中国生物多样性研究中栅格大小的选择

邱丽氚，李雅丽，王 建，吴晓湲，柳 涛，常 虹，路丹桂

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

从全球、洲或国家等大区域范围角度研究生物多样性时，一般采用矢量数据、栅格数据，这两种数据各有其优缺点，经常会将矢量数据转换成栅格数据，称格网数据，在数据转换过程中，需要选择格网大小，经常称栅格大小.

研究生物多样性在全球、洲、国家或地区时所采用的栅格大小有所不同[1-7]，即使是研究同一个国家，如中国所采用的栅格大小也不同，有10 km×10 km[8]、50 km×50 km[9-12]、100 km×100 km[12-14]、0.5°×0.5°[15]、1°×1°[16]，0.5°×0.5°接近50 km×50 km[15].当选择较大栅格时，可能会造成物种较多的区域丢失，因为物种较多的分布范围较小，栅格大小范围超过物种较多的分布范围所致.为了避免物种较多的区域丢失，有必要探讨矢量数据转换成栅格数据时选择合适的栅格大小，对研究大区域范围尤其是中国的生物多样性、宏观生态学等方面具有指导意义.

1 数据与方法

在ArcGIS9.2软件中打开中国矢量数据，包括图形数据和属性数据，图形数据以县为基本单元的中国地图，比例尺为1：1 000 000，图形数据为多边形，属性数据有多边形代码、县名.

从中国矢量数据中获取每个多边形的最小经度、最大经度、最小纬度、最大纬度，单位是度，然后计算经度差值、纬度差值，经度差值是最大经度减去最小经度，纬度差值是最大纬度减去最小纬度.当经度差值或纬度差值分级时，分别统计多边形数量，确定中国多边形矢量数据转换成栅格数据时合适的栅格大小.在SPSS18软件中进行经度差值和纬度差值相关性分析，确定栅格形态.

在矢量数据中，同一个县有一个多边形或多个多边形，本文将这个数据称为多边形数据.同一个县有多个多边形，尤其是沿海地区的一些县，这些县有许多岛屿，每个岛屿都有一个多边形，这样一个县就有多个多边形构成，意味着有多行属性数据，将多行数据合并为一行数据，即一个县只有一行数据，本文将这个数据称为县数据.将多边形数据或县数据转换成栅格数据时，选择不同栅格大小及方法，当一个栅格对应矢量数据中不同类型(多个多边形或县)时，而这个栅格只能选择一个类型(一个多边形或县)，有不同方法即中心点法、最大面积法、面积占优法.当栅格中心点落到矢量数据中不同类型中的一个，则这个类型成为这个栅格的类型，这种取值方法称为中心点法.在不同类型中，占据栅格面积最大的这个类型，则为这个栅格的类型，这种取值方法称为最大面积法.当栅格对应矢量数据中不同类型时，占据栅格的同一类型的面积之和最大，则为这个栅格的类型，这种取值方法称为面积占优法.采用中心值法、最大面积法或面积占优法，转换数据完成后统计多边形的数量，确定中国多边形数据或县数据转换成栅格数据时合适栅格大小、数据转换最佳方法.

将上述的中国矢量数据转成等面积矢量数据，单位为千米(km)，同理完成上述内容.

在ArcGIS9.2软件中制作中国壳斗科(Fagaceae)植物的空间数据，此数据为矢量数据，包括图形数据和属性数据，图形数据以县为基本单元的中国地图，比例尺为1：1 000 000，图形数据为多边形，属性数据为属、种的分布，然后获得壳斗科植物的属数、种数[17，18].中国壳斗科多样性表现在属的数量即属数，种的数量即种数，一个区域只有1个属或种时，是一类多样性类型，一个区域有2个属或种时，是另一类多样性类型，属或种的数量相同的所有区域为相同多样性类型，属或种数量不同的区域为不同的多样性类型.中国壳斗科属的多样性类型有6个，即1、2、3、4、5、6，种的多样性类型为48个，即1到41、43、44、47、50、51、56、69[18].

