基于GIS和RS的東北地區(qū)東北虎生境適宜性評價

李亞藏，馮仲科，黃季夏，楊　柳（.北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室，北京00083；2.安陽工學院，河南安陽455000）

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基于GIS和RS的東北地區(qū)東北虎生境適宜性評價

李亞藏1,2，馮仲科1，黃季夏1，楊柳1
（1.北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室，北京100083；2.安陽工學院，河南安陽455000）

摘要：以中國東北地區(qū)（含東北三省和內蒙古東北部）為研究區(qū)域，依據(jù)穩(wěn)定性、獨立性、主導性和綜合性原則，從植被、地理環(huán)境、人為干擾等3個層面選取植被類型、植被覆蓋度、海拔、坡度、坡向、水源、居民點、主要道路等為評價因子，對中國東北虎Panthera tigris altaica生境進行適宜性評價。在地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）技術的支持下，獲取各評價因子的定量信息。采用層次分析法（AHP）確定各評價因子的權重，并運用模糊數(shù)學模型對各單因子加權疊加，得到東北虎生境適宜性綜合評價分級圖并計算各分區(qū)面積。結果表明：①人為干擾和植被因素是影響東北虎分布的主要因素；②將研究區(qū)域劃分為東北虎最適宜分布區(qū)、次適宜分布區(qū)、一般適宜分布區(qū)和不適宜分布區(qū)，分別占研究區(qū)域總面積的21.97%，16.83%，22.02%，39.18%。最適宜區(qū)和次適宜區(qū)面積總和達到48.80%，說明東北地區(qū)適宜東北虎生存的潛在生境面積總量較為可觀。這為東北虎自然保護區(qū)的建立和人工飼養(yǎng)東北虎的放歸計劃提供決策依據(jù)。圖3表3參25

關鍵詞：動物學；地理信息系統(tǒng)（GIS）；遙感（RS）；東北虎；生境適宜性；數(shù)學模型

東北虎Panthera tigris altaica是世界上現(xiàn)存的5個虎Panthera tigris亞種中體形最大者，屬世界瀕危和區(qū)域旗艦物種［1］。由于捕獵和棲息地環(huán)境的破壞，中國境內的野生東北虎數(shù)量已不足20只［2-3］。雖然近些年中國對東北虎的保護做了大量工作，但仍然存在棲息地破碎化、保護區(qū)面積不足、人類生產經營活動逐漸向林區(qū)發(fā)展及生態(tài)廊道不暢等問題，嚴重限制了東北虎種群的恢復［4］。另外，隨著人工飼養(yǎng)東北虎數(shù)量的逐漸增加［5］，東北虎要放歸何處就成了一個值得思考的問題。目前，對東北虎的研究多集中在東北虎的生態(tài)行為學［6-9］、種群分布［2］、數(shù)量監(jiān)測［2, 10-11］及其獵物種群［12-13］等方面，而對東北虎如此廣域生境篩選及其評價的研究較少。中國東北和俄羅斯遠東東北虎分布區(qū)的獵物種群密度相對較低，致使東北虎的家域面積較大，據(jù)研究，生活在該區(qū)1只成年雌虎需要的家域面積約為488 km2，雄虎的領域面積約為1 205 km2［14］；如果要保證種群的可持續(xù)繁衍大約需要20只左右成年雌虎，這就意味著至少需要8 000 km2的連續(xù)的生境面積，這也說明了生境研究的必要性［15］。本研究從東北虎最基本的生境條件入手，在掌握東北虎及其生境現(xiàn)狀的基礎上，以中國東北地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧三省和內蒙古東北部為研究區(qū)域，分析影響東北虎分布的植被、地理環(huán)境和人為干擾三大因素，評價和預測東北虎的適宜生境，制定切實可行的規(guī)劃措施，以期為東北虎自然保護區(qū)的建立和放歸工作提供參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

