基于GIS和RS的东北地区东北虎生境适宜性评价

李亚藏，冯仲科，黄季夏，杨　柳（.北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京00083；2.安阳工学院，河南安阳455000）



基于GIS和RS的东北地区东北虎生境适宜性评价

李亚藏1,2，冯仲科1，黄季夏1，杨柳1
（1.北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京100083；2.安阳工学院，河南安阳455000）

摘要：以中国东北地区（含东北三省和内蒙古东北部）为研究区域，依据稳定性、独立性、主导性和综合性原则，从植被、地理环境、人为干扰等3个层面选取植被类型、植被覆盖度、海拔、坡度、坡向、水源、居民点、主要道路等为评价因子，对中国东北虎Panthera tigris altaica生境进行适宜性评价。在地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术的支持下，获取各评价因子的定量信息。采用层次分析法（AHP）确定各评价因子的权重，并运用模糊数学模型对各单因子加权叠加，得到东北虎生境适宜性综合评价分级图并计算各分区面积。结果表明：①人为干扰和植被因素是影响东北虎分布的主要因素；②将研究区域划分为东北虎最适宜分布区、次适宜分布区、一般适宜分布区和不适宜分布区，分别占研究区域总面积的21.97%，16.83%，22.02%，39.18%。最适宜区和次适宜区面积总和达到48.80%，说明东北地区适宜东北虎生存的潜在生境面积总量较为可观。这为东北虎自然保护区的建立和人工饲养东北虎的放归计划提供决策依据。图3表3参25

关键词：动物学；地理信息系统（GIS）；遥感（RS）；东北虎；生境适宜性；数学模型

东北虎Panthera tigris altaica是世界上现存的5个虎Panthera tigris亚种中体形最大者，属世界濒危和区域旗舰物种［1］。由于捕猎和栖息地环境的破坏，中国境内的野生东北虎数量已不足20只［2-3］。虽然近些年中国对东北虎的保护做了大量工作，但仍然存在栖息地破碎化、保护区面积不足、人类生产经营活动逐渐向林区发展及生态廊道不畅等问题，严重限制了东北虎种群的恢复［4］。另外，随着人工饲养东北虎数量的逐渐增加［5］，东北虎要放归何处就成了一个值得思考的问题。目前，对东北虎的研究多集中在东北虎的生态行为学［6-9］、种群分布［2］、数量监测［2, 10-11］及其猎物种群［12-13］等方面，而对东北虎如此广域生境筛选及其评价的研究较少。中国东北和俄罗斯远东东北虎分布区的猎物种群密度相对较低，致使东北虎的家域面积较大，据研究，生活在该区1只成年雌虎需要的家域面积约为488 km2，雄虎的领域面积约为1 205 km2［14］；如果要保证种群的可持续繁衍大约需要20只左右成年雌虎，这就意味着至少需要8 000 km2的连续的生境面积，这也说明了生境研究的必要性［15］。本研究从东北虎最基本的生境条件入手，在掌握东北虎及其生境现状的基础上，以中国东北地区包括黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古东北部为研究区域，分析影响东北虎分布的植被、地理环境和人为干扰三大因素，评价和预测东北虎的适宜生境，制定切实可行的规划措施，以期为东北虎自然保护区的建立和放归工作提供参考依据。

1　研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

该研究区域为中国东北地区，包括黑龙江、吉林、辽宁三省及内蒙古东部地区。地理坐标范围：38°43′29″～53°41′52″N，111°0′23″～135°53′50″E。全区面积为157.67万hm2。东北地区自南向北跨中温带与寒温带，属温带季风气候，四季分明，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥。自东南向西北，年降水量自1 000 mm降至300 mm以下，从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区。该区东、南和北面被水域环绕，西面为陆界，内侧是大兴安岭和长白山系的高、中、低山及丘陵，平均海拔为1 000 m；中部为低海拔的东北平原，平均海拔约200 m。东北地区森林覆盖率高，森林植被以红松Pinus koraiensis，落叶松Larix olgensis，云杉Picea asperata，山杨Populus davidiana，白桦Betula platyphylla，黄蘖Phellodendron amurense，水曲柳Fraxinus mandschurica，紫椴Tilia amurensis等树种为主。栖居的兽类有东北虎，豹Panthera pardus，貉Nyctereutes procyonoides，黑熊Ursus thibetanus，紫貂Martes zibellina，水獭Lutra lutra，黄鼬Muastela sibirca等［2］。

