简述3S技术在野生动物生境研究中的应用

3S技术应用课程论文课程名称:3S技术应用论文题目：简述3S技术在野生动物生境研究中的应用学院：林学院专业班级：姓名：学号：完成时间：2013年6月30日指导老师：成绩：简述3S技术在野生动物生境研究中的应用摘要：3S技术作为可快速、准确、科学、实时地获取和处理空间信息的新方法,具有较广泛的应用性。本文从3S技术与生物多样性、野生动物生境格局与破碎化、生境因子特性、生境分析模型建立、野生动物迁徙、生境评价和生境恢复建设几个方面简单地阐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Abstract:3Stechnologyasanewmethodthatcouldbequick,accurate,scientific,real-timeforinformationaccessandprocessingspacehasawiderapplicability.Inthispaper,3SApplicationisbrieflyelaboratedin3Stechnologyandbiodiversity,wildlifehabitatpatternandfragmentation,habitatfactorcharacteristics,habitatanalysismodel,wildlifemigration,habitatassessmentandhabitatrestorationconstructioninwildlifehabitatstudiesanditisproposedthatwildlifehabitatstudywilltoward3Stechnologyintegration,GIScombinationwithmathematicalmodels,datavisualizationsimulation,networkingandintelligentdirection.Keywords:3Stechnology,Wildanimal,Habitat1前言野生动物是自然生态系统的重要组成部分，是全人类共有的宝贵财富。保护野生动物资源对人类的生存发展具有重要意义，近几年来，地理信息系统(GIS)技术的兴起，为我国野生动物资源管理水平的迅速提高提供了难得的契机ADDINNE.Ref.{BD704918-FC25-41B3-8C20-408EDB19C74D}[1]。生境(Habitat)一词是生态学的重要概念，即通常所说的“生活环境”，是由美国Grinnel于1917年提出的，指的是动植物的个体或种群的天然栖息场所，使动物个体、种群或群落在其生长、发育和分布的地段上各种生态环境因子的总和,也就是具体到生物个体或种群生活地段的生态环境ADDINNE.Ref.{9384791D-799D-4307-B84B-419AD6661665}[2]。3S，即是地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和全球定位系统(GPS)有机结合与集成的总称。是以GIS技术为核心的结合与集成,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ADDINNE.Ref.{89598CEE-4C98-4FB7-AACC-E91B46360651}[3-4]，为野生动物生境的保护和恢复提供了科学依据和理论基础。23S技术在野生动物生境研究中的应用现状2.13S技术与野生动物多样性研究生物多样性保护是当今世界关注的热点问题。动物多样性不仅是生物多样性极为重要的一部分，动物还常作为生物多样性的指示物，为生物多样性的研究提供了客观可测的依据ADDINNE.Ref.{9893D60F-77D8-47B6-A0AB-FA2BC0FD3A06}[5]。然而，传统的动物地理学和生态学的研究手段在动物多样性的研究中有许多局限性，难以适应生物多样性研究的新形势。在动物物种分布方面，传统的分布图是依靠收藏的标本和野外观察地点的记录手工绘制成的，带有一定程度的主观性ADDINNE.Ref.{0B823E3D-A2C3-4162-8D2C-6ED9AF5C5A2C}[6]。此外，绘图工作量大且用途有限。在空间分析方面多局限在一维和二维空间上，难以体现出动物多样性和环境因子在多维空间上的内在联系。在热点地区分析方面，缺乏对就地保护系统(保护区)规划、设置、布局的科学性与合理性进行有效评估的手段，难以实现对生物多样性的有效保护ADDINNE.Ref.{C0FAFDA2-EEE2-47B9-9494-809B19163103}[5]。近年来，GIS在我国逐渐发展起来，并日益普遍地应用于生物资源的管理中，为生物多样性的研究和保护提供了有效的手段。GIS应用于动物多样性的空间分布格局、动物多样性动态变化、动物多样性及生物多样性的保护对策等方面。如Kepler等(1985)通过GIS得到了夏威夷岛几种雀形目濒危鸟类的分布图和丰富度ADDINNE.Ref.{3247618A-7946-4B41-B4C1-9243495E7BEF}[7]；Palmeirim(1988)将GIS和遥感技术结合得到英格兰的Strathclydae地区的普通巢区的分布图ADDINNE.Ref.{E4CB1EEC-0753-4808-A5D8-69BA326E39D7}[6]；Smith等在马达加斯加西部狐猴区系调查的基础上用GIS获得物种的分布图，并通过叠加得到狐猴的物种丰富度ADDINNE.Ref.