全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 162169
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015
收稿日期: 2014-11-10; 修订日期: 2015-03-27
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-004-01); 沈阳市科技创新专项资金-大型仪器共享服务建设专项(F13-306-4-00)
作者简介: 王迪(1990—), 女, 辽宁抚顺人, 硕士在读, 主要从事生物多样性与生态修复研究, E-mail: 13889241280@sina.cn
*通信作者: 曲波, 女, 博士, 副教授, 主要从事生物多样性与生物入侵研究, E-mail: syau_@163.com
王迪, 田旭飞, 曲波. GIS 在生态学中的应用研究进展[J]. 生态科学, 2015, 34(3): 162169.
WANG Di, TIAN Xu Fei, QU Bo. The progress of GIS application in ecology research [J]. Ecological Science, 2015, 34(3): 162169.
GIS 在生态学中的应用研究进展
王迪 1, 田旭飞 2, 曲波 3,*
沈阳农业大学生物科学技术学院, 辽宁沈阳 110866
【摘要】 地理信息系统(Geographic Information System, GIS)作为一个能够准确、及时、动态的获取生态资源现状的计
算机软件, 对生态资源的保护与可持续发展具有重要的意义。研究表明 GIS 在动植物的分布及动态监测、栖息地质量
评估、保护区的建立与管理和水生态环境保护等方面得到广泛应用, 解决了许多由于各种自然因素或人文因素所导致
的很难解决的问题, 大大提高了生态学数据统计和应用的效率。
关键词：GIS; 生态学; 动植物分布监测; 栖息地质量评估; 保护区管理
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.027 中图分类号：Q14 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-162-08
The progress of GIS application in ecology research
WANG Di1, TIAN Xu Fei2, QU Bo3,*
Biological Science and Technology College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China
Abstract: GIS (Geographic Information System, GIS), as an accurate, timely, dynamic computer software, has vital
significance for protection and the sustainable development of ecology. The review focused on the wide utilization of GIS in
monitoring dynamically distribution of animals and plants, quality assessment of the habitat, establishment and management
of protection zone and protection of the water environment. It solves some hard problems coming from natural and culture,
and greatly improves the efficiency of statistics and application of ecological data.
Key words: GIS; ecology; monitoring of distribution of animals and plants; quality assessment of the habitat; management of