2 结果与分析

2.1 中国矢量数据分析

当经度差值(或纬度差值)小于0.1°时，随着其度数增加中国矢量数据的多边形数量呈现先急剧增加后迅速降低的特点(图1);当经向差值(或纬向差值)小于10 km时，也具有同样的特点(图2).这些多边形小，是中国沿海地区的一些岛屿，生物多样性较少，因此在多样性研究中可以忽略这些岛屿，这些岛屿隶属于面积较大的相应县，在多样性研究中这些县的数据仍然采用.

图1 中国矢量数据经度、纬度与多边形

图2 中国矢量数据经向、纬向与多边形

当0.1° < 经度差值(或纬度差值)<1°，随着其度数增加，中国矢量数据的多边形数量呈现先增加后降低的特点(图1);当10 km<经向差值(或纬向差值)<100 km时，也具有同样的特点(图2).在中国生物多样性研究中，生物分布的数据是以县为基本单元，有些县比较小，但不能忽略这些较小的县，尤其是南方较小的县，这些县的生物多样性较丰富，因此基于县的中国矢量数据转换成栅格数据时，合适的栅格大小为0.1°或10 km，这样既能保证数据精度要求，又能使数据量最小.

当经度差值(或纬度差值)大于1°时，中国矢量数据的多边形数量急剧增加(图1);当经向差值(或纬向差值)大于100 km时，也具有同样的特点(图2).这些多边形绝大多数分布在中国的西部地区和内蒙古，这些地区寒冷、干燥，人口较少.如果是研究这些地区的生物多样性，尤其是只涉及野生生物时，栅格大小可选择为1°或100 km；如果选择小于1°或100 km的栅格大小也是可以的，能保证数据精度要求，但数据量比栅格大小是1°或100 km要大得多；如果研究这些地区包括城市的生物多样性时，栅格大小不能为1°或100 km，数据精度不能满足要求.

经度差值、纬度差值的曲线相近(图1)，其Pearson相关系数为0.886(P<0.01).将多边形数据、经度差值大于0.1°的多边形数据中经度差值与纬度差值做相关分析，Pearson相关系数分别为0.857、0.8(P<0.01)，意味着许多多边形的最小外接矩形近似正方形，中国矢量数据转换成栅格数据时采用正方形.经向差值、纬向差值也具有同样特点.本文用正方形转换数据.

根据上述中国矢量数据分析，中国生物多样性研究应选择经度差值(或纬度差值)的范围为0.1°～1.0°，经向差值(或纬向差值)的范围为10 km～100 km.本文研究用中国矢量数据转换成栅格数据时，选择栅格大小的范围从0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或从10 km×10 km增加到100 km×100 km)，这个范围包含了中国已有研究所采用的栅格大小.

经度差值与经向差值、纬度差值与纬向差值的相关系数分别是0.966、0.902(P<0.01)，说明经度差值与经向差值相近，纬度差值与纬向差值也相近.上述经度差值(或纬度差值)与经向差值(或纬向差值)分级相同，分布特点也相同(图1、图2)，但数值大小不同，前者的值约是后者值的1/100，单位也不同，前者的单位是度，后者的单位是千米，经度差值与经向差值、纬度差值与纬向差值可互相换算，即0.1°相当于10 km，1°相当于100 km.

2.2 中国矢量数据转换栅格数据分析

用中心点法、最大面积法、面积占优法将多边形数据转换成栅格数据时，所获得的结果相近，中心点法比后两者所获得的多边形数目都多，后两者的多边形数目是一样的(图3)，因此中心点法最好，最大面积法和面积占优法选择其一即可.县数据转换成栅格数据时，也具有同样的特点.在生物多样性研究中将中国矢量数据转换成栅格数据时，最好采用中心点法.