該研究區(qū)域為中國東北地區(qū)，包括黑龍江、吉林、遼寧三省及內蒙古東部地區(qū)。地理坐標范圍：38°43′29″～53°41′52″N，111°0′23″～135°53′50″E。全區(qū)面積為157.67萬hm2。東北地區(qū)自南向北跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。自東南向西北，年降水量自1 000 mm降至300 mm以下，從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)。該區(qū)東、南和北面被水域環(huán)繞，西面為陸界，內側是大興安嶺和長白山系的高、中、低山及丘陵，平均海拔為1 000 m；中部為低海拔的東北平原，平均海拔約200 m。東北地區(qū)森林覆蓋率高，森林植被以紅松Pinus koraiensis，落葉松Larix olgensis，云杉Picea asperata，山楊Populus davidiana，白樺Betula platyphylla，黃蘗Phellodendron amurense，水曲柳Fraxinus mandschurica，紫椴Tilia amurensis等樹種為主。棲居的獸類有東北虎，豹Panthera pardus，貉Nyctereutes procyonoides，黑熊Ursus thibetanus，紫貂Martes zibellina，水獺Lutra lutra，黃鼬Muastela sibirca等［2］。

1.2數(shù)據(jù)來源

1.2.1遙感影像遙感影像采用空間分辨率為250 m的MODIS中國區(qū)域歸一化植被指數(shù)（NDVI）產品和空間分辨率為30 m×30 m的美國陸地衛(wèi)星Landsat-5遙感影像。NDVI植被指數(shù)產品預處理包括：反演、拼接、切割、投影轉換、單位換算等步驟，遙感影像處理在ENVI軟件支持下實現(xiàn)，過程包括輻射定標和大氣校正、幾何精校正及配準、圖像鑲嵌和裁剪、組合波段的選擇與確定、圖像增強處理等步驟。

1.2.2植被圖收集《1∶1 000 000中國植被圖集》［16］，對其進行掃描，以ArcGIS 10.2為平臺，進行矢量化數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)錄入，然后利用已有數(shù)據(jù)進行校正和配準。形成包括針葉林、闊葉林、灌叢、栽培植被、草原、草甸等類型的植被矢量圖。

1.2.3數(shù)字高程模型（DEM）DEM數(shù)據(jù)下載于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云，選用GDEM 30 m的產品。

1.2.4東北各省矢量圖省市界、區(qū)縣界、道路、河流等矢量圖均來自國家1∶100 000矢量數(shù)據(jù)集（下載于中國國家基礎地理信息中心）。

2　研究方法

基于遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術，在野外生態(tài)調查和收集圖件資料以及相關文本資料［17］的基礎上，依據(jù)穩(wěn)定性、獨立性、主導性和綜合性原則［18］從植被、地理環(huán)境、人為干擾3個層面，選取植被類型、植被覆蓋度、海拔、坡度、坡向、水源、居民點、道路8個因子作為生境適宜性評價因子。植被類型結合矢量化的1∶1 000 000中國植被圖，對Landsat-5遙感影像分類得到；植被覆蓋度采用歸一化植被指數(shù)NDVI來表現(xiàn)。海拔、坡度和坡向來自30 m空間分辨率的DEM影像數(shù)據(jù)；水源主要來自河流、湖泊矢量數(shù)據(jù)，河流級別包括5級及以上；居民點包括地級市和縣級市；道路最小至省道。上述數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.2的支持下，進行數(shù)據(jù)編輯，并將其轉化為和國家1∶100 000基礎地形數(shù)據(jù)庫一致的投影坐標系統(tǒng)得到評價所需的各評價因子信息。最后將不同的空間數(shù)據(jù)離散為90 m×90 m的柵格。再運用適宜性評價模型和GIS的空間分析功能分別計算出每個柵格的生境適宜性綜合評價值，然后制定分級標準，最后得到東北地區(qū)東北虎生境適宜性分級圖并計算各級面積。東北地區(qū)東北虎生境適宜性評價技術路線如圖1所示。

圖1　東北地區(qū)東北虎生境適宜性評價技術路線Figure 1 Technical route of Amur tigers habitat suitability evaluation

3　適宜性評價

3.1單因子生境適宜性評價

依據(jù)東北虎生活對棲息地的要求，以及人類活動與自然環(huán)境的關系，并綜合考慮前人的研究成果［3,17,19-21］，分析確定東北虎單因子生境適宜度的分級標準（表1），并得到各單因子適宜性評價分級圖。

表1　東北虎單因子生境適宜性分級標準Table 1 Classification standard of Amur tigers habitat suitability based on single factor

3.2評價因子權重的確定

采用層次分析法確定權重［22-23］。首先將指標分為目標層、準則層和方案層3個層次，建立層次結構（圖2），通過專家對判斷矩陣表的填寫構建判斷矩陣，求解矩陣，得到特征向量和最大特征根及最大特征向量，最后對指標進行一致性檢驗，結果為CR=0.015 68＜0.1，具有滿意的一致性。再參考文獻［24］的方法計算出8個指標的組合權重值（表2）。

