基于GIS技術(shù)的物種適生區(qū)推算應(yīng)用

顧英杰

摘要：森林資源作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是重要的資源之一，有著不可替代的作用。森林資源的分布以及利用價(jià)值也是永不過時(shí)的話題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用現(xiàn)代技術(shù)，用森林群落的各項(xiàng)生態(tài)數(shù)據(jù)建立生態(tài)位模型，以統(tǒng)計(jì)植物群落的分布范圍，再推算潛在適生區(qū)，不僅能讓森林資源的統(tǒng)計(jì)更加科學(xué)，并且能針對(duì)入侵物種的生態(tài)位提前做出相應(yīng)保護(hù)對(duì)策。GIS技術(shù)的發(fā)展，特別是GIS 的空間分析功能，能讓數(shù)據(jù)可視化，結(jié)合生態(tài)位模型推演的范圍結(jié)果，區(qū)塊實(shí)現(xiàn)圖表化，讓資源調(diào)查的工作顯得更加具體。本文總結(jié)了生態(tài)位模型的基本方式，以及GIS技術(shù)的應(yīng)用狀況。

關(guān)鍵詞：森林資源；潛在適生區(qū)；生態(tài)位模型；GIS技術(shù)

時(shí)至今日，森林資源的重要性日益凸顯。如何測(cè)量森林資源、管理森林資源；如何監(jiān)測(cè)森林資源的動(dòng)態(tài)變化，分析評(píng)價(jià)森林資源的數(shù)量、分布、質(zhì)量、功能；如何預(yù)估森林發(fā)展趨勢(shì)，已成為當(dāng)前迫在眉睫需要解決的問題。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）是20世紀(jì)60年代中期開始發(fā)展起來的新技術(shù)。最初為解決地理問題而起，應(yīng)用范圍也只在地理相關(guān)專業(yè)。后來隨著GIS技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，GIS已在人類社會(huì)中無處不在，應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到各個(gè)領(lǐng)域，如旅游、通訊、房地產(chǎn)以及資源管理、信息服務(wù)、區(qū)域規(guī)劃等。

生態(tài)位（ecological niche）是指一個(gè)種群在生態(tài)系統(tǒng)中，在時(shí)間空間上所占據(jù)的位置及其與相關(guān)種群之間的功能關(guān)系與作用。生態(tài)位在生態(tài)學(xué)研究種最常見的是與資源利用譜相提并論。我們熟知的“生態(tài)位寬度”和“生態(tài)位測(cè)度”都可反映出生物和環(huán)境之間的關(guān)系。因種間競(jìng)爭(zhēng)的存在同一種生物不可能利用全部的原始生態(tài)位，所以其占據(jù)的是現(xiàn)實(shí)生態(tài)位而非原始生態(tài)位。

1.1 GARP模型（the Genetic Algorithm for Rule-set Prediction）

GARP模型能夠自動(dòng)搜索和物種分布相關(guān)的環(huán)境因子，選取最優(yōu)條件并映射到研究區(qū)域去預(yù)測(cè)物種的潛在適生區(qū)，即通過物種在現(xiàn)有分布區(qū)與目標(biāo)區(qū)域間的隨機(jī)和非隨機(jī)關(guān)系來預(yù)測(cè)物種的潛在適生區(qū)。GARP模型根據(jù)物種己知的生境和分布點(diǎn)，創(chuàng)建不同的組合模型，模擬物種的生態(tài)需求，而后預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)潛在的分布可能。在預(yù)測(cè)過程中，建?？蛇x擇Atomic、Range、Logistic Regression NegatedRange等參數(shù)，依據(jù)Anderson的方法建立最優(yōu)因子集合，從而預(yù)測(cè)物種分布區(qū)。

1.2 最大熵值模型（Maximum Entropy，MaxEnt）

機(jī)器學(xué)習(xí)算法中MaxEnt模型由S.J.Phillips在2004年構(gòu)建，是目前使用最為廣泛的模型。該模型被廣泛用于物種分布預(yù)測(cè)，研究的內(nèi)容包涵了不同時(shí)期物種的分布情況，研究?jī)?nèi)容涉及生態(tài)學(xué)、林學(xué)、遺傳學(xué)和物種入侵。在常見的物種分布預(yù)測(cè)軟件中，MaxEnt和GARP使用最為廣泛，MaxEnt的優(yōu)點(diǎn)是更為穩(wěn)定，且對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求不高，操作也相對(duì)GARP更加簡(jiǎn)單，且在環(huán)境條件和樣點(diǎn)數(shù)據(jù)等參數(shù)較多時(shí)表現(xiàn)更好。