protection zone
1 前言
随着当今社会信息化速度不断加快, 人们对
地理信息的需求也不断剧增。在 20 世纪 60 年代
初期地理信息系统(Geographic Information System,
GIS)对于大多数人来说还是个很陌生的词语, 而
现如今 GIS 在各个领域中应用发展的速度可谓是
突飞猛进。GIS 功能强大, 是用于建立、编辑图形
和地理数据库并对其进行空间分析的工具的集合,
是与人类发展密切关联的一门信息科学与技术 ,
其本身的科学性和经济性的作用不可估量。例如
GIS 在水环境专题方面的应用, 其中包括水环境
信息智能查询、水环境信息统计、水环境信息分
析以及分析决策结果输出等, 节省了巨大的人工
成本 , 减少了作业时间 , 并能有效准确的提取信
息分析数据。2014 年涂俊等以长江下游为研究对
象, 利用将 GIS 应用到河流水环境质量评价中,
利用其强大的数据存储、分析、处理、图形显示、
空间分析能力,建立河流水质评价系统。在 GIS 技
术的基础上 , 选取科学的水环境质量评价方法 ,
3 期 王迪, 等. GIS 在生态学中的应用研究进展 163
并将二者结合起来完成对长江下游水功能区的水
质评价工作。特别是在发达国家 GIS 在生态学中
的应用日益广泛, 英美等国已成立了国家地理信
息研究中心, 为 GIS 在各领域的应用奠定了基础;
发达国家以外的国家对于 GIS 的应用与认识也不
断增加, 例如“九五”期间我国原国家科委将 GIS
作为独立课题列入“重中之重”科技攻关计划, 给
予了充分的重视和支持。
二十一世纪初期经济飞速发展, 为实现既满足
当代人的需要又不对后代人满足其需要的能力构成
危害的可持续发展目标, 对生态学的要求骤然增
加。可持续发展内容包括生态系统可持续、经济可
持续和社会可持续三个方面, 其中生态系统可持续
是基础、经济可持续是保障、社会可持续是目的。
生态学与人类生存与发展的紧密相关而产生了多个
生态学的研究热点, 如生物多样性的研究、全球气
候变化的研究、受损生态系统的恢复与重建研究、
可持续发展研究等。同时生态学的大数据时代也随
之到来, 对于大数据的处理, GIS 的集成、整合地图
数据、图形、图像等功能解决了这一问题。对于生
物多样性调查、全球气候变化、濒危生物的保护和
水质监测等研究需要长期的动态监测工作 [1–3],
Mobile GIS 结合了 GPS 的精确定位技术、便携移动
设备(如 PocketPC、手机)、无线 Internet 接入和 GIS
的空间信息处理能力, 对生态学的发展提供起到了
促进作用。
本文通过了解GIS在国内外生态学领域中的应
用现状, 根据GIS的定位功能和把地图独特的视觉
效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查
询和统计分析)集成在一起的特点来辅助完成对动
植物的分布及动态监测、栖息地质量评估、保护区
的建立与管理和水环境的保护。缓解了研究中的工
作量大、误差大和研究范围小等问题, 从而促进了
我国生态学的发展, 使我国的生态学水平提高到一
个新的台阶。
2 GIS
2.1 GIS 的兴起
随着计算机技术的不断发展, GIS 的概念随之
而产生。20 世纪 50 年代初,GIS 最初只为美国军方
计算炮弹曲线, 不久人们就发现了它在其他行业的
重大用途, 随后 GIS 在不同的领域都开始了广泛的
使用。
从20世纪中叶后期开始 ,英国的地理学教授
Terry Coppock 就已通过早期的计算机对国土资源
相关信息和土地利用的变化进行了收集与管理。在
1963年, 前加拿大地理师协会主席、加拿大测量学
家 Roger Tomlinson 开始研究利用计算机来管理
加拿大的土地资源信息, 首次提出 GIS 这一概念,
并建立了世界上第一个“GIS”─加拿大地理信息系统
(Canadian Geographical Information System, CGIS)[4],
用于自然资源的管理与规划。同一时期, 在电网、
管线等全新的技术领域有像国际商用机器(Interna-
tional Business Machine, IBM)和通用电气(General
Electrics, GE)这样的国际知名公司开始涉足使用
计算机工具管理公共事业。在那之后的十多年里,
计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD),
