基于ArcGIS ModelBuilder的生态区鸟类栖息地的选择

刘佳雨,杨武年,邓 琮

（1. 成都理工大学 地学空间信息技术国土资源部重点实验室,四川 成都 610059）

智能化的空间信息提取和分析功能是GIS的核心之所在[1,2]。但是，在分析较复杂的空间问题时由于涉及到的步骤较多，有时相同的处理功能要多次执行，不能满足效率和质量的要求。很多学者积极探索流程化分析处理空间数据的方法。例如，李鸿奎利用ArcGIS ModelBuilder模型编辑器来建立模型，实现了农用地图斑地形因子的自动提取[3]。张正旺将GIS技术运用于鸟类栖息地的选择，不仅可以定量获得鸟类对特定类型栖息地的偏爱程度，还可以对选择的机制进行探讨[4]。本文利用ArcGIS ModelBuilder建立生态区鸟类栖息地的选择模型，不但体现了其快速准确建立模型的优点，而且也为生物保护提供了辅助决策信息。

1 ArcGIS ModelBuilder空间分析建模技术

1.1 ArcGIS ModelBuilder

ArcGIS Modelbuilder基于图解建模的基本原理，用直观的图形语言将所要研究的问题用一个或多个具体的过程模型表达出来。在这个建模过程中，可以分别定义图形来代表输入数据、输出数据和空间处理工具，这些元素以流程图的形式进行组合并执行空间分析操作功能[5]。ModelBuilder的界面环境非常友好，可以直接将工具箱里的各种地理处理工具和要处理的数据集直接拖动到模型构建器界面中，然后有序地把它们连接起来[6]（见图1）。同时，模型和脚本可以组合应用，简单的流程可以用 ModelBuilder通过可视化直接建模，复杂的流程可以借助脚本语言来编程[7]，模型可以直接调用这些结果。

1.2 模型的基本组成及类型

图解模型主要由3部分组成:输入数据、 输出数据和空间处理工具。输入数据和输出数据可以是栅格数据集、shapefile、CAD，也可以是Coverage等[8]。由图1可知，ModelBuilder中的元素为:①Tool，可以直接拖拽到Model中来使用；②Project，是执行工具前输入的任何数据；③Derive是衍生数据，可以再次作为输入数据参与下一步的处理。

图形模型的类型包括单处理过程模型和复杂处理过程模型[9]（见图2）。不论是建立简单或复杂模型，都需要经过下列几个步骤：①添加输入数据；②添加空间处理工具；③添加连接；④保存模型；⑤添加注释；⑥设置参数；⑦运行图解模型。

图1 空间处理模型组成示意图

图2 图形模型的类型

2 研究方法

2.1 研究背景

国外某自然保护区计划兴建新的公路，但是公路会影响某种受保护鸟类的栖息环境。因此，在公路规划中必须慎重考虑对受保护鸟类栖息地的影响问题。本案例的目的在于通过使用ArcGIS ModelBuilder找出该地区适合此种鸟类栖息的地方，并进行栖息地的分级评价，以供公路规划部门参考，在建设公路时可以避开这些生态保护区。

动物栖息地的选择涉及的因子很多，过程也相当复杂。由于我们的目的是通过这样一个案例理解并掌握如何利用ArcGIS ModelBuilder进行建模，所以只利用已有的数据进行分析研究。在此，仅将影响因子设定为公路、此种受保护鸟类喜欢的植物、生态区地形坡度以及所要求的栖息地面积。

2.2 数据准备及要求

数据包括：①该地区的公路数据，包括每条公路的空间数据、公路等级数据、影响范围等属性数据；②植被数据，包括该地区植被类型等属性数据和面积等空间数据；③坡度数据，不同的植物对于坡度的要求不一样，所以坡度数据也是必不可少的。

根据有关专家的多年研究，适宜此种鸟类生活的地方应该符合以下要求：①植被类型是此种鸟类喜爱的；②坡度小于40°；③与公路保持一定的距离；4)面积不能太小，要大于101 171 m2。根据以上条件，就可以找出适合此种鸟类生活的地方。

2.3 用ArcGIS ModelBuilder实现建模的技术流程

ArcGIS10.1的界面和ArcGIS9.3有所不同。在ArcGIS10.1中，ArcCatalog作为一个窗口内嵌在ArcMap中，可以通过在ArcCatalog中的文件夹下新建工具箱的方式来创建一个Model，调出ArcGIS ModelBuilder模型构建器的运行环境。这个复杂的处理过程模型分别由5个单处理过程模型组合而成，如图3。

图3 建模流程图

模型（A）：输入数据是vegtype（植被类型）数据，处理工具是“筛选”工具，输出数据是select（被选择的植被类型）。如果模型的输入输出参数满足条件，则模型被“打通”。在“查询构建器”中输入SQL语言“habitat=1”，选择出满足条件的要素。可以将输出结果永久保存，也可以将其作为中间结果临时保存，作为下一个模型的输入数据。这里仅将其作为中间结果保存。

模型（B）：输入数据有两个，一个是模型（A）的输出结果select，另一个是坡度数据slopelt40；处理工具是“相交”工具，输出数据是intersect。此时的输出要素类保存的是选择的植被数据和坡度小于等于40°的数据的相交部分，将输出要素类同样作为中间结果临时保存。

