劉佳雨,楊武年,鄧 琮

（1. 成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059）

智能化的空間信息提取和分析功能是GIS的核心之所在[1,2]。但是，在分析較復(fù)雜的空間問(wèn)題時(shí)由于涉及到的步驟較多，有時(shí)相同的處理功能要多次執(zhí)行，不能滿足效率和質(zhì)量的要求。很多學(xué)者積極探索流程化分析處理空間數(shù)據(jù)的方法。例如，李鴻奎利用ArcGIS ModelBuilder模型編輯器來(lái)建立模型，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用地圖斑地形因子的自動(dòng)提取[3]。張正旺將GIS技術(shù)運(yùn)用于鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的選擇，不僅可以定量獲得鳥(niǎo)類(lèi)對(duì)特定類(lèi)型棲息地的偏愛(ài)程度，還可以對(duì)選擇的機(jī)制進(jìn)行探討[4]。本文利用ArcGIS ModelBuilder建立生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的選擇模型，不但體現(xiàn)了其快速準(zhǔn)確建立模型的優(yōu)點(diǎn)，而且也為生物保護(hù)提供了輔助決策信息。

1 ArcGIS ModelBuilder空間分析建模技術(shù)

1.1 ArcGIS ModelBuilder

ArcGIS Modelbuilder基于圖解建模的基本原理，用直觀的圖形語(yǔ)言將所要研究的問(wèn)題用一個(gè)或多個(gè)具體的過(guò)程模型表達(dá)出來(lái)。在這個(gè)建模過(guò)程中，可以分別定義圖形來(lái)代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)和空間處理工具，這些元素以流程圖的形式進(jìn)行組合并執(zhí)行空間分析操作功能[5]。ModelBuilder的界面環(huán)境非常友好，可以直接將工具箱里的各種地理處理工具和要處理的數(shù)據(jù)集直接拖動(dòng)到模型構(gòu)建器界面中，然后有序地把它們連接起來(lái)[6]（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，模型和腳本可以組合應(yīng)用，簡(jiǎn)單的流程可以用 ModelBuilder通過(guò)可視化直接建模，復(fù)雜的流程可以借助腳本語(yǔ)言來(lái)編程[7]，模型可以直接調(diào)用這些結(jié)果。

1.2 模型的基本組成及類(lèi)型

圖解模型主要由3部分組成:輸入數(shù)據(jù)、 輸出數(shù)據(jù)和空間處理工具。輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)可以是柵格數(shù)據(jù)集、shapefile、CAD，也可以是Coverage等[8]。由圖1可知，ModelBuilder中的元素為:①Tool，可以直接拖拽到Model中來(lái)使用；②Project，是執(zhí)行工具前輸入的任何數(shù)據(jù)；③Derive是衍生數(shù)據(jù)，可以再次作為輸入數(shù)據(jù)參與下一步的處理。

圖形模型的類(lèi)型包括單處理過(guò)程模型和復(fù)雜處理過(guò)程模型[9]（見(jiàn)圖2）。不論是建立簡(jiǎn)單或復(fù)雜模型，都需要經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)步驟：①添加輸入數(shù)據(jù)；②添加空間處理工具；③添加連接；④保存模型；⑤添加注釋?zhuān)虎拊O(shè)置參數(shù)；⑦運(yùn)行圖解模型。

圖1 空間處理模型組成示意圖

圖2 圖形模型的類(lèi)型

2 研究方法

2.1 研究背景

國(guó)外某自然保護(hù)區(qū)計(jì)劃興建新的公路，但是公路會(huì)影響某種受保護(hù)鳥(niǎo)類(lèi)的棲息環(huán)境。因此，在公路規(guī)劃中必須慎重考慮對(duì)受保護(hù)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的影響問(wèn)題。本案例的目的在于通過(guò)使用ArcGIS ModelBuilder找出該地區(qū)適合此種鳥(niǎo)類(lèi)棲息的地方，并進(jìn)行棲息地的分級(jí)評(píng)價(jià)，以供公路規(guī)劃部門(mén)參考，在建設(shè)公路時(shí)可以避開(kāi)這些生態(tài)保護(hù)區(qū)。