图3 中国多边形数量与栅格大小

图3中，将多边形数据转换成栅格数据时，栅格大小从0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或从10 km×10 km增加到100 km×100 km)，所获得的栅格数据的多边形数量逐渐减少(图3)，意味着有越来越多的多边形数据消失，在栅格数据中找不到这些多边形的信息，因此应选择栅格大小为0.1°×0.1°(或10 km×10 km)才能保证数据精度.如果选择栅格大小高于0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，不能保证数据精度，选择栅格越大，则数据精度越低.县数据转换成栅格数据时，也具有同样的特点，但其县的数量比多边形数量略低.

在生物多样性研究中，中国生物分布的数据是以县为基本单元，当多样性类型的最小单元是较小区域的一个县时，建议选择栅格大小为0.1°×0.1°，这样能保证数据的精度；如果最小单元是较大区域(范围较大的一个县或几个相邻县)时，选择栅格大小可超过0.1°×0.1°.对同一地区而言，选择栅格越小，数据精度越高，但其数据量越大，因此应根据数据选择合适的栅格大小，既能保证精度，又能使数据量较少.

2.3 实例-中国壳斗科植物多样性

将中国壳斗科属或种多样性类型数据转换成栅格数据时，选择不同栅格大小，采用中心点法转换数据完成后统计多样性类型的数量，确定中国壳斗科属或种多样性的合适栅格大小.

将中国壳斗科种多样性类型的矢量数据转换成栅格数据时，随着栅格大小从0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，种多样性类型的数目在0.4°×0.4°以后逐渐下降(图4)，因此中国壳斗科种多样性类型从矢量数据转换成栅格数据时，选择栅格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之间才能保证种多样性类型不丢失.当选择栅格大于0.4°×0.4°，造成一个或多个多样性类型消失，尤其是分布范围小且多样性高，如物种数量最多及较小的区域消失，在栅格数据中看不到物种数量多的区域，会影响分析结果.

将中国壳斗科属多样性类型的矢量数据转换成栅格数据时，栅格大小从0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，属多样性类型的数目不变(图4)，因此中国壳斗科属多样性从矢量数据转换成栅格数据时，可选择0.1°×0.1°到1.0°×1.0°.

图4 中国壳斗科多样性类型与栅格大小

属多样性类型分布范围都较大，与种多样性类型的分布范围相差较大，当种数越多，其分布范围越小[18]，将中国壳斗科多样性矢量数据转换成栅格数据时，属多样性类型大于种多样性类型的栅格大小，但建议属多样性类型采用种多样性类型的栅格大小，便于比较.

3 结论与讨论

基于县的中国矢量数据转换成栅格数据时，合适的栅格大小为0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，这样既能保证数据精度要求，又能使数据量最小.这个研究结果与Yu[8]所用的栅格大小(10 km×10 km)相一致，但比绝大多数研究[9-16]所用的栅格大小要小.如果研究生物多样性与环境间的相关性时，栅格大小可选择大些，个别的生物多样性数据丢失对研究结果影响不大.经度差值(或纬度差值)与经向差值(或纬向差值)可互算，即0.1°相当于10 km，1°相当于100 km，与Feng等[15]所述相似。

将中国多边形数据或县数据的矢量数据转换成栅格数据时，绝大多数栅格对应矢量数据的相同类型，用中心点法、最大面积法、面积占优法所获结果一样，只有少部分栅格对应矢量数据的不同类型，当一个栅格对应矢量数据中不同类型时，选择中心点法、最大面积法、面积占优法所获得的结果有差异.用中心点法、最大面积法、面积占优法将中国多边形数据或县数据的矢量数据转换成栅格数据时，最好选择中心点法，若选择后两者方法，选择其一即可.

中国壳斗科种多样性类型从矢量数据转换成栅格数据时，选择栅格大小在0.1×°0.1°到0.4°×0.4°之间才能保证种多样性类型不丢失，而属多样性类型则可选择0.1°×0.1°到1.0×1.0°，因为种数多的多样性类型分布范围较小，而属数多则分布范围较大，但中国壳斗科植物多样性研究应选择栅格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之间.在研究生物多样性时，依据研究目的来选择矢量数据转换成栅格数据的栅格大小，最好按照所使用矢量数据中最小多边形确定栅格大小.