圖2　東北地區(qū)東北虎生境適宜性綜合評價指標體系Figure 2 Evaluation index system of Amur tigers habitat suitability

表2　各評價因子權重值Table 2 Weight of each evaluation factor

3.3生境適宜性綜合評價

3.3.1評價模型的建立應用適宜性評價的模糊數(shù)學模型進行綜合評價值的計算。計算公式如下：

式（1）中：i為柵格編號；k為評價因子編號；n為評價因子總數(shù)；si為第i個柵格的綜合評價值；wk為第k個因素的權重；ci（k）為第i個柵格的第k個評價因子適宜度評價。

3.3.2單因子加權疊加獲得綜合適宜度通過上面分析已經對各單因子適宜性進行了評價，并確定了各影響因子的權重?，F(xiàn)根據(jù)適宜性為各評價因子賦值，以最適宜為標準賦值為1，次適宜、一般適宜和不適宜依次賦值為2，3和4。然后，根據(jù)層次分析法求得的權重按照式（1）進行加權求和得到各個柵格的綜合評價值。經過加權疊加得到每個柵格的綜合評分值范圍為1.000 00～3.890 79，若該柵格的所有因子均在最適宜分布區(qū)，疊加后的值為最小值1.000 00，說明此處的環(huán)境最適宜東北虎生存；當各因子均在不適宜分布區(qū)，疊加后為最大值3.890 79；同理，各因子均為次適宜分布區(qū)，疊加后的總值是2；均在一般適宜分布區(qū)，疊加后的總值為2.968 01。但因為各因子的權重相差懸殊，居民點、道路、植被蓋度和植被類型4個因子的權重總和為0.829 30。因此，為了更為準確地預測東北虎的最適宜分布區(qū)，本研究將分區(qū)的臨界值做了適當調整。將3個權重最大的因子（居民點、道路和植被蓋度）的最適宜分布區(qū)賦值與植被類型的次適宜分布區(qū)和其他4個因子的一般適宜分布區(qū)賦值的總和作為劃分最適宜區(qū)和次適宜區(qū)的分界點（1.442 65）；將權重最大的5個因子次適宜區(qū)賦值總和作為次適宜區(qū)與一般適宜區(qū)分界點（1.781 58）；將權重最大的3個因子一般適宜區(qū)賦值的總和作為劃分一般適宜區(qū)和不適宜區(qū)的分界點（2.184 15），重新分類，將研究區(qū)分類為最適宜分布區(qū)（1～1.442 65），次適宜分布區(qū)（1.442 65～1.781 58），一般適宜分布區(qū)（1.781 58～2.184 15）和不適宜分布區(qū)（2.184 15～3.890 79）。評價結果如圖3所示。利用ArcGIS對4個適宜性等級的面積進行統(tǒng)計，結果如表3所示。

圖3　東北地區(qū)東北虎生境適宜性綜合評價分區(qū)Figure 3　Comprehensive evaluation distribution of the Amur tigers habitat suitability

表3　東北地區(qū)東北虎生境適宜性綜合評價分區(qū)面積統(tǒng)計表Table 3　The partition area of comprehensive evaluation of Amur tigers habitat suitability

4　結果與討論

本研究采用層次分析法確定了各評價因子的權重，認為居民點、道路和植被蓋度所占權重最大；其次為植被類型；海拔、坡度、坡向和水源對東北虎的分布影響不大。由此可見，人為干擾和植被因素是影響東北虎分布的主要因素，這與前人的研究結果相一致［1］。以后在進行有關東北虎研究和保護過程中要加強該方面的管理。本研究發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)東北虎最適宜分布區(qū)主要分布于長白山脈、張廣才嶺、小興安嶺、千山山脈和大興安嶺的部分地區(qū)，其面積為346 388.4 hm2，占研究區(qū)總面積的21.97%。該區(qū)植被類型豐富，林分郁閉度高，林分類型多以針、闊混交林或純林為主體，林內有豐富的食物分布，另外該地區(qū)城鎮(zhèn)密度小，且靠近邊境地區(qū)，人為干擾小。次適宜區(qū)面積為265 464.8 hm2，占研究區(qū)面積的16.83%，所占比例最小，主要為最適宜區(qū)的一些緩沖區(qū)域。一般適宜區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南部，該區(qū)域居民點稀少，影響東北虎分布的主要因素為植被因素，其植被類型以灌草為主。不適宜區(qū)主要集中在中部和南部的東北平原，該區(qū)域主要為城鎮(zhèn)分布區(qū)，人口密集，植被覆蓋度低，植被類型主要以農田為主，不適宜東北虎生存。張明海等［25］研究認為，已知的野生東北虎出現(xiàn)點主要分布在黑龍江東部及東南部，吉林東部及東北部，均在本研究評價結果范圍內，驗證了評價結果的可靠性。

