3S技术在野生动物生境研究中的应用

收稿日期:2004-05-31;　修订日期:2004-09-27 基金项目:国家自然科学基金项目(40361007);云南省自然科学基金项目(2002D0036M ) 作者简介:王金亮(1963-),男,教授,博士,研究方向为遥感与G IS 在资源环境保护与管理中的应用。

3S 技术在野生动物生境研究中的应用王金亮,陈　姚(云南师范大学旅游与地理科学学院,云南昆明650092)摘要:3S 技术可快速、准确、实时地获取、处理空间信息,具有广泛的应用性。

该文从野生动物生境格局、生境破碎化、生境因子特性、生境分析模型建立、生境评价和生境恢复建设等方面,综合评述野生动物生境研究中3S 的应用问题,并提出野生动物生境研究将朝着3S 技术集成、GIS 与数学模型结合、数据可视化模拟、网络化和智能化的方向发展。

关键词:3S 技术;野生动物生境;生物多样性保护中图分类号:Q958;P208 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2004)06-0044-04 “生境”(Habitat )是生物体或生物群体自然分布的地方或地段,它不仅是生物生活的空间,而且包括其中全部生态因素的综合体。

野生动物与其生境密切相关,生境为野生动物提供了生存、繁衍及种群发展所需的资源;野生动物对环境具有依赖性,环境因子的变化能够促进野生动物对环境的适应,进而促进生物的进化和物种的形成。

开展野生动物生境的保护研究将有助于生物多样性保护。

随着人类活动范围的不断扩大,野生动物的生境受到了愈来愈严重的威胁。

如何准确、及时、动态地获取野生动物生境的现状信息和变化信息,并对导致其变化的因素作出分析与评价,对野生动物保护具有重要意义。

传统的方法主要是利用野外的抽样调查、室内试验等手工汇集方法获得野生动物生境数据,数据的现时性、准确性和可靠性都受到了极大的限制[1-4],难以满足野生动物生境研究的需要。

分析讨论3S 技术在野生动物生境研究中的应用,可为野生动物栖息地保护研究提供有力的支持。

1　3S 技术在野生动物生境研究中的应用现状3S 技术是地理信息系统(G IS )、遥感(RS )、全球定位系统(G PS )有机结合与集成的总称。

以G IS 为核心的3S 技术的结合与集成,构成了对空间数据实时采集、更新、处理、分析以及为各种实际应用提供科学决策咨询的强大技术体系。

目前许多专家利用3S 技术在野生动物生境的研究中取得了丰硕成果[1-4],为野生动物生境的保护和恢复提供了科学依据。

1.1　生境格局及生境破碎化研究景观空间格局是生态系统或系统属性空间变异程度的具体表现[6],可以反映不同的景观功能和生态过程。

景观格局及变化会影响野生动物的栖息、迁移及觅食等活动。

通过景观格局的变化可以研究生态系统受干扰的程度、生态承载力的大小和生境适宜性的变化。

目前对景观格局的研究多局限于自然或人为景观方面,对生境格局的研究较少。

例如,王凌等在利用RS 和GIS 对辽河三角洲土地覆被变化进行研究的基础上,引用空间多样性指数分析了该地区野生动物生境的格局变化[7]。

生境破碎化是指由于人类活动或自然因素导致的景观由简单、均质、连续的整体向复杂、异质、不连续的斑块镶嵌体演化的过程。

通常线状或带状的廊道是引起生境破碎化的动因[8]。

生境破碎化将导致景观中面积较大的自然栖息地不断被分隔破碎,生态功能逐渐降低[2]。

野生动物生境破碎化程度的高低,一方面表示生境对野生动物多样性维持和保护的贡献大小。

一般在生境面积相等的情况下,破碎化程度越高,景观斑块越小,对野生动物越不利。

另一方面表示生境功能的高低,景观破碎化程度越高,生境的功能越单一。

生境的破碎化程度在很大程度上影响了生境景观的空间分布状况,即生境的格局。

近几十年来,野生动物生境日趋破碎化,这不仅改变了生境的质量、食物基地的类型和动物赖以生存的小气候,严重影响动物的生存和繁衍,而且增加了动物之间的竞争和近亲繁殖率,给生物多样性带来了很大的威胁[9,10]。

研究生境破碎化对动物生存和繁衍的影响,是近年在景观生态学基础上兴起的热门研究领域。

例如,陈利顶等利用GIS 技术对卧龙自然保护区大熊猫(Aliuropoda melanolecuca )生境破碎第20卷　第6期2004年11月 地理与地理信息科学G eography and G eo -In formation Science V ol.20　N o.6N ovember 2004化的研究,指出该地区生境破碎化程度严重影响了大熊猫的生存[11];张洪亮等在Arc/In fo和ArcView的支持下,对构成生境的基本要素图形数据库进行叠加分析,研究了西双版纳纳板河流域生物圈保护区印度野牛(Bos gaurus readei)的生境格局[12-14];年波等应用遥感技术对滇金丝猴生境的破碎化程度进行遥感影像处理,分析和评价了研究区内滇金丝猴的生境状况,为后期生境的研究奠定了基础[15]。

1.2　生境因子的研究生境作为生物生活的空间和其中全部生态因素的综合体,包括生态因子和非生态因子之间的相互关系和相互影响。

其中生境因子包括地形、土壤、水源供给、植被覆盖特征、人类活动影响等因素。

通过生境因子的研究,可以明确区域内生态因子和非生态因子之间的相互关系,评价生境的适宜性,因此生境因子研究成为评价野生动物生存环境的重要指标。

3S 技术的应用丰富了生境因子研究的手段和方法。

例如,H ooker等应用GIS技术对影响加拿大东部海岸鲸鱼分布的水深、温度以及时间等生境因子的分析,获得了鲸鱼的分布图和丰富度图,为评价和保护鲸鱼提供了科学依据[16];刘雪华利用GIS技术研究了卧龙自然保护区大熊猫分布与人类活动之间的关系,通过比较潜在生境分布和现实生境分布,找到了两者之间的差异[17],为大熊猫保护区规划与管理提供了有力支持。