1.2数据来源

1.2.1遥感影像遥感影像采用空间分辨率为250 m的MODIS中国区域归一化植被指数（NDVI）产品和空间分辨率为30 m×30 m的美国陆地卫星Landsat-5遥感影像。NDVI植被指数产品预处理包括：反演、拼接、切割、投影转换、单位换算等步骤，遥感影像处理在ENVI软件支持下实现，过程包括辐射定标和大气校正、几何精校正及配准、图像镶嵌和裁剪、组合波段的选择与确定、图像增强处理等步骤。

1.2.2植被图收集《1∶1 000 000中国植被图集》［16］，对其进行扫描，以ArcGIS 10.2为平台，进行矢量化数据和属性数据录入，然后利用已有数据进行校正和配准。形成包括针叶林、阔叶林、灌丛、栽培植被、草原、草甸等类型的植被矢量图。

1.2.3数字高程模型（DEM）DEM数据下载于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云，选用GDEM 30 m的产品。

1.2.4东北各省矢量图省市界、区县界、道路、河流等矢量图均来自国家1∶100 000矢量数据集（下载于中国国家基础地理信息中心）。

2　研究方法

基于遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术，在野外生态调查和收集图件资料以及相关文本资料［17］的基础上，依据稳定性、独立性、主导性和综合性原则［18］从植被、地理环境、人为干扰3个层面，选取植被类型、植被覆盖度、海拔、坡度、坡向、水源、居民点、道路8个因子作为生境适宜性评价因子。植被类型结合矢量化的1∶1 000 000中国植被图，对Landsat-5遥感影像分类得到；植被覆盖度采用归一化植被指数NDVI来表现。海拔、坡度和坡向来自30 m空间分辨率的DEM影像数据；水源主要来自河流、湖泊矢量数据，河流级别包括5级及以上；居民点包括地级市和县级市；道路最小至省道。上述数据在地理信息系统软件ArcGIS 10.2的支持下，进行数据编辑，并将其转化为和国家1∶100 000基础地形数据库一致的投影坐标系统得到评价所需的各评价因子信息。最后将不同的空间数据离散为90 m×90 m的栅格。再运用适宜性评价模型和GIS的空间分析功能分别计算出每个栅格的生境适宜性综合评价值，然后制定分级标准，最后得到东北地区东北虎生境适宜性分级图并计算各级面积。东北地区东北虎生境适宜性评价技术路线如图1所示。

图1　东北地区东北虎生境适宜性评价技术路线Figure 1 Technical route of Amur tigers habitat suitability evaluation

3　适宜性评价

3.1单因子生境适宜性评价

依据东北虎生活对栖息地的要求，以及人类活动与自然环境的关系，并综合考虑前人的研究成果［3,17,19-21］，分析确定东北虎单因子生境适宜度的分级标准（表1），并得到各单因子适宜性评价分级图。

表1　东北虎单因子生境适宜性分级标准Table 1 Classification standard of Amur tigers habitat suitability based on single factor

3.2评价因子权重的确定

采用层次分析法确定权重［22-23］。首先将指标分为目标层、准则层和方案层3个层次，建立层次结构（图2），通过专家对判断矩阵表的填写构建判断矩阵，求解矩阵，得到特征向量和最大特征根及最大特征向量，最后对指标进行一致性检验，结果为CR=0.015 68＜0.1，具有满意的一致性。再参考文献［24］的方法计算出8个指标的组合权重值（表2）。

