中國生物多樣性研究中柵格大小的選擇

邱麗氚，李雅麗，王 建，吳曉湲，柳 濤，常 虹，路丹桂

(太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619)

從全球、洲或國家等大區(qū)域范圍角度研究生物多樣性時，一般采用矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)各有其優(yōu)缺點，經(jīng)常會將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，稱格網(wǎng)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，需要選擇格網(wǎng)大小，經(jīng)常稱柵格大小.

研究生物多樣性在全球、洲、國家或地區(qū)時所采用的柵格大小有所不同[1-7]，即使是研究同一個國家，如中國所采用的柵格大小也不同，有10 km×10 km[8]、50 km×50 km[9-12]、100 km×100 km[12-14]、0.5°×0.5°[15]、1°×1°[16]，0.5°×0.5°接近50 km×50 km[15].當選擇較大柵格時，可能會造成物種較多的區(qū)域丟失，因為物種較多的分布范圍較小，柵格大小范圍超過物種較多的分布范圍所致.為了避免物種較多的區(qū)域丟失，有必要探討矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時選擇合適的柵格大小，對研究大區(qū)域范圍尤其是中國的生物多樣性、宏觀生態(tài)學等方面具有指導意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

在ArcGIS9.2軟件中打開中國矢量數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)以縣為基本單元的中國地圖，比例尺為1：1 000 000，圖形數(shù)據(jù)為多邊形，屬性數(shù)據(jù)有多邊形代碼、縣名.

從中國矢量數(shù)據(jù)中獲取每個多邊形的最小經(jīng)度、最大經(jīng)度、最小緯度、最大緯度，單位是度，然后計算經(jīng)度差值、緯度差值，經(jīng)度差值是最大經(jīng)度減去最小經(jīng)度，緯度差值是最大緯度減去最小緯度.當經(jīng)度差值或緯度差值分級時，分別統(tǒng)計多邊形數(shù)量，確定中國多邊形矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時合適的柵格大小.在SPSS18軟件中進行經(jīng)度差值和緯度差值相關性分析，確定柵格形態(tài).

在矢量數(shù)據(jù)中，同一個縣有一個多邊形或多個多邊形，本文將這個數(shù)據(jù)稱為多邊形數(shù)據(jù).同一個縣有多個多邊形，尤其是沿海地區(qū)的一些縣，這些縣有許多島嶼，每個島嶼都有一個多邊形，這樣一個縣就有多個多邊形構(gòu)成，意味著有多行屬性數(shù)據(jù)，將多行數(shù)據(jù)合并為一行數(shù)據(jù)，即一個縣只有一行數(shù)據(jù)，本文將這個數(shù)據(jù)稱為縣數(shù)據(jù).將多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，選擇不同柵格大小及方法，當一個柵格對應矢量數(shù)據(jù)中不同類型(多個多邊形或縣)時，而這個柵格只能選擇一個類型(一個多邊形或縣)，有不同方法即中心點法、最大面積法、面積占優(yōu)法.當柵格中心點落到矢量數(shù)據(jù)中不同類型中的一個，則這個類型成為這個柵格的類型，這種取值方法稱為中心點法.在不同類型中，占據(jù)柵格面積最大的這個類型，則為這個柵格的類型，這種取值方法稱為最大面積法.當柵格對應矢量數(shù)據(jù)中不同類型時，占據(jù)柵格的同一類型的面積之和最大，則為這個柵格的類型，這種取值方法稱為面積占優(yōu)法.采用中心值法、最大面積法或面積占優(yōu)法，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成后統(tǒng)計多邊形的數(shù)量，確定中國多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時合適柵格大小、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最佳方法.

將上述的中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成等面積矢量數(shù)據(jù)，單位為千米(km)，同理完成上述內(nèi)容.

在ArcGIS9.2軟件中制作中國殼斗科(Fagaceae)植物的空間數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)以縣為基本單元的中國地圖，比例尺為1：1 000 000，圖形數(shù)據(jù)為多邊形，屬性數(shù)據(jù)為屬、種的分布，然后獲得殼斗科植物的屬數(shù)、種數(shù)[17，18].中國殼斗科多樣性表現(xiàn)在屬的數(shù)量即屬數(shù)，種的數(shù)量即種數(shù)，一個區(qū)域只有1個屬或種時，是一類多樣性類型，一個區(qū)域有2個屬或種時，是另一類多樣性類型，屬或種的數(shù)量相同的所有區(qū)域為相同多樣性類型，屬或種數(shù)量不同的區(qū)域為不同的多樣性類型.中國殼斗科屬的多樣性類型有6個，即1、2、3、4、5、6，種的多樣性類型為48個，即1到41、43、44、47、50、51、56、69[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 中國矢量數(shù)據(jù)分析