计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,
CAM)和数据库管理(Database Management, DM)
等学科都开始发展起来, 进而为 GIS 技术的发展
铺平了道路。
2.2 GIS 的发展概况
2.2.1 国际上 GIS 的发展概况
20 世纪 60 年代, GIS 的发展主要处于 GIS 思想
的建立和 GIS 技术方法确立的探索时期。在这一时
期中人们关注的是“GIS 的真正含义是什么”和“它能
从哪些方面辅助人们的工作和研究”。
到了 70 年代, GIS 以前期的成果为基础将重点
转移到空间数据处理和数据库管理两方面。例如自
然资源和环境数据的处理。
到了 80 年代, 由于经济发展的加快对资源消
耗和环境的破坏越来越严重, 人们对保护环境的
意识逐渐提高, 因此需要采取更加系统全面的方
法来解决严峻的环境与资源问题, 为 GIS 的推广
和发展创造了一个新的时机。同时空间分析技术
在这一时期运用到 GIS中来, 人们把 GIS与遥感技
术(Remote Sensing, RS)技术相结合, 解决了许多有
利于民生的热点难题, 如全球沙漠化、保护区的建
立与保护和水环境评价等, 充分显示出 GIS 在各行
各业中的优势。
90年代至今, GIS产业的规模不断扩大, 应用日
趋广泛, 开始进入产业化的阶段[5]。GIS 技术主要应
用于土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通
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运输、经济建设、城市规划、工程设计以及政府部
门行政管理等。2008 年, 据国家地理信息中心蒋景
曈描述我国地理信息产业总规模已超过 600 亿元,
从业人员约 40 万, 从业机构超过 1 万家, 这些数字
目前还在不断的增加中。就城市而言, GIS 的广泛应
用已经成为城市规划、建设和管理的重要工具, 其
社会地位的明显变化, 使得 GIS 被认为是 21 世纪重
要的支柱产业之一。
2.2.2 我国 GIS 的发展概况
我国 GIS 起步较晚, 但发展较快, 分为以下几
个阶段:
上世纪 70 年代, 是 GIS 的准备阶段: 一些科学
研究人员看到了 GIS 广阔的应用前景和对我国经济
发展的重要性, 从而呼吁国民主动了解 GIS, 为 GIS
在我国的发展奠定了基础[6]。
80 年代, 是 GIS 的起步阶段: 这期间, 我国的
GIS 在理论探索[7]、软件的研究开发和系统建立等
方面取得了极大的进展[8]。如专题软件的开发和全
国性地理信息系统实体建设、城市地理信息系统以
及区域地理信息系统的开发与建设等。同时, 进行
了一些典型的试验专题研究, 例如地理研究所的
“腾冲遥感实验”, 实现了对同源遥感信息的分专业
化的提取[9]。
90 年代, 我国 GIS 处在发展阶段: 改革开放以
来, GIS 主要服务于沿海经济开发区的土地规划管
理问题[10–11], 从而带动了 GIS 在全国范围的发展。
1996 年至今, 我国 GIS 处于产业化阶段。为
了让 GIS 更好的服务于各行各业, 一批专业遥感
基地已建立, 并逐步投入使用和趋向产业化。许
多领域也开始利用 3S 技术来辅助完成许多重点
项目, 其中包括国家级和地方级的项目[12–13]。在
这期间具有我国自主知识产权的 GIS 基础软件的
研制逐步的正规化, 例如水经柱研发的许多软件
产品, 这些都标志着我国 GIS 产业已进入新的发
展阶段。
3 GIS 在生态学中应用的背景和意义
近年来, 信息技术在每个行业和科学学科中的
应用为各行各业的工作节省了很多时间、劳动及资
金成本, 受到世界各国的普遍重视, 成为科学界最
受欢迎的搜索工具。尤其是在美国副总统戈尔在演
讲中提到要将我们的地球变成数字地球之后, 使
全球掀起了“数字地球”热, 也使得其中的核心技
术GIS更为世界各国人民所关注[14], 而GIS极强的
空间分析等功能特点决定了它与生物资源联系的必
然性[15]。
GIS在生态学中得到广泛应用 , 其优势在于
为科学研究工作提供了一种既简单又精确的应用
方法。GIS通过它的有效的数据集成和混合的数
据结构、独特的地理空间分析能力、快速的空间
定位检索和复杂的查询功能、强大的图形创造和
可视化表达手段以及地理过程的演化模拟等功能