图2　东北地区东北虎生境适宜性综合评价指标体系Figure 2 Evaluation index system of Amur tigers habitat suitability

表2　各评价因子权重值Table 2 Weight of each evaluation factor

3.3生境适宜性综合评价

3.3.1评价模型的建立应用适宜性评价的模糊数学模型进行综合评价值的计算。计算公式如下：

式（1）中：i为栅格编号；k为评价因子编号；n为评价因子总数；si为第i个栅格的综合评价值；wk为第k个因素的权重；ci（k）为第i个栅格的第k个评价因子适宜度评价。

3.3.2单因子加权叠加获得综合适宜度通过上面分析已经对各单因子适宜性进行了评价，并确定了各影响因子的权重。现根据适宜性为各评价因子赋值，以最适宜为标准赋值为1，次适宜、一般适宜和不适宜依次赋值为2，3和4。然后，根据层次分析法求得的权重按照式（1）进行加权求和得到各个栅格的综合评价值。经过加权叠加得到每个栅格的综合评分值范围为1.000 00～3.890 79，若该栅格的所有因子均在最适宜分布区，叠加后的值为最小值1.000 00，说明此处的环境最适宜东北虎生存；当各因子均在不适宜分布区，叠加后为最大值3.890 79；同理，各因子均为次适宜分布区，叠加后的总值是2；均在一般适宜分布区，叠加后的总值为2.968 01。但因为各因子的权重相差悬殊，居民点、道路、植被盖度和植被类型4个因子的权重总和为0.829 30。因此，为了更为准确地预测东北虎的最适宜分布区，本研究将分区的临界值做了适当调整。将3个权重最大的因子（居民点、道路和植被盖度）的最适宜分布区赋值与植被类型的次适宜分布区和其他4个因子的一般适宜分布区赋值的总和作为划分最适宜区和次适宜区的分界点（1.442 65）；将权重最大的5个因子次适宜区赋值总和作为次适宜区与一般适宜区分界点（1.781 58）；将权重最大的3个因子一般适宜区赋值的总和作为划分一般适宜区和不适宜区的分界点（2.184 15），重新分类，将研究区分类为最适宜分布区（1～1.442 65），次适宜分布区（1.442 65～1.781 58），一般适宜分布区（1.781 58～2.184 15）和不适宜分布区（2.184 15～3.890 79）。评价结果如图3所示。利用ArcGIS对4个适宜性等级的面积进行统计，结果如表3所示。

图3　东北地区东北虎生境适宜性综合评价分区Figure 3　Comprehensive evaluation distribution of the Amur tigers habitat suitability

表3　东北地区东北虎生境适宜性综合评价分区面积统计表Table 3　The partition area of comprehensive evaluation of Amur tigers habitat suitability

4　结果与讨论

本研究采用层次分析法确定了各评价因子的权重，认为居民点、道路和植被盖度所占权重最大；其次为植被类型；海拔、坡度、坡向和水源对东北虎的分布影响不大。由此可见，人为干扰和植被因素是影响东北虎分布的主要因素，这与前人的研究结果相一致［1］。以后在进行有关东北虎研究和保护过程中要加强该方面的管理。本研究发现，东北地区东北虎最适宜分布区主要分布于长白山脉、张广才岭、小兴安岭、千山山脉和大兴安岭的部分地区，其面积为346 388.4 hm2，占研究区总面积的21.97%。该区植被类型丰富，林分郁闭度高，林分类型多以针、阔混交林或纯林为主体，林内有丰富的食物分布，另外该地区城镇密度小，且靠近边境地区，人为干扰小。次适宜区面积为265 464.8 hm2，占研究区面积的16.83%，所占比例最小，主要为最适宜区的一些缓冲区域。一般适宜区主要分布在研究区的西南部，该区域居民点稀少，影响东北虎分布的主要因素为植被因素，其植被类型以灌草为主。不适宜区主要集中在中部和南部的东北平原，该区域主要为城镇分布区，人口密集，植被覆盖度低，植被类型主要以农田为主，不适宜东北虎生存。张明海等［25］研究认为，已知的野生东北虎出现点主要分布在黑龙江东部及东南部，吉林东部及东北部，均在本研究评价结果范围内，验证了评价结果的可靠性。

