專利名稱：一種基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)評價方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)有害生物暴發(fā)風(fēng)險評價和預(yù)測方法，具體的說是基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)的鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)(Outbreak Risk Index, ORI)評價方法。
背景技術(shù)：
我國是一個鼠害十分嚴(yán)重的發(fā)展中國家。鼠害往往給農(nóng)田、森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的損失，嚴(yán)重制約國民經(jīng)濟(jì)的增長。據(jù)有關(guān)部門估計，全國每年因鼠害造成的農(nóng)田受害面積約4億畝，糧食損失達(dá)1500萬噸；草原受害面積約3億畝，牧草損失數(shù)千萬噸(王祖望，張知彬，鼠害治理的理論與實踐，北京科學(xué)出版社，1996)。害鼠不僅直接危害農(nóng)作物，還攜帶多種病原微生物，成為傳播疾病的重要媒介，如黑線姬鼠(Apodemus agrarius) 是流行性出血熱和鉤端螺旋體病的傳播者。此外，鼠類還給食品、交通、通訊和建筑等行業(yè)帶來很大的危害。由于我國幅員遼闊、生態(tài)類型多樣，因此害鼠種類也十分多。在全國范圍內(nèi)都有危害的農(nóng)、牧業(yè)主要鼠害種類包括4科20種(王祖望，張知彬，鼠害治理的理論與實踐，北京科學(xué)出版社，1996)。近年來，由于氣候變化的加劇，農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)呈現(xiàn)愈加頻繁、 嚴(yán)重的趨勢。一直以來，國家一直十分重視鼠害的防治工作，不斷加大研究力度，雖然取得了可喜的成績，但是仍然沒有從根本上解決鼠害嚴(yán)重的問題。
對鼠害暴發(fā)風(fēng)險進(jìn)行評估是防治鼠害的基礎(chǔ)。進(jìn)行大尺度的風(fēng)險評估往往由于需要進(jìn)行實地取樣，會耗費(fèi)大量的財力、物力、人力，因此一直成為鼠害防治技術(shù)中的瓶頸。近些年來，由于3S (RS遙感、GPS全球定位系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng))技術(shù)的興起，使得大范圍風(fēng)險評估成為可能。遙感影像具有即時、客觀、大尺度的特點(diǎn)，而且自20世紀(jì)70年代的遙感影像均能有效獲取，因此使得對歷史鼠害風(fēng)險評價和未來鼠害預(yù)報亦成為可能。
國外自20世紀(jì)30年代開始關(guān)注鼠類種群的動態(tài)(Elton, C· S. 1924. Periodic fluctuation inthe numers of animals: their cases and effects.Experiment Biology)。自Elton以來，鼠害種群研究經(jīng)歷了三個階段。第一階段，自19世紀(jì)20年代后期至50年代，主要采用觀測的方法來探討種群數(shù)量波動，通過經(jīng)驗的積累進(jìn)行鼠害預(yù)報； 第二階段，19世紀(jì)50年代20世紀(jì)初，實驗種群和試驗方法得到重視，基于實驗數(shù)據(jù)，開始探討各類生態(tài)因子對害鼠種群的作用的機(jī)理，開始數(shù)量化各因素的作用大小，建立局域性適用的種群暴發(fā)風(fēng)險評估模型；第三階段，20世紀(jì)初至今，隨著植物保護(hù)與其它學(xué)科開始結(jié)合，大尺度、精細(xì)化的快速預(yù)報方法開始蓬勃發(fā)展。2011年Blank，B. F等利用地形、土壤性質(zhì)等因素對德國的一種主要農(nóng)業(yè)害鼠普通田鼠(MiciOtus arvalis)進(jìn)行了大尺度的暴發(fā)風(fēng)險評估(Blank, B. F.，et al.，2011，Topography and soilproperties contribute to regional outbreak risk variability of common voles(Microtus arvalis). WildlifeResearch)。