動(dòng)物棲息地的選擇涉及的因子很多，過(guò)程也相當(dāng)復(fù)雜。由于我們的目的是通過(guò)這樣一個(gè)案例理解并掌握如何利用ArcGIS ModelBuilder進(jìn)行建模，所以只利用已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。在此，僅將影響因子設(shè)定為公路、此種受保護(hù)鳥(niǎo)類(lèi)喜歡的植物、生態(tài)區(qū)地形坡度以及所要求的棲息地面積。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及要求

數(shù)據(jù)包括：①該地區(qū)的公路數(shù)據(jù)，包括每條公路的空間數(shù)據(jù)、公路等級(jí)數(shù)據(jù)、影響范圍等屬性數(shù)據(jù)；②植被數(shù)據(jù)，包括該地區(qū)植被類(lèi)型等屬性數(shù)據(jù)和面積等空間數(shù)據(jù)；③坡度數(shù)據(jù)，不同的植物對(duì)于坡度的要求不一樣，所以坡度數(shù)據(jù)也是必不可少的。

根據(jù)有關(guān)專(zhuān)家的多年研究，適宜此種鳥(niǎo)類(lèi)生活的地方應(yīng)該符合以下要求：①植被類(lèi)型是此種鳥(niǎo)類(lèi)喜愛(ài)的；②坡度小于40°；③與公路保持一定的距離；4)面積不能太小，要大于101 171 m2。根據(jù)以上條件，就可以找出適合此種鳥(niǎo)類(lèi)生活的地方。

2.3 用ArcGIS ModelBuilder實(shí)現(xiàn)建模的技術(shù)流程

ArcGIS10.1的界面和ArcGIS9.3有所不同。在ArcGIS10.1中，ArcCatalog作為一個(gè)窗口內(nèi)嵌在ArcMap中，可以通過(guò)在ArcCatalog中的文件夾下新建工具箱的方式來(lái)創(chuàng)建一個(gè)Model，調(diào)出ArcGIS ModelBuilder模型構(gòu)建器的運(yùn)行環(huán)境。這個(gè)復(fù)雜的處理過(guò)程模型分別由5個(gè)單處理過(guò)程模型組合而成，如圖3。

圖3 建模流程圖

模型（A）：輸入數(shù)據(jù)是vegtype（植被類(lèi)型）數(shù)據(jù)，處理工具是“篩選”工具，輸出數(shù)據(jù)是select（被選擇的植被類(lèi)型）。如果模型的輸入輸出參數(shù)滿足條件，則模型被“打通”。在“查詢(xún)構(gòu)建器”中輸入SQL語(yǔ)言“habitat=1”，選擇出滿足條件的要素?？梢詫⑤敵鼋Y(jié)果永久保存，也可以將其作為中間結(jié)果臨時(shí)保存，作為下一個(gè)模型的輸入數(shù)據(jù)。這里僅將其作為中間結(jié)果保存。

模型（B）：輸入數(shù)據(jù)有兩個(gè)，一個(gè)是模型（A）的輸出結(jié)果select，另一個(gè)是坡度數(shù)據(jù)slopelt40；處理工具是“相交”工具，輸出數(shù)據(jù)是intersect。此時(shí)的輸出要素類(lèi)保存的是選擇的植被數(shù)據(jù)和坡度小于等于40°的數(shù)據(jù)的相交部分，將輸出要素類(lèi)同樣作為中間結(jié)果臨時(shí)保存。

模型（C）：輸入數(shù)據(jù)是majorrds（主干道道路線性要素），處理工具是“緩沖區(qū)”工具，輸出數(shù)據(jù)是buffer（按照道路級(jí)別所作的緩沖區(qū)）。通過(guò)查詢(xún)道路要素的屬性表可知，一級(jí)道路緩沖半徑為400 m，二、三、四級(jí)道路緩沖半徑為250 m，可按照字段Distance直接選擇。將輸出的結(jié)果作為中間結(jié)果臨時(shí)保存（見(jiàn)圖4）。

圖4 道路緩沖結(jié)果

模型（D）：輸入數(shù)據(jù)是模型（B）和模型（C）的結(jié)果，處理工具是“擦除”工具，輸出數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)植被和坡度選擇后將道路緩沖區(qū)擦除的結(jié)果。將輸出要素類(lèi)設(shè)置為中間結(jié)果臨時(shí)保存。

模型（E）：輸入數(shù)據(jù)是模型（D）的結(jié)果，處理工具仍然使用“篩選”工具，輸出數(shù)據(jù)是面積大小符合要求的要素類(lèi)。利用“查詢(xún)構(gòu)建器”輸入SQL語(yǔ)言“Shape_Area>=101171”，得出最終結(jié)果作為永久數(shù)據(jù)保存。