{B7BF136E-8A0F-46B1-BC4F-D1FC805C579B}[8]。GIS还可以较为准确地预测动物的空间分布格局，PalmeirimaADDINNE.Ref.{EB6E2C0E-AE0E-486E-A163-801EAAC0E65B}[6]利用GIS的分类、叠加、面积计算、统计分析等功能，根据遥感(TM)图像将生境分为7类(与森林鸟类有关的有5类)；并依据遥感图像获得的生境类型确定研究的取样调查地点，获得鸟类的区系组成和多度，产生研究区的生境类型图，将调查结果与生境图叠加，并结合个体的生境利用特征，进行生境适宜性分析，获得物种分布的丰富度图，根据抽样调查统计的鸟类数量，得到生境中的各种鸟类的数量和密度，并能推测出研究区各种鸟的种群大小。2.23S技术在生境格局及生境破碎化研究中的应用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ADDINNE.Ref.{76FABCD8-6019-462C-8458-04DD7BE03982}[9]，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。景观格局的变化反映了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。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ADDINNE.Ref.{56FDE758-84B1-4FC8-B4F9-6D7850E71298}[10]。张昆巽等利用遥感及地理信息系统技术，结合野外生态调查，研究了云南会泽黑颈鹤(Grusnigricollis)国家自然保护区的土地利用变化及其对越冬黑颈鹤栖息地的影响和黑颈鹤可利用食物ADDINNE.Ref.{F8F850AE-7314-44C1-979C-87581987D945}[11]。生境破碎化，指由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主要因素。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ADDINNE.Ref.{46487675-1B62-4750-8490-F20D8875B285}[12]。在很大程度上影响了生境格局。此问题在近几十年日趋严重，不仅改变了生境质量、食物基地类型和动物赖以生存的小气候，还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ADDINNE.Ref.{B004B4C1-CC42-4022-AFCA-75E8B05DAE8A}[13-14]。生境破碎化对动物生存和繁衍的影响成为研究的热门领域。例如，陈利顶等利用GIS技术对卧龙自然保护区大熊猫(Aliuropodamelanolecuca)生境破碎化的研究，指出该地区生境破碎化程度严重影响了大熊猫的生存ADDINNE.Ref.{B5670066-C044-4AAA-AA82-DB4569F5D4A3}[15]；张洪亮等在ArcInfo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(Bosgaurusreadei)的生境格局ADDINNE.Ref.{8C0B22EA-87B9-4C55-9734-192A58D71C56}[16-17]；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ADDINNE.Ref.{67087412-8E39-4D7D-981F-589A76C7CDE0}[18]。宋宏利等利用GIS技术对黄弊湿地遥感影像进行湿地信息提取，并采用景观类型转移矩阵、动态变化率和马尔可夫等模型对黄葬湿地景观变化进行分析和预测，评价了景观类型间的转变对生态环境带来的影响，研究表明，黄葬湿地的总面积减小，人工化程度加重，湿地正处于退化状态，湿地的生态环境遭到破坏，应立即采取措施加强湿地保护ADDINNE.Ref.{5DDA18BC-DF2B-44CE-8F93-5AD9ED7B0B2D}[19]。2.3生境因子分析生境，生物生活的空间，全部生态因素的综合体，包括生态因子和非生态因子及其相互关系和相互影响。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。通过对生境因子的研究，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，Hooker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进行分析，获得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ADDINNE.Ref.{765CE35F-268C-46A3-94D5-DAEDC839E87C}[20]；刘雪华利用GIS技术研究了卧龙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ADDINNE.Ref.{9CCF3751-8855-4156-AC47-751A5D30F798}[21]，为大熊猫保护区规划与管理提供了有力支持。刘路明等利用TM/ETM数据，利用二元分析模型，估算出不同时期内大山包黑颈鹤自然保护区的植被覆盖度，并对其变化进行了定量分析结果表明,2006年较2001年的植被覆盖度呈增高趋势。