由于城镇过度扩张，人工建设大量开发，导致野生东北虎的栖息地遭到严重破坏，这使得适宜东北虎生存的潜在生境（面积仅占21.97%）的破碎度较高，即东北虎分布区岛屿化相当严重，可能造成了东北虎近年来有向俄罗斯远东地区迁徙的趋势。因此，对现有保护区的最适宜分布区建立生态廊道，连接破碎化区域，是当前保护区管理部分急需解决的首要问题。鉴于俄罗斯远东地区有较多东北虎出没，建议将中国东北虎保护区与俄罗斯远东地区的保护区联合，形成跨国界的保护区网络。同时，中国东北地区要改变林业经营模式，建立长期的生态环境监测体系。

由于受数据来源的限制，本研究未能将影响东北虎分布的猎物因子纳入评价因子当中，可能会对预测结果造成一定程度的偏差，这将是我们今后的工作重点。另外，在利用层次分析法和模糊评价模型进行评价过程中，带有较强的主观性，今后考虑能否结合实际情况进行其他评价方法的选择或模型的改进，为野生东北虎的生存和繁衍以及人工饲养东北虎的放归计划提供更为科学的参考。

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Habitat suitability evaluation for Amur tigers in northeast China based on GIS and RS

LI Yacang1,2, FENG Zhongke1, HUANG Jixia1, YANG Liu1
（1.Institute of GIS, RS, and GPS, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, Henan, China）

Abstract:This article researched the habitat suitability evaluation for Amur tigers in northeast China, which found the potential distribute area and provided decision-making for the establishment of Amur tiger nature reserve and the plan of getting back to nature of artificial breeding Amur tigers.The study area in northeast China included the three provinces of northeast China and the northeast region of Inner Mongolia.According to the principles of stability, independence, dominance, and comprehensiveness, the habitat suitability of Amur tigers in northeast China was assessed using the three aspects of vegetation, geographical environment, and human disturbance with vegetation type, vegetation coverage, elevation, gradient, slope direction, water source, residential areas, and main roads selected as evaluation variables.Data for each variable was collected quantitatively using geographic information systems（GIS）and remote sensing（RS）.Then the Amur tiger habitat suitability evaluation classification figure was obtained using the Analytic Hierarchy Process（AHP）method to determine the weight of each evaluation factor, and using the fuzzy mathematical model for the single factor weighted superposition.Afterward, the partitioning of areas was conducted.Results showed that human disturbance and vegetation were the main factors affecting the Amur tiger distribution.The study area was classified as most appropriate（21.97%）, second suitable（16.83%）, generally appropriate（22.02%）, and inappropriatebook=266,ebook=87distribution areas（39.18%）.Thus, the living space that could be appropriated for Amur tigers compared to the total potential habitat area in the Northeast China was considerable approximately 48.8%.［Ch, 3 fig.3 tab.25 ref.］

Key words:zoology; geographic information system（GIS）; remote sensing（RS）; Amur tiger; habitat suitability; mathematical model

作者简介：李亚藏，副教授，从事地理信息系统在资源环境上的应用研究。E-mail：liyacang@sohu.com。通信作者:冯仲科，教授，博士生导师，从事精准林业与3S技术研究。E-mail：fengzhongke@126.com

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAH34B01）

收稿日期：2015-03-19；修回日期：2015-09-01

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.02.011

中图分类号：S759.9；Q959.9

文献标志码：A

文章编号：2095-0756（2016）02-0265-07