但是該暴發(fā)風(fēng)險評估是基于鼠害暴發(fā)后的事后評估，且只使用了地形、土壤兩個環(huán)境要素，而這兩個要素往往并不是影響農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)的關(guān)鍵因子，局限性很強(qiáng)，難于推廣。本發(fā)明方法一方面由于設(shè)計了負(fù)反饋權(quán)重調(diào)整環(huán)節(jié)，因此能應(yīng)用在不同農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險的評價過程中，并且通過負(fù)反饋不斷提高評價精度；另一方面本發(fā)明考慮了更多影響鼠害暴發(fā)風(fēng)險的環(huán)境因子，確保評價的準(zhǔn)確性。在城市鼠害管理中，澳大利亞有基于 GIS 模型的鼠害管理嘗試(Traweger, D. and L. Slotta-Bachmayr, 2005, Introducing GlS—modelling into the management of a brown ratpopulation in an urban habitat. Journal of Pest Science),但是由于城市鼠害和農(nóng)業(yè)鼠害的暴發(fā)機(jī)理很不同，該方法中考慮地面類型作為影響鼠害風(fēng)險的關(guān)鍵因素，但地面類型對農(nóng)業(yè)鼠害鼠害暴發(fā)風(fēng)險影響并不大。在我們的研究中考慮土地利用類型、植被類型等影響不同農(nóng)業(yè)害鼠的關(guān)鍵因子，使得設(shè)計的方法具有更廣泛的適應(yīng)性。當(dāng)然，國外的這些研究為我國建立有效的農(nóng)業(yè)鼠害風(fēng)險評價模型提供了有益的參考。
我國的鼠害科學(xué)研究工作較國外起步稍晚一些，剛開始更多的跟隨國外的研究步驟，但經(jīng)過幾代人的努力，現(xiàn)在我國的鼠害預(yù)測研究工作在某些方面已經(jīng)接近或達(dá)到國際領(lǐng)先水平。在國家層面上，已經(jīng)制定了《農(nóng)區(qū)鼠害監(jiān)測技術(shù)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)》，各省市也制定了適應(yīng)性更強(qiáng)的地方標(biāo)準(zhǔn)。近些年，很多專家學(xué)者對基于GIS技術(shù)的有害生物暴發(fā)預(yù)測進(jìn)行了展望，其中也不乏一些很有意義的嘗試，這些嘗試主要集中在蝗蟲防治領(lǐng)域。例如英國愛丁堡大學(xué)與英國國立自然資源研究所、聯(lián)合國糧農(nóng)組織聯(lián)合研制并安置于聯(lián)合國糧農(nóng)組織總部(羅馬)的沙漠蝗蟲預(yù)警管理系統(tǒng)。我國韓秀珍等借鑒國外研究思路，以環(huán)渤海灣地區(qū)東亞飛蝗為研究對象，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究了東亞飛蝗災(zāi)害的遙感檢測機(jī)理和方法，建立了針對東亞飛蝗生育周期綜合遙感監(jiān)測新模式(韓秀珍，東亞飛蝗災(zāi)害的遙感監(jiān)測機(jī)理與方法研究，北京中科院研究生院，2003)。蝗蟲暴發(fā)的關(guān)鍵因子是溫度和濕度， 以上這些研究的基礎(chǔ)方法是通過遙感技術(shù)反演地表溫度和水分來進(jìn)行暴發(fā)風(fēng)險的評價。但是溫度和水分在大多農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)的過程中往往并不是最關(guān)鍵的因子，而且當(dāng)下通過遙感技術(shù)反演溫度和水體的技術(shù)并不成熟，因此暴發(fā)風(fēng)險評價精度不高。我們的方法中一方面引進(jìn)的因素不同，另一方面針對不同的情形既設(shè)計了針對實地取樣調(diào)查的方法，另一方面也設(shè)計了通過遙感反演來獲取資料，使得方法的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。在鼠害方面，劉娟妮等， 基于“3S”技術(shù)建立了黃土高原植被鼠害監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)(劉娟妮，趙鵬祥，韓崇選，等，2008， 基于“3S”的黃土高原植被鼠害監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計，西北林學(xué)院學(xué)報)，但該系統(tǒng)實際是鼠害數(shù)據(jù)的收集系統(tǒng)，并不能實現(xiàn)鼠害暴發(fā)風(fēng)險的有效評價。我們的方法在收集目標(biāo)鼠種群密度、評價因素資料的基礎(chǔ)上，通過計算鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)，并不斷調(diào)整，能夠真正實現(xiàn)鼠害暴發(fā)風(fēng)險的評價。