模型（C）：输入数据是majorrds（主干道道路线性要素），处理工具是“缓冲区”工具，输出数据是buffer（按照道路级别所作的缓冲区）。通过查询道路要素的属性表可知，一级道路缓冲半径为400 m，二、三、四级道路缓冲半径为250 m，可按照字段Distance直接选择。将输出的结果作为中间结果临时保存（见图4）。

图4 道路缓冲结果

模型（D）：输入数据是模型（B）和模型（C）的结果，处理工具是“擦除”工具，输出数据是经过植被和坡度选择后将道路缓冲区擦除的结果。将输出要素类设置为中间结果临时保存。

模型（E）：输入数据是模型（D）的结果，处理工具仍然使用“筛选”工具，输出数据是面积大小符合要求的要素类。利用“查询构建器”输入SQL语言“Shape_Area>=101171”，得出最终结果作为永久数据保存。

模型确认无误后，就可以运行模型了。模型最终的运行结果出现在保存的路径当中，同时在ArcMap中进行相应的显示（见图5）。

图5 生态区鸟类最优栖息地

2.4 生态区鸟类栖息地选择评价

由于生态环境的日益恶化，鸟类栖息地的面积呈逐年减小的趋势，如何找到适合鸟类、特别是濒危鸟类生活的地方，并采取有效的保护措施是亟待解决的问题[10]。所以，对生态区鸟类栖息地的选择不能只限于“最优”，必须扩大栖息地的选择范围，适当放宽生态区鸟类栖息地选择的限制条件，划分出不同级别。针对不同级别所缺少的自然生态条件，如果对鸟类的生活产生的影响不是很大，并且能够通过人类的行动加以适当改变，则可以将其纳入潜在的鸟类栖息地范围。这就需要对生态区鸟类栖息地进行选择评价，分为最适合、比较适合、适合和不适合几个等级。

2.4.1 评价过程

首先，分别为3个面域要素——选择的植被、坡度小于40°的区域、道路的影响范围添加字段并赋值，见表1。然后，对3个矢量面域数据进行区域叠加分析。这里要用到“联合”处理工具，用于计算输入要素的几何并集，并将所有要素及其属性都写入输出要素类。最后，对鸟类栖息地选择结果进行分级，在属性表中添加字段“class”，利用“字段计算器”分别将所添加的字段值相加，计算式为[roa]+ [slo]+ [veg]。通过计算结果，确定分类级别class的值分别为-1、0、1、2。符号化后，进行生态区鸟类栖息地选择的分级显示，见图6。

表1 影响因子赋值

图6 生态区鸟类栖息地选择评价

2.4.2 评价结果

图6中，红色地块表示最适合此种濒危鸟类栖息的地方。黄色地块则表示该地块比较适合鸟类栖息，比如已经满足了鸟类对于栖息地坡度的要求，并且和道路也有一定的距离，但是由于缺少鸟类喜爱的植物而使得鸟类很少“光顾”。对于这种情况，我们可以在这些地区适当栽培种植一些鸟类喜爱的植物类型，把其当成潜在的鸟类栖息地来加以重点保护。图上的绿色地块都在道路缓冲区域内，不适合鸟类栖息。深绿色地块非常不适合鸟类栖息，可能缺少多个鸟类栖息地的必备条件。

3 结 语

本文利用ArcGIS ModelBuilder建立了生态区鸟类栖息地选择模型，不但选择出了所给鸟类的最佳栖息地，而且对生态区鸟类栖息地进行了评价，并对生态区鸟类最优栖息地的保护和潜在栖息地的保护提出了建设性意见。将 GIS 技术应用于生态区鸟类栖息地的选择，充分发挥了GIS 在空间数据管理及分析方面的优势[11]。利用ModelBuilder建立模型，可以一键式快速完成对空间数据的分析处理，使得没有经过GIS专业训练的人员以及其他领域的研究学者也能够轻松体验到GIS给空间数据处理和分析所带来的便利。

[1]成秋明,刘江涛,张生元,等.GIS中的空间建模器技术及其在全国矿产资源潜力预测中的应用[J].地球科学-中国地质大学学报,2009,34(2):338-346

[2]杨驰. GIS空间分析建模构想[J].测绘通报,2006(11): 22-25

[3]李鸿奎,解鹏,冯晓琳,等.基于ModelBuilder的农用地图斑地形因子自动提取与应用[J].国土与自然资源研究,2013(3):21-22

[4]张正旺,郑光美.鸟类栖息地选择研究进展[C].中国动物学会65周年年会，北京,1999

[5]汤国安.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006

[6]许为一.GIS空间处理建模在城市规划设计中的应用研究[D].南昌：江西师范大学，2008

[7]何勇.GIS过程建模与集成化研究[D].武汉：武汉大学，2004

[8]丁华祥,唐力明.空间处理建模技术的概念和应用——利用ArcGIS ModelBuilder工具实现空间数据的转换[J].测绘通报,2009(1): 64-67

[9]陈雪冬.红水河上游“龙滩水库GIS”空间分析应用模型的设计与实现[D].成都：成都理工大学，2004

[10]杨勇.大斑啄木鸟栖息地选择和适宜性评价研究[D].北京：北京林业大学，2011

[11]聂倩,闫利,蔡元波.基于遥感和GIS的土地适宜性评价[J].地理空间信息,2009(2): 28-30