空間分析與時空分析的結合基于GIS的種群動態的時空分析與模擬研究的方法進展

時間序列分析是對特定區域內種群時間的動態分析。該目的是了解隨著時間的推移而改變種群的規律，并在此基礎上分析、評估和預測未來的發展趨勢，并使用一般的統計方法進行評估和預測。空間分析，也稱為空間統計分析，包括空間結構分析、空間分布和動態模擬、點數據的插值和重疊。空間結構分析是基于樣點間的方向和距離去確定它們間的相關程度并模擬其空間分布的一種分析方法;空間分布和動態模擬包括靜態的空間分布模擬和動態的時間推演兩個方面,靜態的空間分布模擬可直接通過插值方法予以實現,動態的時間推演要根據情況可通過插值或時空模型模擬兩種方法來實現。插值是在空間相關分析的基礎上對點數據的空間擴展,通過插值可以了解未知點的變量數值,對整個區域的插值則可了解整體的分布和發生動態;空間疊置是為了將害蟲的空間動態信息同相應的環境特征信息聯系起來,以查明害蟲爆發的風險區域并了解誘使害蟲爆發的生境特點。時空分析(Spatio-temporalanalysis)是基于空間方向的定量評估區域化變量的變異程度以及這種變異隨時間的變化。時空分析需要實施兩個步驟:(1)確定區域化變量在時間尺度的變異,接著確定其在空間尺度的變異;(2)時間和空間尺度的結合,這是將空間結構變異延伸至時間軸上的過程,可以應用時空半方差圖(Spatio-temporalsemivariogram)對時空結構和動態進行分析和描述,此外,還可以將時間和空間相結合的方法進行時空動態的分析和模擬。目前,地統計學(Geostatistics)和地理信息系統(Geographicinformationsystem,簡稱GIS)已經被有效地應用于昆蟲種群的時空動態研究。地統計學側重于區域化變量的空間結構分析和模擬、空間插值,地理信息系統則側重于空間顯示和查詢、影響種群動態的因子分析、可視化種群時空動態模擬等,兩者已有結合發展的趨勢。時空分析與模擬既不同于純粹的時間序列、亦不同于純粹地空間序列,它是時空有機結合為一體的分析方法。在此,既有傳統的統計學方法,又有時空分析的獨特方法,這兩種方法也不是完全的隔開互不相關,而是相互滲透和補充,比如,在做空間分析時首先需要對數據做基本統計分析,根據統計分析的結果選擇適當的空間分析方法,而在進行田間抽樣時,有時又必須通過空間相關分析的方法對未抽樣點的變量進行估值。本文結合害蟲綜合治理的實踐,以ArcViewGIS3.1作為基本的空間分析工具,以浙江省作為研究的背景區域,就時空分析與模擬研究中3個重要方面:即時空分析、時空模擬和基于Web的GIS研究作以簡介,以期起到拋磚引玉、推動我國昆蟲生態學的GIS事業朝縱深發展的作用。1動態的種群規律研究時空分析的方法因具體的研究對象和目的不同而不同,但在以GIS為依托的時空分析研究中,時空分析往往都是基于空間的,是探索空間及其時間推演(Temporalreasoning)規律的研究,這與傳統的種群生態學側重研究動態規律有所不同,動態的種群規律研究是基于時間的,是對某一地的種群隨時間波動的規律研究,因此,在研究種群的時空動態規律時,需要在研究靜態規律或靜態格局間關系的基礎上考慮其時間推演。下面就時空分析中一些最常用、最基本的操作和功能作以簡介。1.1信息查詢功能在空間分析中,常常需要在大量屬性數據和空間數據中查詢、統計出自己所感興趣的區域或屬性信息,這就需要運用地理信息系統的空間與屬性信息查詢功能。信息查詢可分別就空間、屬性或空間與屬性結合3個方面通過直接或邏輯查詢兩種方式進行。針對某地查詢屬性或查詢某地所在的地理位置屬于直接查詢,根據邏輯關系進行查詢屬于邏輯查詢,兩種查詢的結果均可通過地圖或屬性表的形式顯示出來。能夠進行空間查詢與顯示是地理信息系統的最大特點和優勢之一。1.2查詢和描述是否為精確性和信信息提取是為了保存查詢的結果并用于指導以后的工作,在浩瀚的信息中提取所需要的信息是GIS研究中一項非常重要的功能,尤其對于遙感信息,其提取信息的手段和方法對于研究結果的精確性和可信度都有很大影響。比如,要尋找浙江省面積大于2219km2的縣市所在的位置,則可運用ArcviewGIS3.1中的菜單Query查詢并通過轉換為shp文件而單獨保存為一個圖層,其提取的結果如圖1-a所示;同樣,對于柵格數據比如插值地圖,可運用分析模塊中的Mapquery直接查詢并保存為一個圖層,圖1-b為查詢1986年插值后的圖層中早稻主害代卵塊密度>136塊/667m2的區域的結果。