模型確認(rèn)無(wú)誤后，就可以運(yùn)行模型了。模型最終的運(yùn)行結(jié)果出現(xiàn)在保存的路徑當(dāng)中，同時(shí)在ArcMap中進(jìn)行相應(yīng)的顯示（見(jiàn)圖5）。

圖5 生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)最優(yōu)棲息地

2.4 生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇評(píng)價(jià)

由于生態(tài)環(huán)境的日益惡化，鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的面積呈逐年減小的趨勢(shì)，如何找到適合鳥(niǎo)類(lèi)、特別是瀕危鳥(niǎo)類(lèi)生活的地方，并采取有效的保護(hù)措施是亟待解決的問(wèn)題[10]。所以，對(duì)生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的選擇不能只限于“最優(yōu)”，必須擴(kuò)大棲息地的選擇范圍，適當(dāng)放寬生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇的限制條件，劃分出不同級(jí)別。針對(duì)不同級(jí)別所缺少的自然生態(tài)條件，如果對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的生活產(chǎn)生的影響不是很大，并且能夠通過(guò)人類(lèi)的行動(dòng)加以適當(dāng)改變，則可以將其納入潛在的鳥(niǎo)類(lèi)棲息地范圍。這就需要對(duì)生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地進(jìn)行選擇評(píng)價(jià)，分為最適合、比較適合、適合和不適合幾個(gè)等級(jí)。

2.4.1 評(píng)價(jià)過(guò)程

首先，分別為3個(gè)面域要素——選擇的植被、坡度小于40°的區(qū)域、道路的影響范圍添加字段并賦值，見(jiàn)表1。然后，對(duì)3個(gè)矢量面域數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域疊加分析。這里要用到“聯(lián)合”處理工具，用于計(jì)算輸入要素的幾何并集，并將所有要素及其屬性都寫(xiě)入輸出要素類(lèi)。最后，對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，在屬性表中添加字段“class”，利用“字段計(jì)算器”分別將所添加的字段值相加，計(jì)算式為[roa]+ [slo]+ [veg]。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，確定分類(lèi)級(jí)別class的值分別為-1、0、1、2。符號(hào)化后，進(jìn)行生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇的分級(jí)顯示，見(jiàn)圖6。

表1 影響因子賦值

圖6 生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇評(píng)價(jià)

2.4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

圖6中，紅色地塊表示最適合此種瀕危鳥(niǎo)類(lèi)棲息的地方。黃色地塊則表示該地塊比較適合鳥(niǎo)類(lèi)棲息，比如已經(jīng)滿足了鳥(niǎo)類(lèi)對(duì)于棲息地坡度的要求，并且和道路也有一定的距離，但是由于缺少鳥(niǎo)類(lèi)喜愛(ài)的植物而使得鳥(niǎo)類(lèi)很少“光顧”。對(duì)于這種情況，我們可以在這些地區(qū)適當(dāng)栽培種植一些鳥(niǎo)類(lèi)喜愛(ài)的植物類(lèi)型，把其當(dāng)成潛在的鳥(niǎo)類(lèi)棲息地來(lái)加以重點(diǎn)保護(hù)。圖上的綠色地塊都在道路緩沖區(qū)域內(nèi)，不適合鳥(niǎo)類(lèi)棲息。深綠色地塊非常不適合鳥(niǎo)類(lèi)棲息，可能缺少多個(gè)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的必備條件。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用ArcGIS ModelBuilder建立了生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地選擇模型，不但選擇出了所給鳥(niǎo)類(lèi)的最佳棲息地，而且對(duì)生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)最優(yōu)棲息地的保護(hù)和潛在棲息地的保護(hù)提出了建設(shè)性意見(jiàn)。將 GIS 技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地的選擇，充分發(fā)揮了GIS 在空間數(shù)據(jù)管理及分析方面的優(yōu)勢(shì)[11]。利用ModelBuilder建立模型，可以一鍵式快速完成對(duì)空間數(shù)據(jù)的分析處理，使得沒(méi)有經(jīng)過(guò)GIS專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的人員以及其他領(lǐng)域的研究學(xué)者也能夠輕松體驗(yàn)到GIS給空間數(shù)據(jù)處理和分析所帶來(lái)的便利。

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