GIS是重要的風(fēng)險評價工具，也已經(jīng)成為風(fēng)險評價的重要平臺。發(fā)明專利基于 GIS的區(qū)域大氣風(fēng)險空間分布評估方法(申請?zhí)?01110194166. 8)，提出了風(fēng)險在大氣中的傳播影響和GIS及其二次編程相結(jié)合的區(qū)域空間風(fēng)險分布評估計算方法；發(fā)明專利一種流域積累環(huán)境風(fēng)險評價的方法(申請?zhí)?01110194177. 6)和一種特大城市環(huán)境風(fēng)險定量分區(qū)技術(shù)(申請?zhí)?01110167232. 2)，分別提出了基于GIS的流域與城市環(huán)境風(fēng)險評價的方法；發(fā)明專利一種區(qū)域突發(fā)環(huán)境污染事故風(fēng)險區(qū)劃的方法(申請?zhí)?01110194170. 4) 和基于水資源變化的流域突發(fā)性事故風(fēng)險分區(qū)(申請?zhí)?01110138407. 7)，提出了一種基于GIS技術(shù)的區(qū)域突發(fā)環(huán)境風(fēng)險區(qū)劃方法；發(fā)明專利基于遙感影像的城市基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境時空分析(申請?zhí)?00610118742. X)和基于GIS的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染發(fā)生潛力指數(shù)評價方法 (申請?zhí)?00610041538. 2)，公布了基于GIS的生態(tài)環(huán)境的評價方法；發(fā)明專利一種確定區(qū)域風(fēng)險生態(tài)風(fēng)險預(yù)警的方法(申請?zhí)?01010231566. 7)、一種基于GIS系統(tǒng)的核危害預(yù)測預(yù)警平臺及方法(申請?zhí)?00910241794. X)和一種移動化學(xué)風(fēng)險源預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急控制方法(申請?zhí)?00910241795. 4)，提出了基于GIS平臺的風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。除了以上引述的專利，還有很多基于GIS的風(fēng)險評價的文獻(xiàn)報道，如《基于GIS技術(shù)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)域研究-以遼河中下游地區(qū)為例》和《基于GIS技術(shù)的泥石流風(fēng)險評價研究》分別描述了洪澇災(zāi)害和泥石流暴發(fā)風(fēng)險評價方法。專利鼠疫自然疫源地空間分布預(yù)測方法(申請?zhí)?20111004749. X)利用GIS技術(shù)能夠預(yù)測鼠疫源地的空間分布。該方法是基于很多鼠類能夠傳播鼠疫，通過鼠類的空間分布來預(yù)測鼠疫自然疫源地的分布，是衛(wèi)生領(lǐng)域?qū)膊★L(fēng)險的一種方法，并不涉及鼠害暴發(fā)風(fēng)險。檢索沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險的方法描述，而且大多方法更多注重于大尺度的區(qū)域劃分，很少有評價單個像元風(fēng)險的方法。本方法不僅能夠查詢研究區(qū)域任意一點(diǎn)暴發(fā)風(fēng)險，而又能實現(xiàn)大區(qū)域暴發(fā)風(fēng)險評價。文獻(xiàn)《鼠類病媒生物危害風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立和應(yīng)用》對鼠類等媒介生物的危害風(fēng)險流程進(jìn)行了展望。