来实现我们对数据的高要求 [16]。除此之外 , GIS
有管理、模拟、决策、规划、预测和预报等强大
功能[17], 这些功能在生态学应用中起到了实质性
的作用。例如通过它可以把河流两岸的植被物种
的演替更准确、生动的呈现在图纸上, 对河流植
被修复起到简化作用; 还可以将环境监测、环境
统计等中的数据与地图相关联 , 建立拓扑关系 ,
然后进行空间分析 , 从而辅助决策和管理; 更有
人创新的应用数据库技术和组件式地理信息系统
二次开发技术思想开发了具有通用性的“外来生
物风险评估系统”[18]。
4 GIS 在国内外生态学中的应用
从 GIS 不断发展的进程中看, 北美国家在生态
学中的发展处于领先地位。在应用和发展 GIS 的基
础上, 加拿大地理师协会主席 Roger Tomlinson 于
1988 年在英国举行了全球数据库计划会议, 聚集一
些国家的关键技术人员来探索合作构建全球数据库
的前景, 1993 年美国提出了国家信息基础设施建设。
我国地理信息系统方面的工作自 80 年代初开始。目
前世界上常用的 GIS 软件已达到 400 多种[19], 国外
较著名的 GIS 软件产品有[20–21]: Auotodesk 系列产
品、Arc/Info 和 MapInfo 及其构件产品 Intergraph、
Microstation 等。
4.1 GIS 在动植物的分布及动态监测中的应用
有关动植物的研究, 很多学者都不约而同的选
择了对动植物多样性的研究, 而确定动植物的分布
和数量是进行多样性评估的基础。
对于研究动植物的分布, 传统的研究方法就是
3 期 王迪, 等. GIS 在生态学中的应用研究进展 165
通过样方法来进行实地调查并通过对所记录指标进
行分析、总结规律得出结论。此方法对于植物的分
布的调查还比较有效, 可对于动物来说就会出现很
多的问题。动物是很难被控制的群体, 无法在静态
的情况下精确的测出其样方中动物个体的数量, 而
且对样方的大小要求也很高, 从而加大了测量的难
度。现如今Mobile GIS结合了全球定位系统(Global
Position System, GPS)的精确定位技术、便携移动设
备(如PocketPC、手机)、无线Internet接入和GIS的空
间信息处理能力, 可以对物种进行动态监测, 并在
ArcMap中绘制出动物的分布图并确定物种的丰富
度, 判定种群数量增长的趋势, 从而实现GIS对动植
物的分布及动态监测[22], 解决了传统调查方法中费
时费力的问题, 特别是针对一些高寒酷热地带、人
迹罕见地带的调查具有更高的价值[23]。将GIS和GPS
结合使用能更好的实时记录动植物的空间分布格局
和时空动态[24]。
对于动植物的动态监测, GIS更是值得一提。
考虑到物种分布的地理、生态限制, 以及它们对生
境类型的选择, GIS能够提供预测物种分布模型的
框架, 因而它已成为研究物种地理分布的有用方
法[25]。通过GIS分析得到的数据可以可视化输出,
可以追踪到植物的传粉后的动态变化, 并且还可
以预测动物的空间分布格局。国外的Zharikov和
Skilleter等人证实了栖息地的环境决定了种群的
空间分布, 他们通过聚类算法对这个结论进行了
评估并用回归数法验证了这个结论[26]。由于动物
对生境的选择是比较严格的, 生境特征与物种的
分布有着必然的联系。寻找物种与各个生态因子
的内在的联系从而进一步建立动物与生境的关系
模型, 利用GIS分析和确定物种的适宜生境, 预测
出物种的分布图。此功能为那些难以进行实地调
查的地区无疑是提供了解决的途径, 对鸟类的迁
徙活动的调查应用十分广泛。例如Miller等利用
GIS技术对坦桑尼亚的珍稀鸟类进行了追踪分析,
并建立了珍稀鸟类的分布模式从而方便人们对珍
稀鸟类的近一步的研究。
4.2 栖息地质量评估的应用
生境是由许多的生态因子组成的, 主要包括两
大类: 非生物因子(气候、土壤、地形)和生物因子(植
物、动物、人为)。生境最早是由美国的Grinnel于1917
年提出的[27], 是动物个体、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。而生境与生态环境的区别是生境中包括生物
本身对环境的影响[28]。理论上应先对动物的生境
要求进行调查、归纳和总结, 确定影响种群行为及
分布的主导因素和限制因素; 然后创建各项因素
的评价标准并对各标准进行单因素分析, 最后根