植被覆盖度的变化与人类活动有密切关系，大山包黑颈鹤自然保护区核心区居民异地迁移工程以及国家级自然保护区的建立是大山包黑颈鹤自然保护区植被覆盖度增高的重要原因ADDINNE.Ref.{3DA1117C-77E2-414C-9B57-37BCCFB13F74}[22]。2.4生境分析模型地理信息系统不仅可对地理空间数据进行编码、存储和提取，还能将现实世界各个侧面的思维评价结果附加于模型，得到综合分析评价的结果，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不同后果，选择最佳决策，避免和预防不良后果的发生ADDINNE.Ref.{58EFCFB6-D572-4C6F-8ED2-AE889DA02E47}[23]。而生境模型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ADDINNE.Ref.{39974909-0AE7-4E4D-A83F-70D7B1FEFEB6}[24]。基于3S技术的生境模型有三种方式ADDINNE.Ref.{93F72C14-C9D2-47A7-8046-CEA42ACEDADC}[25]，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ADDINNE.Ref.{391984CB-AC8F-4B79-B859-013F32404929}[16-17]；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，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ADDINNE.Ref.{3F891066-A88D-4734-B12D-1AD7992481A8}[26]。2.53S技术与野生动物迁徙研究近年来，3S技术也逐渐被应用到野生动物迁徙研究中，具体体现在对野生动物迁徙路线、停歇情况、分布格局和保护研究等方面。与传统的方法相比，3S技术更科学合理，利用GPS定位和卫星跟踪能得出野生动物迁徙的具体路线，结合遥感影像对其生境偏好进行分析。例如杨晓君等运用3S技术研究黑颈鹤的迁徙路线发现，尽管黑颈鹤已经飞上青藏高原的面上，周围的山峰高度才几百米，但它还是避开这些山峰，沿着谷地飞行ADDINNE.Ref.{6A971CFF-8204-410A-A32B-B7FA3FA7F39D}[27]。此外，3S技术也可以与保护工作结合起来，杨晓君等将8只黑颈鹤卫星跟踪数据与保护区的地形图结合起来，发现有7只鹤在保护区内，还有1只鹤在保护区外。但是总体而言，这8只鹤的位点中大约85%都是在保护区内，所以认为这个保护区区划是比较好的ADDINNE.Ref.{346113D7-02C5-469A-80ED-CC1C422FD0FB}[27]。张会格等于2006年冬季在云南大山包和贵州草海给4只越冬的黑颈鹤佩戴了卫星发射器，追踪研究东部种群的迁徙路线和中途停歇地，其中3只成功完成了2此春季迁徙和1次秋季迁徙，1只完成1此春季迁徙和1次秋季迁徙。在云贵高原和若尔盖沼泽之间，两次卫星跟踪实验，共追踪到迁徙黑颈鹤的65次中途停歇，设计33个停歇地。调查发现黑颈鹤的中途停歇地多为高山草甸，附近有河流或湖泊等淡水水源，迁徙季节时这些地点人类活动较少。黑颈鹤中途停歇以集小群、短时间的形式，没有发现集大群迁徙的黑颈鹤的停歇地。黑颈鹤停歇地的生境保护对于其迁徙影响很大，60%的黑颈鹤停歇不在保护区范围内，因此这些停歇地的保护有待加强ADDINNE.Ref.{AFA54EE0-A58E-44F0-89F4-1BC8AC947238}[28]。同样，高立波等于2005年在大山包保护区相继给4只越冬黑颈鹤安装了卫星信号发射器跟踪研究其迁徙路线以及迁徙停歇地ADDINNE.Ref.{46BAC6B9-5EFD-4193-AFB6-F4F987E0FA8D}[29]。2.63S与野生动物生境评价研究在野生动物生境破碎化及空间格局的分析的基础上，对生境的质量评价和评估是野生动物保护研究一项必不可少的工作。通过GIS的叠加分析，可以将影响动物分布的各个因子结合起来，以不同的图层呈现出来，经过叠加后找到动物生存因子的适合水平和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。国内外都在着力此项研究，Harrison等利用GIS技术对北美东部的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ADDINNE.Ref.{83572FD6-39EC-4CD7-AE1E-4F0C6E3686EB}[30]；李欣海等利用GIS技术对朱鹮栖息地地形、植被、水域和人为影响等因素的分析和评价，得到了生境对朱鹮的综合适宜度以及相关因素的重要程度ADDINNE.Ref.{589FE7FD-04D2-4BC2-829A-D0816FCA6FC3}[31]；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ADDINNE.Ref.{ADC0143C-2729-4BC2-A367-021A53D98092}[32]；李芝喜等综合利用遥感和GIS技术对西双版纳勐养保护区亚洲象(Elephasmaximus)的生境进行了评价ADDINNE.Ref.{74D959DF-9570-45EE-88C4-3F194307BC10}[33]。