首先通過查閱文獻(xiàn)和專家咨詢確定鼠類危害風(fēng)險因素，再建立鼠類風(fēng)險評估指標(biāo)體系，通過風(fēng)險評估矩陣進(jìn)行鼠類危害風(fēng)險分析，但是并沒有提出具體的實施方案，而且主要的出發(fā)點(diǎn)是基于媒介生物傳播傳染性疾病。本發(fā)明主要是基于農(nóng)業(yè)鼠害，因此提取了在農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)過程中均有重要的作用的4個評價因素，同時又可針對不同目標(biāo)鼠的特性加入其它評價因素；通過設(shè)置實地調(diào)查方法，避免了專家咨詢可能存在的主觀性過強(qiáng)的缺點(diǎn)；通過計算鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)，基于GIS能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險結(jié)果的直觀展示。這些特點(diǎn)使得該方法既具有客觀、準(zhǔn)確的特性，又能便于推廣。當(dāng)前主要的GIS平臺有Environmental Systems ResearchInstitute推出的ArcGIS,中地數(shù)碼集團(tuán)的MapGIS,北京超圖軟件股份有限公司的SuperMap等其他商業(yè)軟件。除去此類商業(yè)軟件,還可基于Matlab、IDL等語言自主開發(fā)GIS平臺。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供了一種基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)評價方法。基于生境越適宜的地方是鼠害暴發(fā)風(fēng)險越高的地方的假設(shè)，篩選影響目標(biāo)鼠種生境的因子，利用地理信息系統(tǒng)，評價農(nóng)業(yè)區(qū)域不同地點(diǎn)農(nóng)業(yè)鼠害的暴發(fā)風(fēng)險，建立鼠害預(yù)測的初步模型，鼠害暴發(fā)風(fēng)險圖還能為鼠害的生態(tài)管理提供有益參考。
確定土地利用類型、植被種類、食物數(shù)量和坡度四個環(huán)境因子為農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險評價的四個評價因素，結(jié)合樣點(diǎn)調(diào)查，確定每個評價因素不同類別的分值。采用ArcGIS 作為平臺，建立各評價因素圖層，按照確定的分值進(jìn)行賦值，利用模型，計算每個像元的鼠害暴發(fā)指數(shù)(0RI)，并通過分級在GIS圖上進(jìn)行直觀顯示。通過收集的歷年鼠害暴發(fā)數(shù)據(jù)， 對結(jié)果進(jìn)行評價，不斷調(diào)整鼠害暴發(fā)指數(shù)模型，最終實現(xiàn)模型的精準(zhǔn)預(yù)報。該方法的特點(diǎn)是借助GIS平臺，利用模型，就可以量化區(qū)域內(nèi)每個點(diǎn)鼠害暴發(fā)風(fēng)險；另一方面，由于具有評價-反饋步驟，使得該方法可以實現(xiàn)鼠害風(fēng)險的精確評價，還可以量化各影響因子在不同農(nóng)業(yè)害鼠暴發(fā)風(fēng)險評價中的貢獻(xiàn)。
所述的生境(habitat, Biotope希臘語bios=生命+topos=地點(diǎn))指生物的個體、 種群或群落生活地域的環(huán)境，包括必需的生存條件和其他對生物起作用的生態(tài)因素。生境是指生態(tài)學(xué)中環(huán)境的概念，生境又稱棲息地。生境是由生物和非生物因子綜合形成的，而描述一個生物群落的生境時通常只包括非生物的環(huán)境。
基于GIS的農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)評價方法模型的理論基礎(chǔ)是借鑒保護(hù)生物中生境適宜度指數(shù)(Habitat Suitability Index, HSI)的計算,其模型為H
權(quán)利要求
