GIS在生物技术方面的应用概述

刘炳辉 潘淑萍

摘 要：该文介绍了地理信息系统的功能，分析了GIS在生物技术方面的具体应用，主要包括GIS技术在虫媒病防治、生物群落结构、确定动植物分布等方面的应用。

关键词：地理信息系统;生物技术;应用

中图分类号 X820.3文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）04-0139-02

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）作为当代最先进的技术手段，其对空间数据具有强大的分析与处理功能。依赖于计算机硬件与软件系统的支持，能够对数据进行输入、管理、存储、分析、运算，并最终显示和描述。GIS技术的强大性，使其在生物技术方面得到了广泛的应用。本文较为系统的整理分析了GIS在生物技术方面的应用，为GIS在生物技术领域的深入研究提供参考。

1 地理信息系统

1.1 基本概念 地理信息系统（GIS）是一种以计算机硬件和软件系统为支撑，收集、存储、管理、计算、分析、显示和描述整个或部分地球表面（包括大气）空间的相关地理分布数据的技术系统。其具有强大的数据分析与处理功能，可以建立各种模型并进行动态评估，还可进行统计分析、缓冲分析、决策分析等，是一种十分重要的空间信息系统。处理的数据类型大体上分为空间数据、属性数据2类。2种数据在不同的软件系统中，可按照不同的形式进行组织与使用。GIS可以分层存储地理数据，每一层是数据的地理特征与属性的集合，即图层，不同的图层又可以进行叠加进行进一步的分析。其原理是通过一定的地理基础联系将不同的图层联系起来再进行整合叠置，这就相当于将透明的地图进行层层叠加，最终得到一幅拥有各种信息的“地图”，从而实现数据的综合分析。

1.2 应用与发展 GIS本质上是一个数据管理系统，具有比较专业的信息系统空间形式，是一种能够集中和显示地理参考信息的计算机系统。GIS技术可应用于科学调查、发展预测、测绘和路线规划等领域。例如，GIS系统可以使应急计划人员更容易地计算自然灾害发生时的应急响应时间，或者使用GIS查找需要保护的湿地。运用GIS既可以在大尺度上进行研究，也可以在小尺度上进行研究。可以将卫星与GIS结合起来，对物种进行跟踪定位;也可以对物种的生境动态进行分析，预测物种的空间分布格局;也可以通过多种参数的运用构建生存力的模型，为物种的生存与保护尤其是一些濒危的物种提供较为可靠的保护方案。

GIS的发展概括起来，分为以下4个阶段：（1）20世纪60年代，GIS概念经汤姆林森首次提出并且首次建立了系统，该时期为GIS的开拓时期;（2）20世纪70年代，为GIS的巩固与发展时期;（3）20世纪80年代，GIS大发展时期;（4）20世纪90年代至今，GIS的应用与普及时期。国内发展速度比国外晚，但发展速度较快，随着时间的推移，GIS技术的发展将会越来越全面化、高端化、高效化。其独特的空间信息处理和分析能力是近年来各种新兴技术的需求。

2 生物技术

2.1 应用与发展 近年来，现代生物技术得到了飞速发展，尤其是基因工程、细胞工程、酶工程和生化工程等许多领域都取得了可观的成果与巨大的进步。在GIS的支持下，修改物种的遗传物质，甚至设计新物质，创造一些新的生物品种，工业规模地使用现有的生物系统以及利用生化过程制造工业产品已变得不再困难。利用生物转化的特性生产化工产品，特别是传统方法难以获得的物品，从而改变现有工艺，可以解决许多长期存在的问题。在资源短缺的条件中，生物技术的前景十分巨大，比如，使用生物技术处理污水，新型生物消解笨类物质等，都是利用生物技术来处理环境污染。在许多生物学研究中，如各种环境的生态分布，生物技术的应用也非常广泛。

2.2 生物技术应用对GIS的需求 目前，多学科融合发展已经成为了学科发展热点，类似的，生物科学也可以与地理信息技术进行融合应用。在不同的研究中，有许多需要分析各种信息处理领域，如某种植物和动物栖息地的分布研究，动物和植物群落结构的时空分析等，需要运用GIS技术;在环境污染管理，以及一些动植物防疫和控制和监控，也需要使用 GIS技术。这些研究都需要处理和分析空间信息数据，这也是GIS技术能够解决问题的亮点与核心所在。