當經(jīng)度差值(或緯度差值)小于0.1°時，隨著其度數(shù)增加中國矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量呈現(xiàn)先急劇增加后迅速降低的特點(圖1);當經(jīng)向差值(或緯向差值)小于10 km時，也具有同樣的特點(圖2).這些多邊形小，是中國沿海地區(qū)的一些島嶼，生物多樣性較少，因此在多樣性研究中可以忽略這些島嶼，這些島嶼隸屬于面積較大的相應縣，在多樣性研究中這些縣的數(shù)據(jù)仍然采用.

圖1 中國矢量數(shù)據(jù)經(jīng)度、緯度與多邊形

圖2 中國矢量數(shù)據(jù)經(jīng)向、緯向與多邊形

當0.1° < 經(jīng)度差值(或緯度差值)<1°，隨著其度數(shù)增加，中國矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量呈現(xiàn)先增加后降低的特點(圖1);當10 km<經(jīng)向差值(或緯向差值)<100 km時，也具有同樣的特點(圖2).在中國生物多樣性研究中，生物分布的數(shù)據(jù)是以縣為基本單元，有些縣比較小，但不能忽略這些較小的縣，尤其是南方較小的縣，這些縣的生物多樣性較豐富，因此基于縣的中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，合適的柵格大小為0.1°或10 km，這樣既能保證數(shù)據(jù)精度要求，又能使數(shù)據(jù)量最小.

當經(jīng)度差值(或緯度差值)大于1°時，中國矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量急劇增加(圖1);當經(jīng)向差值(或緯向差值)大于100 km時，也具有同樣的特點(圖2).這些多邊形絕大多數(shù)分布在中國的西部地區(qū)和內(nèi)蒙古，這些地區(qū)寒冷、干燥，人口較少.如果是研究這些地區(qū)的生物多樣性，尤其是只涉及野生生物時，柵格大小可選擇為1°或100 km；如果選擇小于1°或100 km的柵格大小也是可以的，能保證數(shù)據(jù)精度要求，但數(shù)據(jù)量比柵格大小是1°或100 km要大得多；如果研究這些地區(qū)包括城市的生物多樣性時，柵格大小不能為1°或100 km，數(shù)據(jù)精度不能滿足要求.

經(jīng)度差值、緯度差值的曲線相近(圖1)，其Pearson相關系數(shù)為0.886(P<0.01).將多邊形數(shù)據(jù)、經(jīng)度差值大于0.1°的多邊形數(shù)據(jù)中經(jīng)度差值與緯度差值做相關分析，Pearson相關系數(shù)分別為0.857、0.8(P<0.01)，意味著許多多邊形的最小外接矩形近似正方形，中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時采用正方形.經(jīng)向差值、緯向差值也具有同樣特點.本文用正方形轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù).

根據(jù)上述中國矢量數(shù)據(jù)分析，中國生物多樣性研究應選擇經(jīng)度差值(或緯度差值)的范圍為0.1°～1.0°，經(jīng)向差值(或緯向差值)的范圍為10 km～100 km.本文研究用中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，選擇柵格大小的范圍從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或從10 km×10 km增加到100 km×100 km)，這個范圍包含了中國已有研究所采用的柵格大小.

經(jīng)度差值與經(jīng)向差值、緯度差值與緯向差值的相關系數(shù)分別是0.966、0.902(P<0.01)，說明經(jīng)度差值與經(jīng)向差值相近，緯度差值與緯向差值也相近.上述經(jīng)度差值(或緯度差值)與經(jīng)向差值(或緯向差值)分級相同，分布特點也相同(圖1、圖2)，但數(shù)值大小不同，前者的值約是后者值的1/100，單位也不同，前者的單位是度，后者的單位是千米，經(jīng)度差值與經(jīng)向差值、緯度差值與緯向差值可互相換算，即0.1°相當于10 km，1°相當于100 km.

2.2 中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)分析

用中心點法、最大面積法、面積占優(yōu)法將多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，所獲得的結(jié)果相近，中心點法比后兩者所獲得的多邊形數(shù)目都多，后兩者的多邊形數(shù)目是一樣的(圖3)，因此中心點法最好，最大面積法和面積占優(yōu)法選擇其一即可.縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，也具有同樣的特點.在生物多樣性研究中將中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，最好采用中心點法.