据一定的准则对生境进行综合分析和评价从而明
确所研究地区对目标物种的适宜性[29–30]。实践中
GIS对栖息地的多个生态因子进行叠加分析, 使不
同图层在同一平面上显示 , 同时浏览多张地图 ,
使得各因子之间的关系更加直观, 从而完成对栖
息地的评估。
传统的动物学和生态学研究手段在野生动物监
测中有一定的局限性, 难以真正的发挥监测的作用,
而GIS的不断发展对其有很大的帮助[31–32]。在国内
外这种例子有很多, 例如20世纪80年代末期, 人们
对鸟类的保护意识增强, 并且更加关注影响鸟类栖
息地选择的因子。Harrison等人利用GIS对北美东部
地区狼的栖息地情况进行了评估; 1990年 Willian
等人应用GIS对圣马里斯河流域的湿地的变化进行
了评估[33]; Martin 将GIS技术应用于鸟类生境的描
述中[34]; Chen Yong Ping 对尼泊尔 Langtang 国家
公园小熊猫种群与生境进行评估[35]。以上的各例
子都采用了叠加分析的方法, 从而使结果直观的
反映出来, 方便人们为动植物找到更好的栖息地。
除此之外, GIS还可以确定栖息地被恢复的优先级,
这样也是对生物保护的另一种形式[36]。Holzmueller
等人利用FARAGSTATS的空间格局分析获取9个
景观指标来确定栖息地被恢复的优先级[37]。景观
指标是以提高森林内部鸟的栖息地为基础的, 然
后通过ArcView来进行多指标的叠加分析[38]。这样
将会增加自然资源管理的效率, 使它更容易计划
项目的预算, 申请资助资金和组织一些森林恢复
活动。
4.3 保护区的建立与管理中的应用
随着人类活动范围的不断扩大, 生物的生境受
到了越来越严重的威胁。如何准确、及时、动态地
获取生物生境的现状信息和变化信息,并对导致其
166 生 态 科 学 34 卷
变化的因素作出分析与评价, 对生态环境的保护
具有重要意义。传统的方法中人们通过野外取样、
记录、观察和室内回忆整理数据来获取野生动物
的生境数据, 但不能保证数据的精准度、实时性从
不能保证数据的可靠性[39–40], 难以满足生物生境
研究的需要。将GIS、GPS和RS技术应用到生物的
保护区建立中,可为生物栖息地保护研究提供有力
的支持。
GIS可以将整个宏观的世界呈现在图上, 建立
保护区时需要考虑多个干扰因子, 那么把多个干
扰因子的数据图像叠加起来, 方便直观的看到所
需因子的动态变化, 从而更好的解决保护区的建
立和保护工作。Arianoutsou 等人利用GIS的数字化
功能, 获取Cape Sounion National公园的现在的植
被图、被火破坏前的植被图和土壤种类分布图[41],
在GIS框架的基础上选择适当的地域性景观指标,
从而形成一套能提早警示管理者采取保护措施的
评价体系[42]。再结合多种干扰因素的专题地图叠
加来做出所研究区域恢复度的索引, 找到需要保
护地区的“热点因素”, 从而针对该因素采取改善
措施[43]。一个具有可操作性的保护区方案必须是
全面的 , 既要考虑到该保护区如今的实际状况 ,
又要结合保护区的历史资料来综合分析。欧阳志
云等人通过自然因素、生物因素和人为因素等几
方面对卧龙自然保护区大熊猫生境做了评价 [44],
并且魏甫文等人提出GIS、GPS和RS技术的应用和
推广有力地促进了野生大熊猫栖息地利用及评估
工作的发展[45]。
GIS往往都结合许多其他的技术协同使用, 从
而使其功能更加强大。例如Palmeirima先利用RS技
术初步了解被调查地点的生境情况, 然后再利用
GIS辅助分析计算得出鸟类的分布区域、数量和密度,
为了解保护区内鸟类的种群动态提供依据, 同时也
为保护区的建立打下基础[46]。Hooker 等利用GIS将
测得的水深、温度、时间和坡度等参数直观的展现
在地图上, 并分析得出这些因素与鲸鱼的分布有直
接的关联, 为建立保护区提供依据。Millard 等人利
用GIS和高分辨率雷达对加拿大芬迪上湾的盐碱滩
恢复其工农业的使用的适宜性进行了评估 [47–48],
其间通过遥感提供一些大面积难以到达地区的概
况, 并得出潮汐冲击的频率和持续的时间长短随着
土地海拔的增加而减少, 从而影像着盐碱滩的恢复
工作, 当然主要植被的类型也会对土地的恢复有所
影响[49–50]。
4.4 GIS 在水生态环境保护方面的应用
近些年来, 随着人们对水生态环境健康问题的
认识不断提高以及GIS技术的不断发展, 更多的人
