邱麗氚，李雅麗，王 建，吳曉湲，柳 濤，常 虹，路丹桂

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

從全球、洲或國(guó)家等大區(qū)域范圍角度研究生物多樣性時(shí)，一般采用矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，稱格網(wǎng)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，需要選擇格網(wǎng)大小，經(jīng)常稱柵格大小.

研究生物多樣性在全球、洲、國(guó)家或地區(qū)時(shí)所采用的柵格大小有所不同[1-7]，即使是研究同一個(gè)國(guó)家，如中國(guó)所采用的柵格大小也不同，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].當(dāng)選擇較大柵格時(shí)，可能會(huì)造成物種較多的區(qū)域丟失，因?yàn)槲锓N較多的分布范圍較小，柵格大小范圍超過物種較多的分布范圍所致.為了避免物種較多的區(qū)域丟失，有必要探討矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)選擇合適的柵格大小，對(duì)研究大區(qū)域范圍尤其是中國(guó)的生物多樣性、宏觀生態(tài)學(xué)等方面具有指導(dǎo)意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

在ArcGIS9.2軟件中打開中國(guó)矢量數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)以縣為基本單元的中國(guó)地圖，比例尺為1：1 000 000，圖形數(shù)據(jù)為多邊形，屬性數(shù)據(jù)有多邊形代碼、縣名.

從中國(guó)矢量數(shù)據(jù)中獲取每個(gè)多邊形的最小經(jīng)度、最大經(jīng)度、最小緯度、最大緯度，單位是度，然后計(jì)算經(jīng)度差值、緯度差值，經(jīng)度差值是最大經(jīng)度減去最小經(jīng)度，緯度差值是最大緯度減去最小緯度.當(dāng)經(jīng)度差值或緯度差值分級(jí)時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)多邊形數(shù)量，確定中國(guó)多邊形矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)合適的柵格大小.在SPSS18軟件中進(jìn)行經(jīng)度差值和緯度差值相關(guān)性分析，確定柵格形態(tài).

在矢量數(shù)據(jù)中，同一個(gè)縣有一個(gè)多邊形或多個(gè)多邊形，本文將這個(gè)數(shù)據(jù)稱為多邊形數(shù)據(jù).同一個(gè)縣有多個(gè)多邊形，尤其是沿海地區(qū)的一些縣，這些縣有許多島嶼，每個(gè)島嶼都有一個(gè)多邊形，這樣一個(gè)縣就有多個(gè)多邊形構(gòu)成，意味著有多行屬性數(shù)據(jù)，將多行數(shù)據(jù)合并為一行數(shù)據(jù)，即一個(gè)縣只有一行數(shù)據(jù)，本文將這個(gè)數(shù)據(jù)稱為縣數(shù)據(jù).將多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，選擇不同柵格大小及方法，當(dāng)一個(gè)柵格對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)中不同類型(多個(gè)多邊形或縣)時(shí)，而這個(gè)柵格只能選擇一個(gè)類型(一個(gè)多邊形或縣)，有不同方法即中心點(diǎn)法、最大面積法、面積占優(yōu)法.當(dāng)柵格中心點(diǎn)落到矢量數(shù)據(jù)中不同類型中的一個(gè)，則這個(gè)類型成為這個(gè)柵格的類型，這種取值方法稱為中心點(diǎn)法.在不同類型中，占據(jù)柵格面積最大的這個(gè)類型，則為這個(gè)柵格的類型，這種取值方法稱為最大面積法.當(dāng)柵格對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)中不同類型時(shí)，占據(jù)柵格的同一類型的面積之和最大，則為這個(gè)柵格的類型，這種取值方法稱為面積占優(yōu)法.采用中心值法、最大面積法或面積占優(yōu)法，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成后統(tǒng)計(jì)多邊形的數(shù)量，確定中國(guó)多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)合適柵格大小、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最佳方法.

將上述的中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成等面積矢量數(shù)據(jù)，單位為千米(km)，同理完成上述內(nèi)容.

在ArcGIS9.2軟件中制作中國(guó)殼斗科(Fagaceae)植物的空間數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)以縣為基本單元的中國(guó)地圖，比例尺為1：1 000 000，圖形數(shù)據(jù)為多邊形，屬性數(shù)據(jù)為屬、種的分布，然后獲得殼斗科植物的屬數(shù)、種數(shù)[17，18].中國(guó)殼斗科多樣性表現(xiàn)在屬的數(shù)量即屬數(shù)，種的數(shù)量即種數(shù)，一個(gè)區(qū)域只有1個(gè)屬或種時(shí)，是一類多樣性類型，一個(gè)區(qū)域有2個(gè)屬或種時(shí)，是另一類多樣性類型，屬或種的數(shù)量相同的所有區(qū)域?yàn)橄嗤鄻有灶愋停瑢倩蚍N數(shù)量不同的區(qū)域?yàn)椴煌亩鄻有灶愋?中國(guó)殼斗科屬的多樣性類型有6個(gè)，即1、2、3、4、5、6，種的多樣性類型為48個(gè)，即1到41、43、44、47、50、51、56、69[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)矢量數(shù)據(jù)分析

當(dāng)經(jīng)度差值(或緯度差值)小于0.1°時(shí)，隨著其度數(shù)增加中國(guó)矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量呈現(xiàn)先急劇增加后迅速降低的特點(diǎn)(圖1);當(dāng)經(jīng)向差值(或緯向差值)小于10 km時(shí)，也具有同樣的特點(diǎn)(圖2).這些多邊形小，是中國(guó)沿海地區(qū)的一些島嶼，生物多樣性較少，因此在多樣性研究中可以忽略這些島嶼，這些島嶼隸屬于面積較大的相應(yīng)縣，在多樣性研究中這些縣的數(shù)據(jù)仍然采用.