圖3 中國多邊形數(shù)量與柵格大小

圖3中，將多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或從10 km×10 km增加到100 km×100 km)，所獲得的柵格數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量逐漸減少(圖3)，意味著有越來越多的多邊形數(shù)據(jù)消失，在柵格數(shù)據(jù)中找不到這些多邊形的信息，因此應選擇柵格大小為0.1°×0.1°(或10 km×10 km)才能保證數(shù)據(jù)精度.如果選擇柵格大小高于0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，不能保證數(shù)據(jù)精度，選擇柵格越大，則數(shù)據(jù)精度越低.縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，也具有同樣的特點，但其縣的數(shù)量比多邊形數(shù)量略低.

在生物多樣性研究中，中國生物分布的數(shù)據(jù)是以縣為基本單元，當多樣性類型的最小單元是較小區(qū)域的一個縣時，建議選擇柵格大小為0.1°×0.1°，這樣能保證數(shù)據(jù)的精度；如果最小單元是較大區(qū)域(范圍較大的一個縣或幾個相鄰縣)時，選擇柵格大小可超過0.1°×0.1°.對同一地區(qū)而言，選擇柵格越小，數(shù)據(jù)精度越高，但其數(shù)據(jù)量越大，因此應根據(jù)數(shù)據(jù)選擇合適的柵格大小，既能保證精度，又能使數(shù)據(jù)量較少.

2.3 實例-中國殼斗科植物多樣性

將中國殼斗科屬或種多樣性類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，選擇不同柵格大小，采用中心點法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成后統(tǒng)計多樣性類型的數(shù)量，確定中國殼斗科屬或種多樣性的合適柵格大小.

將中國殼斗科種多樣性類型的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，隨著柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，種多樣性類型的數(shù)目在0.4°×0.4°以后逐漸下降(圖4)，因此中國殼斗科種多樣性類型從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，選擇柵格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之間才能保證種多樣性類型不丟失.當選擇柵格大于0.4°×0.4°，造成一個或多個多樣性類型消失，尤其是分布范圍小且多樣性高，如物種數(shù)量最多及較小的區(qū)域消失，在柵格數(shù)據(jù)中看不到物種數(shù)量多的區(qū)域，會影響分析結(jié)果.

將中國殼斗科屬多樣性類型的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，屬多樣性類型的數(shù)目不變(圖4)，因此中國殼斗科屬多樣性從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，可選擇0.1°×0.1°到1.0°×1.0°.

圖4 中國殼斗科多樣性類型與柵格大小

屬多樣性類型分布范圍都較大，與種多樣性類型的分布范圍相差較大，當種數(shù)越多，其分布范圍越小[18]，將中國殼斗科多樣性矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，屬多樣性類型大于種多樣性類型的柵格大小，但建議屬多樣性類型采用種多樣性類型的柵格大小，便于比較.

3 結(jié)論與討論

基于縣的中國矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，合適的柵格大小為0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，這樣既能保證數(shù)據(jù)精度要求，又能使數(shù)據(jù)量最小.這個研究結(jié)果與Yu[8]所用的柵格大小(10 km×10 km)相一致，但比絕大多數(shù)研究[9-16]所用的柵格大小要小.如果研究生物多樣性與環(huán)境間的相關性時，柵格大小可選擇大些，個別的生物多樣性數(shù)據(jù)丟失對研究結(jié)果影響不大.經(jīng)度差值(或緯度差值)與經(jīng)向差值(或緯向差值)可互算，即0.1°相當于10 km，1°相當于100 km，與Feng等[15]所述相似。

將中國多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，絕大多數(shù)柵格對應矢量數(shù)據(jù)的相同類型，用中心點法、最大面積法、面積占優(yōu)法所獲結(jié)果一樣，只有少部分柵格對應矢量數(shù)據(jù)的不同類型，當一個柵格對應矢量數(shù)據(jù)中不同類型時，選擇中心點法、最大面積法、面積占優(yōu)法所獲得的結(jié)果有差異.用中心點法、最大面積法、面積占優(yōu)法將中國多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，最好選擇中心點法，若選擇后兩者方法，選擇其一即可.

中國殼斗科種多樣性類型從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，選擇柵格大小在0.1×°0.1°到0.4°×0.4°之間才能保證種多樣性類型不丟失，而屬多樣性類型則可選擇0.1°×0.1°到1.0×1.0°，因為種數(shù)多的多樣性類型分布范圍較小，而屬數(shù)多則分布范圍較大，但中國殼斗科植物多樣性研究應選擇柵格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之間.在研究生物多樣性時，依據(jù)研究目的來選擇矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)的柵格大小，最好按照所使用矢量數(shù)據(jù)中最小多邊形確定柵格大小.