数量也会成为现实。而这时就需要ArcGIS实时处理遥感影像以进行快速分析，以便解决许多野生动物的瘟疫、不正常现象等的突发状况，为迅速、宏观把控地区野生动物空间分布及研究做出贡献。

3.2 基于多元统计技术在ArcGIS中对野生动物研究应用

由于我国人口众多，对生境的破坏程度远远大于一些发达国家，生境破碎化现象较为严重也导致了许多野生动物濒临灭绝，对生境的保护任重而道远。我们应该对国家的稀有动植物资源重视起来。随着科学技术的迅速发展，分析野生动物的方法变得越来越复杂。基于ArcGIS软件和多元统计技术为获取与生境有关的环境因子互相之间的关联提供了强有力的支撑，也因此，这种综合的研究方法应该是未来较为适合的研究方法[40]。

3.3 基于5G技术在ArcGIS中对野生动物研究应用

5G网络(5G Network)是第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达1 GB/8 s，比4G网络的传输速度快数百倍。5G在不久之后会逐渐融入生活之中，改变我们的生活。5G虽然是移动通信网络，但是其表现出来的高速度、稳定性可以改变人们对信息处理的方式方法。传输稳定性的提高，使研究人员在使用5G网络技术利用ArcGIS进行遥感数据处理时，不会因为工作场景复杂而造成传输时间过长或者传输不稳定的情况，可以极大地提高研究人员的工作效率。同时，5G也可以促进中国新一代的PNTRC系统的发展，对海陆空全方位的把控，可以使野生动物的研究更加具体、全面。并且随着5G的出现，将ArcGIS软件搬到移动端也是前景之一，移动端ArcGIS的出现也可以将空间数据分析带入一个方便、快捷的新时代。