圖1 中國(guó)矢量數(shù)據(jù)經(jīng)度、緯度與多邊形

圖2 中國(guó)矢量數(shù)據(jù)經(jīng)向、緯向與多邊形

當(dāng)0.1° < 經(jīng)度差值(或緯度差值)<1°，隨著其度數(shù)增加，中國(guó)矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量呈現(xiàn)先增加后降低的特點(diǎn)(圖1);當(dāng)10 km<經(jīng)向差值(或緯向差值)<100 km時(shí)，也具有同樣的特點(diǎn)(圖2).在中國(guó)生物多樣性研究中，生物分布的數(shù)據(jù)是以縣為基本單元，有些縣比較小，但不能忽略這些較小的縣，尤其是南方較小的縣，這些縣的生物多樣性較豐富，因此基于縣的中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，合適的柵格大小為0.1°或10 km，這樣既能保證數(shù)據(jù)精度要求，又能使數(shù)據(jù)量最小.

當(dāng)經(jīng)度差值(或緯度差值)大于1°時(shí)，中國(guó)矢量數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量急劇增加(圖1);當(dāng)經(jīng)向差值(或緯向差值)大于100 km時(shí)，也具有同樣的特點(diǎn)(圖2).這些多邊形絕大多數(shù)分布在中國(guó)的西部地區(qū)和內(nèi)蒙古，這些地區(qū)寒冷、干燥，人口較少.如果是研究這些地區(qū)的生物多樣性，尤其是只涉及野生生物時(shí)，柵格大小可選擇為1°或100 km；如果選擇小于1°或100 km的柵格大小也是可以的，能保證數(shù)據(jù)精度要求，但數(shù)據(jù)量比柵格大小是1°或100 km要大得多；如果研究這些地區(qū)包括城市的生物多樣性時(shí)，柵格大小不能為1°或100 km，數(shù)據(jù)精度不能滿足要求.

經(jīng)度差值、緯度差值的曲線相近(圖1)，其Pearson相關(guān)系數(shù)為0.886(P<0.01).將多邊形數(shù)據(jù)、經(jīng)度差值大于0.1°的多邊形數(shù)據(jù)中經(jīng)度差值與緯度差值做相關(guān)分析，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.857、0.8(P<0.01)，意味著許多多邊形的最小外接矩形近似正方形，中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)采用正方形.經(jīng)向差值、緯向差值也具有同樣特點(diǎn).本文用正方形轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù).

根據(jù)上述中國(guó)矢量數(shù)據(jù)分析，中國(guó)生物多樣性研究應(yīng)選擇經(jīng)度差值(或緯度差值)的范圍為0.1°～1.0°，經(jīng)向差值(或緯向差值)的范圍為10 km～100 km.本文研究用中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，選擇柵格大小的范圍從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或從10 km×10 km增加到100 km×100 km)，這個(gè)范圍包含了中國(guó)已有研究所采用的柵格大小.

經(jīng)度差值與經(jīng)向差值、緯度差值與緯向差值的相關(guān)系數(shù)分別是0.966、0.902(P<0.01)，說明經(jīng)度差值與經(jīng)向差值相近，緯度差值與緯向差值也相近.上述經(jīng)度差值(或緯度差值)與經(jīng)向差值(或緯向差值)分級(jí)相同，分布特點(diǎn)也相同(圖1、圖2)，但數(shù)值大小不同，前者的值約是后者值的1/100，單位也不同，前者的單位是度，后者的單位是千米，經(jīng)度差值與經(jīng)向差值、緯度差值與緯向差值可互相換算，即0.1°相當(dāng)于10 km，1°相當(dāng)于100 km.

2.2 中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)分析

用中心點(diǎn)法、最大面積法、面積占優(yōu)法將多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，所獲得的結(jié)果相近，中心點(diǎn)法比后兩者所獲得的多邊形數(shù)目都多，后兩者的多邊形數(shù)目是一樣的(圖3)，因此中心點(diǎn)法最好，最大面積法和面積占優(yōu)法選擇其一即可.縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，也具有同樣的特點(diǎn).在生物多樣性研究中將中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，最好采用中心點(diǎn)法.