本文主要以收錄知網(wǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)為主，用“生態(tài)位模型”作為關(guān)鍵詞搜索，共有317條文獻(xiàn)記錄，其中與地理分布區(qū)相關(guān)聯(lián)的有247篇，在這247條中關(guān)于動(dòng)物方向的有123篇，關(guān)于植物方向的98篇。這些文獻(xiàn)在討論的話題有兩個(gè)，一是本地物種的潛在適生區(qū)，二是入侵物種的潛在分布區(qū)。方法上共同的特點(diǎn)就是采用熵值模型模擬構(gòu)建生態(tài)位模型，使用其中的點(diǎn)提取和ROC曲線分析等功能進(jìn)行分析，從而做進(jìn)一步的措施。通過檢索公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和查閱數(shù)字動(dòng)植物標(biāo)本館、動(dòng)植物主題數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫獲得物種的分布數(shù)據(jù)，同時(shí)，結(jié)合地名數(shù)據(jù)庫查找相應(yīng)的經(jīng)緯度信息，最終獲得研究物種的分布記錄，通過現(xiàn)有的資料，盡可能多地選取分布點(diǎn)，從而避免研究物種現(xiàn)有地理分布點(diǎn)的過度偏向性。通過全球氣候數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站搜集相關(guān)的氣候因子信息。將上千條物種分布記錄放入同一個(gè)表格中，在相似的地理區(qū)間選擇一個(gè)樣方分布點(diǎn)，這樣一來會(huì)得到精煉的記錄，選擇環(huán)境因子（一般為氣象變量）。隨后，將兩種記錄分別導(dǎo)入MaxEnt軟件中，根據(jù)自動(dòng)特征規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，MaxEnt軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出適生區(qū)預(yù)測(cè)圖。最后ROC曲線繪制在DAVLA-GIS軟件下完成，將預(yù)測(cè)圖轉(zhuǎn)換成grd柵格圖，使用DAVLA-GIS軟件的modeling創(chuàng)建驗(yàn)證文件，生成含有各驗(yàn)證點(diǎn)預(yù)測(cè)值的roc文件，最后在Show Roc導(dǎo)入相應(yīng)的roc文件，得到ROC曲線的AUC值，作為模型預(yù)測(cè)精確度的衡量標(biāo)準(zhǔn)

GIS在外來物種適生性評(píng)估研究中可以把目標(biāo)物種發(fā)生區(qū)域內(nèi)的生物學(xué)特征和地理物理特征結(jié)合起來，研究影響物種分布的不同因素，再根據(jù)這些因素對(duì)物種適合生存的地區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)。從而進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。GIS應(yīng)用到物種適生性評(píng)估研究有兩種方式，一是直接在GIS中建模，二是與相關(guān)的軟件聯(lián)合對(duì)物適生區(qū)進(jìn)行更深入的研究。

GIS與模型相結(jié)合時(shí)，可以直接在GIS中建模。這樣可以利用物種的限制條件來建立環(huán)境包絡(luò)去實(shí)現(xiàn)物種潛在分布區(qū)的預(yù)測(cè)。具體方法為：首先，把目標(biāo)地區(qū)多年的氣候數(shù)據(jù)，通過空間插值將點(diǎn)氣候數(shù)據(jù)圖轉(zhuǎn)變?yōu)槊鏆夂驍?shù)據(jù)圖；再結(jié)合物種的生理閡值（如海拔、相對(duì)溫度、相對(duì)濕度等），然后將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的氣候數(shù)使在閡值內(nèi)的區(qū)域顯示出來，形成初步的適生圖，而后根據(jù)其他限制條件（如寄主、生境等），形成多個(gè)條件的適生圖，最后用圖層疊加功能把圖層求交集運(yùn)算形成最后的適生圖。此外，GIS與模型相結(jié)合還可以將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建模后與GIS結(jié)合。這種方法應(yīng)該根據(jù)物種的環(huán)境變量和已有分布數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立模型，而后將模型的預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化，最后利用GIS將結(jié)果以圖的方式展示。

中國(guó)擁有豐富的森林資源，但是在天然林和人工林并存的情況同時(shí)，我們應(yīng)該更多的考慮對(duì)天然林的保護(hù)，以及對(duì)珍惜物種的發(fā)現(xiàn)與保護(hù)。用上述生態(tài)位模型結(jié)合GIS技術(shù)，可以預(yù)想，野外調(diào)查現(xiàn)有記錄植物群落位置，做相應(yīng)生態(tài)影響因子的記錄，建立生態(tài)位模型，推算群落潛在適生區(qū)，再將數(shù)據(jù)用GIS技術(shù)以圖的形式表現(xiàn)出來，再回歸野外調(diào)查。生態(tài)位模型推算的方法不僅可以用在對(duì)天然植物群落的調(diào)查方面，同時(shí)可以用在對(duì)入侵物種潛在生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)查方向上，以及時(shí)對(duì)本土植物做保護(hù)措施，研究入侵生態(tài)位與本土生態(tài)位的沖突問題。結(jié)合第二點(diǎn)想法，深入研究人的生產(chǎn)活動(dòng)與植物群落之間的沖突問題，以研究更科學(xué)生態(tài)的城市發(fā)展方向，做出更好的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)。