1.一種基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)評價方法，其步驟為 (1)確定目標(biāo)鼠暴發(fā)風(fēng)險指標(biāo)評價的因素 以土地利用類型、植被種類、食物數(shù)量和坡度四個因素為鼠害暴發(fā)風(fēng)險評價的評價因素； (2)將每ー個評價因素區(qū)分等級并進(jìn)行賦值 根據(jù)評價因素在研究區(qū)分布的實際情況，將各評價因素分為3-5個類別，采用正交設(shè)計確定因素的組合方式，去掉不合理的組合，按照剩余的組合在研究區(qū)內(nèi)選擇典型的調(diào)查樣方，毎年按季度至少調(diào)查四次樣方內(nèi)各評價因素不同類別的數(shù)量，同時采用標(biāo)準(zhǔn)鼠密度監(jiān)測方法調(diào)查樣方內(nèi)目標(biāo)鼠的種群密度，連續(xù)調(diào)查3年以上，對目標(biāo)鼠種群密度與各評價因素的每ー個類別進(jìn)行兩因素相關(guān)性分析，求出相關(guān)系數(shù)，將各相關(guān)系數(shù)乘10，作為該類別的值； (3)評價因素資料收集 評價因素資料的收集有兩種方法可供選擇ー是通過將研究區(qū)劃分為合適大小的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格大小為(2)中調(diào)查樣方的整數(shù)倍，在每ー個網(wǎng)格內(nèi)隨機(jī)取ー個大小等于(2)中調(diào)查樣方的樣方，調(diào)查所有樣方內(nèi)各評價因素不同類別的數(shù)量；另ー種方法，則是通過遙感解譯的方法收集評價因素資料，獲取各評價因素在研究區(qū)的分布情況； (4)鼠害暴發(fā)資料收集 通過各種途徑收集目標(biāo)鼠歷年暴發(fā)的時間、地點(diǎn)、范圍等資料，收集途徑主要包括以下三種1，查閱歷年對目標(biāo)鼠暴發(fā)情形的報道和文獻(xiàn)；2，在植保部門獲?。?，走訪當(dāng)?shù)鼐用瘢? (5)資料信息數(shù)字化 將(3)中收集的資料在ArcGIS里柵格化，通過樣方普查獲取評價因素資料，是將研究區(qū)域按照劃分的網(wǎng)格進(jìn)行柵格化，再將普查獲取的資料輸入相應(yīng)網(wǎng)格，作為該網(wǎng)格的屬性；通過遙感解譯獲取的評價因素資料，已是柵格資料；將每個因素単獨(dú)作為獨(dú)立的ー個圖層，按照相同投影和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成合適分辨率的柵格圖，賦予各圖層屬性信息； 將(4)中收集的歷年鼠害暴發(fā)資料在ArcGIS里數(shù)值化，繪制研究區(qū)域內(nèi)目標(biāo)鼠暴發(fā)范圍，每ー個暴發(fā)年份作為ー個獨(dú)立的柵格圖層，同時統(tǒng)計歷年不同地點(diǎn)目標(biāo)鼠暴發(fā)的頻率； (6)評價因素圖層賦值 按照(2)中確定的值在ArcGIS給每ー各評價因素圖層的每個像元按照所屬類別賦值，將所賦值做為每個像元的屬性信息進(jìn)行儲存，通過樣方普查獲取評價因素資料則通過權(quán)重和來為該網(wǎng)格賦值；通過遙感解譯，則直接賦值； (7)計算ORI 將每一因素的權(quán)重定為1，按照ORI的計算模型公式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)鼠害暴發(fā)風(fēng)險指數(shù)評價方法?；谏吃竭m宜的地方是鼠害暴發(fā)風(fēng)險越高的地方的假設(shè)，篩選影響目標(biāo)鼠種生境的因子，利用地理信息系統(tǒng)，評價農(nóng)業(yè)區(qū)域不同地點(diǎn)農(nóng)業(yè)鼠害的暴發(fā)風(fēng)險，建立鼠害預(yù)測的初步模型，鼠害暴發(fā)風(fēng)險圖還能為鼠害的生態(tài)管理提供有益參考，同時，通過最終獲得校正后的ORI模型能夠評價不同因素在鼠害暴發(fā)風(fēng)險中的作用，可為鼠害防治提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)，也為評價鼠害暴發(fā)風(fēng)險分布的變化提供了框架，使提前預(yù)報大范圍鼠害成為可能。
文檔編號G06Q50/02GK102982392SQ20121043961
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者徐正剛, 王勇, 趙運(yùn)林, 李波, 張美文 申請人:中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 湖南城市學(xué)院