根據要求將空間信息提取并保存后,與這些空間特征相連接的屬性信息也自然得以提取和保存。1.3專題地圖的生成專題地圖(Thematicmap)顯示是空間分析中最常用的方法之一。由于許多研究需要對空間不同地區的某一變量進行比較,以確定它們在各個地區分布上的差異,并進而作為決策的依據,因此,生成專題地圖是最直觀、最方便的方法。在昆蟲學研究中,種群在不同地區的數量變化、發生期差異均可通過專題地圖予以顯示。圖2為一柵格格式的專題圖,通過該圖可以分析1981年浙江省各地早稻一代二化螟卵塊密度的大小,如果將各年的或同一年的分布圖進行比較,則可以分析其空間分布格局的時間動態。1.4對經緯度的提取昆蟲的爆發可以通過做專題圖在空間上清楚地顯示出來,不同地區的種群之所以出現數量、發生期上的差異,在宏觀的角度看首先是由于空間異質性,或者說是由于地理位置的差異,這是因為位置不僅僅表示具體的經緯度值,它還代表著不同地理區域的氣候、耕作制度、人為影響等綜合的效果。在具體分析時,首先通過疊加顯示初步推斷可能的因子,而后通過疊置操作對有關的因子做深入的分析。比如,用卵塊發生的等級區劃圖與河流、道路、高程、土地利用、耕作制度、冬后殘留量等因子分別疊加顯示(柵格數據需做處理后才可疊加顯示),初步推斷冬后殘留量是影響二化螟種群數量的最主要因子,接著,通過柵格疊置操作(combine)對同一格子(像元)中的數據進行定量分析。下圖是卵塊發生區劃圖與浙江省高程圖疊加顯示的一個例子,從圖3可以觀察二化螟的卵塊分布與高程的關系。1.5把二化螟卵孵效率還原在第二月1月上的第1335天進行空間分析,不僅需要知道有關的空間位置信息,更多的是需要了解、統計與這些位置信息相聯系的屬性。比如不但要知道二化螟卵孵高峰發生在以1月1日為起點的第155～160天這個等級的具體區域,而且要知道這些地區所占的面積及造成這種發生等級的原因。在此,可以利用ArcviewGIS3.1所提供的功能模塊Histogram統計出1983年早稻二化螟卵孵高峰期各等級所占的面積(圖4)。2基于gis的時空模擬時空模擬包括靜態的空間分布模擬和空間格局的時間推演兩方面,空間分布模擬可通過插值實現,空間格局的時間推演亦即時空模擬可通過組建基于GIS的模擬模型予以實現。2.1空間插值功能在空間分析中,最常遇到的問題是數據的不足,需要了解的許多地區缺乏數據,這給大尺度的空間分析造成很大困難。對此,運用地理信息系統的插值功能可以較好地解決這一問題。空間插值是時空分析中最為重要的功能,它是空間估值、空間分布模擬的基礎,通過插值,不僅可以彌補數據不足所帶來的分析上的困難,而且,插值也是害蟲異地預報、風險區分析的重要途徑。目前插值一般都是針對點數據而言,進行插值時首先確保抽樣點位置、插值變量的數值可靠,在做空間相關分析后才可進行。圖5為1983年早稻二化螟主害代卵孵高峰期的插值地圖。2.2與模型材料的耦合GIS與模型結合是GIS研究的一個新領域和發展趨勢,這已經是各種相關會議的主題,Hunsaker等對此有較詳細的評論。在GIS與模型結合時,如何實現二者的動態連接和自動化、智能化服務是一個難點。在同模型相聯系方面,GIS大致有3方面的作用。一是利用GIS軟件內部提供的函數或模型進行空間動態分析或模擬,如通過空間疊置證實害蟲的適宜生境、通過點數據的插值為無數據地區估值等;二是通過由GIS所派生的環境、氣候、耕作制度等變量(自變量)同蟲情變量如發生程度(因變量)等建立統計性GIS模型。如Gage等用舞毒蛾的歷史資料在GIS系統上建立了線性回歸模型,進行地區性種群發生趨勢預測就是采用了這種方法;三是將GIS同時空模型相耦合,稱為耦合的GIS模擬模型(CoupledGIS/Simulationmodeling)。在此,GIS產生模型所需的輸入變量,運行模型以產生相應結果,其結果也可再次輸入GIS中進行顯示和分析,如此反復(圖6)。該過程可用于模擬害蟲對環境條件的變化所產生的反應(如遷移、擴散、數量增減等)。GIS和模型的操作既可獨立進行,亦可通過軟件連接完全耦合。