由于城鎮(zhèn)過度擴張，人工建設大量開發(fā)，導致野生東北虎的棲息地遭到嚴重破壞，這使得適宜東北虎生存的潛在生境（面積僅占21.97%）的破碎度較高，即東北虎分布區(qū)島嶼化相當嚴重，可能造成了東北虎近年來有向俄羅斯遠東地區(qū)遷徙的趨勢。因此，對現(xiàn)有保護區(qū)的最適宜分布區(qū)建立生態(tài)廊道，連接破碎化區(qū)域，是當前保護區(qū)管理部分急需解決的首要問題。鑒于俄羅斯遠東地區(qū)有較多東北虎出沒，建議將中國東北虎保護區(qū)與俄羅斯遠東地區(qū)的保護區(qū)聯(lián)合，形成跨國界的保護區(qū)網絡。同時，中國東北地區(qū)要改變林業(yè)經營模式，建立長期的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。

由于受數(shù)據(jù)來源的限制，本研究未能將影響東北虎分布的獵物因子納入評價因子當中，可能會對預測結果造成一定程度的偏差，這將是我們今后的工作重點。另外，在利用層次分析法和模糊評價模型進行評價過程中，帶有較強的主觀性，今后考慮能否結合實際情況進行其他評價方法的選擇或模型的改進，為野生東北虎的生存和繁衍以及人工飼養(yǎng)東北虎的放歸計劃提供更為科學的參考。

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Habitat suitability evaluation for Amur tigers in northeast China based on GIS and RS

LI Yacang1,2, FENG Zhongke1, HUANG Jixia1, YANG Liu1
（1.Institute of GIS, RS, and GPS, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, Henan, China）

Abstract:This article researched the habitat suitability evaluation for Amur tigers in northeast China, which found the potential distribute area and provided decision-making for the establishment of Amur tiger nature reserve and the plan of getting back to nature of artificial breeding Amur tigers.The study area in northeast China included the three provinces of northeast China and the northeast region of Inner Mongolia.According to the principles of stability, independence, dominance, and comprehensiveness, the habitat suitability of Amur tigers in northeast China was assessed using the three aspects of vegetation, geographical environment, and human disturbance with vegetation type, vegetation coverage, elevation, gradient, slope direction, water source, residential areas, and main roads selected as evaluation variables.Data for each variable was collected quantitatively using geographic information systems（GIS）and remote sensing（RS）.Then the Amur tiger habitat suitability evaluation classification figure was obtained using the Analytic Hierarchy Process（AHP）method to determine the weight of each evaluation factor, and using the fuzzy mathematical model for the single factor weighted superposition.Afterward, the partitioning of areas was conducted.Results showed that human disturbance and vegetation were the main factors affecting the Amur tiger distribution.The study area was classified as most appropriate（21.97%）, second suitable（16.83%）, generally appropriate（22.02%）, and inappropriatebook=266,ebook=87distribution areas（39.18%）.Thus, the living space that could be appropriated for Amur tigers compared to the total potential habitat area in the Northeast China was considerable approximately 48.8%.［Ch, 3 fig.3 tab.25 ref.］

Key words:zoology; geographic information system（GIS）; remote sensing（RS）; Amur tiger; habitat suitability; mathematical model

作者簡介：李亞藏，副教授，從事地理信息系統(tǒng)在資源環(huán)境上的應用研究。E-mail：liyacang@sohu.com。通信作者:馮仲科，教授，博士生導師，從事精準林業(yè)與3S技術研究。E-mail：fengzhongke@126.com

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAH34B01）

收稿日期：2015-03-19；修回日期：2015-09-01

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.02.011

中圖分類號：S759.9；Q959.9

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0756（2016）02-0265-07