圖3 中國(guó)多邊形數(shù)量與柵格大小

圖3中，將多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°(或從10 km×10 km增加到100 km×100 km)，所獲得的柵格數(shù)據(jù)的多邊形數(shù)量逐漸減少(圖3)，意味著有越來越多的多邊形數(shù)據(jù)消失，在柵格數(shù)據(jù)中找不到這些多邊形的信息，因此應(yīng)選擇柵格大小為0.1°×0.1°(或10 km×10 km)才能保證數(shù)據(jù)精度.如果選擇柵格大小高于0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，不能保證數(shù)據(jù)精度，選擇柵格越大，則數(shù)據(jù)精度越低.縣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，也具有同樣的特點(diǎn)，但其縣的數(shù)量比多邊形數(shù)量略低.

在生物多樣性研究中，中國(guó)生物分布的數(shù)據(jù)是以縣為基本單元，當(dāng)多樣性類型的最小單元是較小區(qū)域的一個(gè)縣時(shí)，建議選擇柵格大小為0.1°×0.1°，這樣能保證數(shù)據(jù)的精度；如果最小單元是較大區(qū)域(范圍較大的一個(gè)縣或幾個(gè)相鄰縣)時(shí)，選擇柵格大小可超過0.1°×0.1°.對(duì)同一地區(qū)而言，選擇柵格越小，數(shù)據(jù)精度越高，但其數(shù)據(jù)量越大，因此應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)選擇合適的柵格大小，既能保證精度，又能使數(shù)據(jù)量較少.

2.3 實(shí)例-中國(guó)殼斗科植物多樣性

將中國(guó)殼斗科屬或種多樣性類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，選擇不同柵格大小，采用中心點(diǎn)法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成后統(tǒng)計(jì)多樣性類型的數(shù)量，確定中國(guó)殼斗科屬或種多樣性的合適柵格大小.

將中國(guó)殼斗科種多樣性類型的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，隨著柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，種多樣性類型的數(shù)目在0.4°×0.4°以后逐漸下降(圖4)，因此中國(guó)殼斗科種多樣性類型從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，選擇柵格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之間才能保證種多樣性類型不丟失.當(dāng)選擇柵格大于0.4°×0.4°，造成一個(gè)或多個(gè)多樣性類型消失，尤其是分布范圍小且多樣性高，如物種數(shù)量最多及較小的區(qū)域消失，在柵格數(shù)據(jù)中看不到物種數(shù)量多的區(qū)域，會(huì)影響分析結(jié)果.

將中國(guó)殼斗科屬多樣性類型的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，柵格大小從0.1°×0.1°增加到1.0°×1.0°，屬多樣性類型的數(shù)目不變(圖4)，因此中國(guó)殼斗科屬多樣性從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，可選擇0.1°×0.1°到1.0°×1.0°.

圖4 中國(guó)殼斗科多樣性類型與柵格大小

屬多樣性類型分布范圍都較大，與種多樣性類型的分布范圍相差較大，當(dāng)種數(shù)越多，其分布范圍越小[18]，將中國(guó)殼斗科多樣性矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，屬多樣性類型大于種多樣性類型的柵格大小，但建議屬多樣性類型采用種多樣性類型的柵格大小，便于比較.

3 結(jié)論與討論

基于縣的中國(guó)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，合適的柵格大小為0.1°×0.1°(或10 km×10 km)，這樣既能保證數(shù)據(jù)精度要求，又能使數(shù)據(jù)量最小.這個(gè)研究結(jié)果與Yu[8]所用的柵格大小(10 km×10 km)相一致，但比絕大多數(shù)研究[9-16]所用的柵格大小要小.如果研究生物多樣性與環(huán)境間的相關(guān)性時(shí)，柵格大小可選擇大些，個(gè)別的生物多樣性數(shù)據(jù)丟失對(duì)研究結(jié)果影響不大.經(jīng)度差值(或緯度差值)與經(jīng)向差值(或緯向差值)可互算，即0.1°相當(dāng)于10 km，1°相當(dāng)于100 km，與Feng等[15]所述相似。

將中國(guó)多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，絕大多數(shù)柵格對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)的相同類型，用中心點(diǎn)法、最大面積法、面積占優(yōu)法所獲結(jié)果一樣，只有少部分柵格對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)的不同類型，當(dāng)一個(gè)柵格對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)中不同類型時(shí)，選擇中心點(diǎn)法、最大面積法、面積占優(yōu)法所獲得的結(jié)果有差異.用中心點(diǎn)法、最大面積法、面積占優(yōu)法將中國(guó)多邊形數(shù)據(jù)或縣數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，最好選擇中心點(diǎn)法，若選擇后兩者方法，選擇其一即可.

中國(guó)殼斗科種多樣性類型從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時(shí)，選擇柵格大小在0.1×°0.1°到0.4°×0.4°之間才能保證種多樣性類型不丟失，而屬多樣性類型則可選擇0.1°×0.1°到1.0×1.0°，因?yàn)榉N數(shù)多的多樣性類型分布范圍較小，而屬數(shù)多則分布范圍較大，但中國(guó)殼斗科植物多樣性研究應(yīng)選擇柵格大小在0.1°×0.1°到0.4°×0.4°之間.在研究生物多樣性時(shí)，依據(jù)研究目的來選擇矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)的柵格大小，最好按照所使用矢量數(shù)據(jù)中最小多邊形確定柵格大小.