1.3　生境分析模型研究科学模型是按照科学研究特定目的,用物质形式或思维形式再现原型客体本质属性和本质关系的系统,是被研究客体的一种类似物[18]。

GIS不仅可对地理空间数据进行编码、存储和提取,还将现实世界各个侧面的思维评价结果作用于模型,得到综合分析评价结果;也可将自然过程、决策和倾向的发展结果以命令、函数和分析模拟程序的形式作用于相关数据,模拟这些过程的发生、发展,对未来的结果做出定量与定性预测,从而预知自然过程的结果,对比不同决策方案的效果以及特殊倾向可能产生的后果,以做出最佳决策,避免和预防不良后果的发生[5]。

可是生境模型将要解决的问题往往错综复杂,需要预测某个系统随时间演变的情况。

以生态学理论为指导,将GIS 与数学模型结合成为一种很好的预测工具,尤其是栅格数据对空间数据的模拟与分析非常有效[19]。

基于3S技术的生境模型有三种方式[20]:1)利用GIS软件内部提供的函数或模型进行空间动态分析或模拟,如通过空间叠加证实物种的适宜性生境、通过点数据的插值为无数据地区估值等。

2)利用遥感技术采集的生境因子,结合历史背景信息、物种空间分布情况建立统计性GIS模型。

如Lian综合利用多元统计技术和GIS技术建立Logistic回归模型,对美国驼鹿(Alesa lces)的空间分布格局进行预测[21];张洪亮、李芝喜等在GIS技术的支持下,综合运用贝叶斯统计推理技术,建立了印度野牛生境的Logistic多元回归模型和贝叶斯综合模型,该研究弥补了GIS技术支持的生境研究在启发式推理中的不足[13,14];Jose采用贝叶斯综合模型对美国亚利桑那州红松鼠(T amiasciurus huds onicus)的空间分布格局和生境适宜性进行评价[22];美国学者Boone利用GIS技术建立蒙大拿州西南部地区的动物个体及群体的迁移行为扩散模型,通过对土地利用的评估,研究了洛基山地区北美灰熊迁移的影响因素[23]。

3)将GIS与时空模型相耦合,成为耦合的GIS 模型。

3S技术与数学模型的结合将为获取与生境有关的时间、空间环境因子的相互关系提供强有力工具,进而弥补3S技术在启发式推理能力上的不足,并有效解决对空间变化的模拟分析。

利用GIS技术建立更完善的生态模型将是今后发展的趋势之一[24]。

1.4　野生动物生境评价研究通过对野生动物生境破碎化及空间格局的分析,进行生境的质量评价和评估是野生动物保护研究必不可少的工作。

通过GIS的叠加分析,可以将影响动物分布的各个因子(如生态因素、非生态因素以及人为影响因素)结合起来,以不同数据图层来表现,经过叠加后找到动物生存各因子的适合水平以及各因子对生物生境的影响和综合作用程度,这在生境评价中非常有用。

国内外都在开展此项研究,如Harris on等利用GIS技术对北美东部狼生境的范围和连接度进行了研究,通过对当地土地利用、人口密度、道路密度以及狼的数量等方面数据的分析,找到了狼生境变迁的规律[25];李欣海等利用GIS技术对朱　栖息地地形、植被、水域和人为影响等因素的分析和评价,得到了生境对朱　的综合适宜度以及相关因素的重要程度[26];欧阳志云等利用GIS技术对卧龙自然保护区内大熊猫的分布和生境关系的研究,评价了大熊猫生境质量及其空间格局,并讨论了生境评价的方法和技术[27,28];李芝喜等综合利用遥感和GIS技术对西双版纳勐养自然保护区亚洲象(Elephas maximus)生境的评价[29]。

1.5　野生动物生境恢复建设研究野生动物生境的恢复建设是在野生动物生境现状研究和评价的基础上,以景观生态学的理论为指导,合理地规划和建设生境的空间结构,将生境中的页54第第6期 王金亮等:3S技术在野生动物生境研究中的应用各种廊道、斑块与基质的数量和空间格局进行优化设计,使生境充分发挥其功能,维护生境生态系统的平衡,为生物多样性创造健康的生存空间。

目前3S 技术的应用为野生动物生境恢复建设提供了更为科学的技术支撑。

例如,张艳红等通过对向海地区影响鹤类生境选择的重要因子,包括芦苇面积、苇下水位变动和邻近水域大小等研究,建立了该地区的数字高程模型,并将其与从遥感影像上获取的向海湿地景观信息在Arc/In fo支持下进行空间叠加分析,建立了水位与芦苇分布的动态关系,以及不同水位以上芦苇面积的等级分布规律,这种模拟对向海自然保护区鹤类生境的优化管理及其生境的恢复建设提供了科学的决策依据[30]。

此外,王岐山[31]、黄兆峰[32]等分别利用GIS对丹顶鹤(Crus japonensis)和福建梅花山自然保护区华南虎(Panthera tigris am oyen2 sis)栖息地进行规划研究。

2　3S技术在野生动物生境研究中的应用前景目前生物多样性问题的全球化和生物多样性保护的社会化,必将推动3S技术在野生动物生境中的应用向深层次发展。