GIS與模型結合目前主要應用于區域性害蟲發生動態的時空模擬或預測中,GIS在區域性預測中將發揮其獨特的作用,但區域性預測尤其是大尺度的預測在生態學研究中始終是一個難題,其原因是預測變量的影響因子復雜,不僅涉及時間變化,而且涉及空間變化,就某一地的時間序列研究主要考慮在影響因子作用下的時間相關,但在區域性預測中,不僅要考慮各地的具體情況,還要考慮地區間的空間變異大小。對此,學者們從不同的角度進行了嘗試,一是從區域性變量的概率變化考慮,而不是從值本身,依據概率變化并結合影響的關鍵因子對整個研究區進行預測;二是通過結合GIS建立基于柵格的預測模型,將時間序列研究延伸至空間。因此,時間序列的研究成果完全可以在區域性預測研究中發揮作用;三是采用各點預測、空間插值的方法進行預測,作者在浙江省二化螟種群動態預測中證明這種方法效果較好,將來完全可以應用于大尺度的害蟲綜合管理項目中,但前提是抽樣點事先需要檢驗并確認能夠反映整體變化,同時各地的預測模型精度要高。事實上,現在各個測報站都有本地使用多年的較好的預測模型,完全可以將這些模型通過GIS和地統計學的方法應用于區域性預測中。以上3種區域性預測的方法均可通過一定的控制程序建立耦合的GIS模擬模型。3建立害蟲綜合管理體系的必要性Internet發展了一系列數據訪問的途徑,其中WWW(萬維網)目前使用最多,新出現的InternetGIS軟件或技術也多基于WWW,因此,InternetGIS也常稱為WebGIS,即萬維網地理信息系統。WebGIS與一般GIS的最大區別是它可以通過網絡進行空間信息的查詢和分析,由于網絡的迅速普及和基于客戶/瀏覽器的結構,使得WebGIS具有信息發布及時、迅速、使用方便、多用戶多終端可同時工作、不用購置昂貴軟件等諸多優點,特別適合于區域性的害蟲綜合管理實踐。就國內的情況看,同其它行業特別是土地管理方面比較,害蟲綜合治理領域的信息系統、特別是基于Web的區域性地理信息系統的建立,還需要做大量的工作。現在各地測報站還未實現電腦化管理,害蟲測報數據庫基本上還未建立;測報系統還沒有自己的區域網,信息的交流和溝通仍然沿襲文件傳送、電報、電話、傳真的形式,這已經很不適應害蟲測報的實際,也不符合信息時代的要求。在害蟲綜合管理領域,要實現不同空間尺度特別是大尺度的害蟲動態監測、實時信息傳播與共享,很有必要組建害蟲測報體系的區域網、發展基于Web的地理信息系統。綜觀國內有關害蟲管理的信息系統,基本上可分為兩大類,一類是沒有結合GIS成分的如:(1)專門用于數據庫管理的如綠十字博士軟件;(2)生態學分析或建模的如生態基本分析軟件ECOPEST,(3)信息查詢或咨詢的如植物檢疫專家系統PQ-PickBugs等。一類是結合有GIS成分的,如黃淮海地區麥蚜預測預報(地理信息)系統等。在這些研究中,多數系統沒有結合GIS成分,即使結合有GIS成分,其基本功能還是停留在單一的信息查詢或顯示階段,GIS的空間分析功能仍十分有限。此外,結合客戶/服務器結構開發的有關害蟲管理的Web地理信息系統還未有報道。因此。組建WebGIS不僅實用,而且大有可為。組建這種系統,將使傳統的測報體制和方法發生根本性的轉變,不僅使信息傳遞的速度大大加快,而且使獲得信息的容量成倍增加,工作方式和效率都大為改觀。組建害蟲綜合管理信息系統,最重要的是講究實用性。在測報系統建立這樣的系統至少要有4方面的功能:一是網絡功能,二是具有可視化的地圖界面(GIS功能);三是具有專家咨詢和決策功能;四是能夠對害蟲的發生進行有效的監測和預測。同時還要簡單實用、具有專業特色。4時空一體化研究種群總是處于不斷變化的時空環境之中,因此研究種群動態也必須同時考慮時間和空間這兩個方面,對種群動態進行時空一體化研究將是種群生態學發展的必然趨勢。隨著以GIS為核心的空間分析技術的發展,種群時空動態的研究重點將表現在多個方面。4.1數據庫建設的重要性GIS數據庫是時空分析的基礎,也是這方面研究的瓶頸,因此加強基礎數據庫建設將是未來GIS研究的迫切任務。隨著研究的進一步分化,將來會有專門機構從事數據庫(尤其是空間庫)建設,可為不同領域的戶提供不同性質、不同尺度和精度的數據服務。4.2gis的空間分析應用可視化的空間分析與模擬是GIS技術的核心,隨著GIS技術的發展,其空間分析的應用領域將不斷擴大,未來GIS技術的成功與否在某種程度上取決