将GIS应用到河流等水生态环境保护中来。将GIS技
术应用到水生态环境保护中大大的提高了对水污染
控制的水平。
在应用中将环境容量、污染负荷和污染源等参
数录入到GIS中, 利用GIS空间管理功能将各因素所
在图层叠加在一张地图上, 使决策者更加直观的看
到流域健康状况的变化及主要影响因子, 实现对流
域健康状况的实时监测。另外还可以利用GIS的空间
分析功能, 对水污染的实际情况进行模拟再现, 利
用其可视化功能, 在事故发生之后, 对事故发生地
进行可视化观察和分析; 然后利用GIS网络分析和
缓冲区分析采取最优的应急措施[51]。在国内外也有
许多的这样的例子, 肖青等[52]以GIS软件为工具和
平台, 开发了苏州河环境综合整治管理信息系统的
原型。孙启宏等[53]利用GIS的动态分段技术实现了河
流一维水质扩散模拟和空间显示分析。Le-ung等[54]将
GIS和数值模拟等技术应用于珠江三角洲地区感潮
河网的水质数学模拟。张建云等[55]人将GIS应用于
无资料地区流域水文模拟研究, GIS主要用来分析流
域地形、地貌、土壤覆盖、植被分布等地理信息,以
获取水文模拟模型所需的参数。Yu Guang Ming等人
以GIS和RS为基础, 对汉江流域做了生态安全评估,
并从景观威胁、景观生产力和景观的稳定性三方面
考虑提出11个评估依据的指标[56–57], 通过公式的运
算得出三个生态安全的等级通过Arcgis将其数字化,
很清晰的标注出三个等级的分布情况[58]。在此调查
中建立了流域生态安全的评价体系, 为流域管理者
和决策者们提供了一个决策的依据[59–60]。
5 展望
我们所处的时代是信息流、物质流和能量流的
信息时代, 计算机的发展加速了信息流的发展, 而
GIS作为一种新兴的技术手段, 它的应用越来越广
泛。在生态学中引入GIS, 扩展了生态学研究的深度
和广度, 在生物多样性保护的研究中表现的尤为突
3 期 王迪, 等. GIS 在生态学中的应用研究进展 167
出, 当然在其他的领域中也广泛应用。
如今GIS在生态学中的应用虽越来越普遍, 但
是仍存在一些问题:
(1) 到目前为止, GIS的应用仍以数据的搜集、
储存、管理和检索为主, 已经不能满足生态学在预
测和领导决策中对GIS的需求, 直接影响到GIS的发
展前景。
(2) 误差传递的问题和一些客观环境条件所带
来的误差等也急需解决。
(3) GIS对空间实体和空间现象的描述多是静态
的, 对一些地理现象进行动态描述必将受到极大的
限制。
近些年来, GIS技术发展越发的迅猛, 特别是
GPS、GIS、RS、数字摄影测量系统(Digital Photogram-
metry System, DPS)和专家系统(Expert System, ES)
集成技术的发展。因此我们对GIS的发展更是有着无
尽的期待:
5.1 GIS 的网络化
计算机技术对GIS的发展起到了质的促进作用,
像万维网为GIS发展提供了很好的搜索平台。除此之
外, 网络浏览器为下载地理数据提供方便。发展中
的GIS不仅能为人们提供地理数据的搜索, 还可以
将网上的数据根据自己的意愿进行各类空间操作,
直接产生新的数据结果, 真正实现“网络就是计算
机”这一理念模式。
5.2 GIS 的系统化专门化
到目前为止, GIS软件还不能有针对性的与各专
业领域相结合, 仍然作为一个独立体存在。对于使
用方来说, 它只需要GIS的部分功能, 这样就会导致
有许多功能被闲置或者不能高效的利用, 所以GIS
需要更具专业性。
5.3 多尺度、多比例尺和多维空间数据表达
首先我们通过影像金字塔技术、细节分层技术
和地图综合技术等方法使多比例尺数据显示出来;
其次我们通过对所调查地区存储的三维坐标数据和
四维时空来实现GIS的动态、实时和三维可视化, 这
个过程需要海量存储的空间数据、时空数据以及广
域三维计算机等多项理论和技术[61], 所以操作有一
定的难度。
总之 , 目前GIS技术的热点和方向是组件式
GIS、开放式GIS、万维网GIS、多维GIS、智能型
GIS以及GIS与专家系统(Expert System, ES)的结
合等。不断发展完善的GIS今后在生态学研究中的
应用必然会越来越广泛, 推动生态学发展的深度
和广度。希望在技术不断进步的21世纪, GIS技术
会更加的完善 , 功能领域不断拓宽 , 从而服务于
更多领域。
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