3 GIS在生物技术方面的应用

3.1 虫媒病防治 虫媒病是一类节肢动物的传染病，通过叮咬作用，使得生物之间得以传播该疾病，主要的物种包括蚊虫、蜱、螨、虱子和跳蚤等，曾经造成过巨大损失以及伤害，以疟疾、流行性乙型脑炎、登革热等疾病最为典型。近年来，GIS技术强大的数据管理和空间数据分析功能被广泛应用于医疗和卫生方面，在媒介生物学和虫媒疾病防治领域具有广阔的应用前景。虫媒疾病的影响因素不仅包括地理、植物类型、天气等自然因素，还包括当地医院治疗水平、生活文化等社会因素。GIS技术的优势在于能够同时存储不同类型的空间数据与属性数据。空间数据用来定义形状、位置、关系等基本地理特征，本质是地图。通常，它是基于向量的数据类型，并删除基于网格的数据类型以供计算机处理。属性数据通常用于定义空间数据代表的内容，比如描述地理走势、空气含水量、密度、高程、植被密度等。在此基础上，GIS技术可以集成各种影响因素的数据和虫媒疾病的发生和传播做出分析，可以提供关于基础研究的生物分布特征以及虫媒疾病的流行规律。自20世纪以来，一些研究人员将GIS应用于监测疟疾、鼠疫和登革热等虫媒传染病的发生与传播[1]。目前，GIS技术应用于媒介生物学以及有虫媒病防治技术中，大体上包括以下2个方面：媒介生物学和虫媒病监测与数据管理;虫媒传染病流行预测与预警。

3.2 生物群落结构与生态学 生态空间需要保证一个区域的生态平衡功能正常，以及为人类生活提供长久的空间，这也是实现可持续发展的重要保证[2]。通过研究文献可以发现，GIS是许多空间技术研究的前提。在基于生物多样性保护的空间识别方面，近30年来，生物学家特别关注的是生物多样性保护中自然空间的选择，比如，Rouget等基于GIS开展了区域生物多样性保护的热点空间识别研究。还有的关注水土流失防护的空间识别，比如，Zagasa等基于GIS技术结合一般损失方程（USLE）来确定希腊奥林匹斯山的关键水土流失防护空间。同时，利用GIS技术还可以研究大型水生植物的群落结构和空间分布格局[3]。

3.3 动植物分布调查 运用GIS技术可确定动植物的空间分布，查明某种植物分布等工作都可以借助GIS技术。比如，张雪芹等针对山西省木本油料植物的分布，运用山西省地图作为图形的数据，结合油料植物科和种的属性数据，生成专题地图进而进行地理空间分析[4];任小兵等运用GIS技术，计算出物种空间分布区的面积，并且对人为干扰进行评估，进一步建立物种分布的数据库，随时可以查询与显示;倪喜军等某物种或者种群的定位点，在其周围生成缓冲区，研究动物栖息地的选择等;建立统计学的GIS模型，对物种的空间分布情况进行分析[5-6]。

参考文献

[1]王伟，张芳，李军政.地理信息系统在媒介生物及虫媒病防治领域中的应用[J].中华卫生杀虫药械，2017，23（03）：272-274，278.

[2]谢花林，姚干，何亚芬，等.基于GIS的关键性生态空间辨识——以鄱阳湖生态经济区为例[J].生态学报，2018，38（16）：5926-5937.

[3]郭传波，李为，張映雪，等.洪泽湖大型水生植物群落结构和时空格局的GIS模拟（英文）[J].水生生物学报，2018，42（06）：1153-1162.

[4]张雪芹，陈鹏珍.基于GIS的山西省木本油料植物分布研究[J].能源与环境，2017（06）：81-82.

[5]任小兵，刘朱燕.移动GIS系统在如皋地区林业工作中的应用探讨[J].农业与技术，2018，38（20）：151，154.

[6]倪喜军.地理信息系统在野生动物研究中的应用[J].生物学通报，1998（09）：5-8.

（责编：张宏民）