2.73S与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。与传统相比，目前3S技术的应用为野生动物生境恢复建设提供了更加科学的技术支撑。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，如芦苇面积、苇下水位变动和邻近水域大小等研究，建立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ArcInfo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ADDINNE.Ref.{6F1F0604-8F94-4EF1-B934-F7482D5526B4}[34]。此外，黄兆峰ADDINNE.Ref.{42122534-DE51-4C81-878F-7864ED3FFF51}[35]利用GIS对福建梅花山自然保护区华南虎(Pantheratigrisamoyensis)栖息地进行规划研究。33S技术在野生动物生境研究中的应用前景野生动植物保护事业逐渐引起公众的关注，政府也投入了大量的财力和技术支持，取得了很好的成效，随着生物多样性问题的全球化和生物多样性保护的社会化，保护工作将更趋于高效率和高精度，这必将推动3S技术在野生动物生境中的应用向深层次的探索和发展。基于3S技术集成的野生动物生境研究；RS是目前获取野生动物生境有关因子数据信息的最主要方式；实地调查中可以借助GPS的准确定位并保留地理信息，也有人提出利用GPSRTK技术进行景观破碎化的空间分布研究ADDINNE.Ref.{9DE21663-B32C-4C69-B76E-B1C65B3D57FC}[36]；借助GIS的综合空间分析能力，可对获取的数据信息进行精确而快速的综合处理与分析评价。因此，在进行野生动物生境研究中，必须考虑3S集成化和一体化，这将使诸多生态学研究朝着更为科学化、规范化的方向发展，实现管理与研究的一体化。3S与数学模型相结合的生境研究；野生动物生境的多样性与复杂性特点，其研究不断从定性走向定量，需要多种技术与方法的有力支持。3S技术与数学模型的结合成为获取和研究与生境有关的时间、空间环境因子之间相互关系强有力的工具，它能够弥补GIS技术作为空间数据分析和处理的工具在进行启发式推理能力上的不足，也可以有效地对空间变化进行模拟分析。利用GIS技术建立更完善的生态模型将是今后发展趋势之一ADDINNE.Ref.{BC34D98A-9687-4371-879E-5731C73F916F}[26]。生境数据的可视化模拟ADDINNE.Ref.{B2FA5B3E-440A-4170-9F69-3C372A94D6E0}[3,12,37]；这是GIS技术的核心。随着GIS技术的发展，空间分析的应用领域将不断扩大，生物多样性保护研究是其重要应用领域。野生动物生境研究的目的是通过评价和分析野生动物生境，为物种保护、生境的恢复和持续利用提供可靠、直观的数据。传统方法获取的数据种类复杂、数量庞大、难统计、不直观、利用率低等影响了对生境的分析和评价。随着野生动物生境研究和生物多样性研究的不断深入，能否使数据结果的可视化程度提高成为一个关键的环节。GIS能有效地处理海量数据和进行空间分析，使属性数据与空间数据相结合，将抽象的数据用各种图形的形式显示出来，以利于数据的多方面比较；还可将野生动物生境的信息以多媒体和模拟现实的方式展示在人们的面前，以加深对生境的理解和认识，提高生境的评价和分析质量。基于WebGIS的野生动物生境研究ADDINNE.Ref.{9794CCAF-5D95-4073-9A8E-67E3BE021CB1}[4,25,37]；随着网络技术的普及与WebGIS的发展，3S技术可将复杂的属性数据和空间数据归于同一空间坐标系统中，统一数据的标准，实现数据的有效管理、维护、更新和共享，并保证了数据的现势性、完整性和一致性。利用WebGIS可通过网络进行空间信息的查询和分析，能及时、迅速地实现多客户端，并能节省费用，因而特别适合于区域性的物种综合管理ADDINNE.Ref.{B8520757-EAB7-4D1F-9F3F-56E4F98404B5}[37]。利用WebGIS建立野生动物生境数据库，可在较短时间内建立野生动物分布的位置、生境变化等档案，以及进行生境状况的相关分析、人为干扰评估等，以便开展长期的动态监测，加强野生动物生境的有效保护和合理利用。野生动物生境智能化GIS应用；智能GIS是在专家系统(ES)、神经网络、遗传算法等技术支持下的应用GIS。可以利用基于野生动物知识的专家系统来提高野生动物生境GIS的自动化和可靠性，通过建立具有知识处理和推理能力的野生动物生境分析评价信息系统，来解决相关的复杂问题，并且能够自动提供生境研究信息，为生物多样性的管理和保护提供决策支持。4结语随着世界人口的急速增加和经济的不断发展，人类活动对环境的消极影响不断加剧，生物多样性保护与管理的重要作用日益突显，生物多样性的研究和保护成为一项不断发展的、复杂的社会系统工程。3S技术作为空间信息技术的主要方面,涉及卫星通信、航天航空遥感、卫星定位技术等专业领域,是当前人类快速获取大区域地球环境动态和定位信息的最主要手段，也是将海量冗杂的数据有效管理和处理的方法。随着RS和GPS动态监测技术应用水平的不断提高,GIS网络化、可视化和智能化的不断发展，3S技术的系统化应用必将推动野生动物生境研究进入一个崭新的阶段。ADDINNE.Bib参考文献[1] 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