整合多源数据的物种分布预测及其计算框架研究

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矿山兼具企业属性和地理实体属性,矿山信息化最终目标是提升企业的核心竞争力和环境协同性。在提升环境协同性方面,尤其是生物多样性保护领域,目前尚缺乏高质量生物多样性数据的支持,有待将信息化手段与生物地理学、景观生态学及地理信息科学研究结合,获取高空间分辨率、量化和空间连续化的物种分布数据,为绿色矿山理念的落实提供数据、技术和工具支持。本研究通过构建整合多源数据的物种分布预测模型,设计面向多物种的分布预测集成计算框架,并以生物多样性和矿产资源极其丰富的云南省为例开展应用案例研究,解决矿山生物多样性保护中高质量生物多样性数据获取方法与工具支持问题,为以信息化手段保障矿业绿色发展提供借鉴。主要研究内容如下:(1)物种分布范围数据获取方法研究。构建整合多源数据的物种分布预测模型,通过发挥不同类型物种分布数据的互补优势,提高预测性能。为验证该模型的可行性和可靠性,以黄杯杜鹃为例,利用该模型,同时对比其他传统建模方法,进行其潜在分布范围预测。(2)物种分布预测集成计算框架研究。基于地理信息系统(GIS)和R系统,应用组件编程技术,针对数据处理和分析的需求,将物种数据、物种分布数据、环境数据和预测算法有机联系起来,完成流程化的数据预处理和模型计算,在单一物种分布预测计算基础上,实现物种分布预测结果的叠加、热点识别、保护空缺分析等通用空间分析方法。(3)生物多样性影响程度评价方法研究。提出一种基于物种分布数据,以物种为评价对象,从单一物种分布和物种丰富度格局两个层次上,对矿产资源开发的生物多样性影响进行量化评价的方法。(4)云南省矿产资源开发植物影响评价案例研究。收集云南省植物的分布数据、环境数据,预测了8654种植物的空间分布范围,叠加生成1km空间分辨率的植物总体物种、特有物种和受胁物种的丰富度格局,识别其丰富度热点,进行保护空缺分析,开展矿产资源开发布局与植物多样性格局空间关系分析及其影响程度计算。通过以上内容研究,得到以下四个方面研究成果:(1)构建了整合多源数据的物种分布预测模型MSDM。该模型基于传统物种分布模型,提出“基于环境和地理空间距离的伪不分布点生成算法”、“基于先验分布区的二值分布阈值搜索策略”和“基于先验分布区的预测结果准确度评估方法”等创新性方法,充分发挥不同类型物种分布数据的互补优势,解决传统物种分布模型建模中存在的抽样偏差、阈值确定和性能评估问题,为矿区及其周边大量物种分布范围数据的获取提供了可行方案。(2)设计了面向多物种的分布预测模型集成计算框架CFSDM。该集成计算框架实现数据处理的规范化、流程化、预测结果的可视化和空间分析,可面向大量物种进行分布预测的批量计算,提高了物种分布预测的计算效率,可为物种分布模型理论和方法更深入服务于生物多样性保护决策工作提供科学依据和切实可行的方法参考。(3)提出了一种基于物种分布数据的影响程度评价方法EIDSDD。该方法基于物种分布数据,从单一物种分布和物种丰富度格局受影响的范围、烈度和时间三个维度量化矿产资源开发活动对植物的影响程度,方法具有定量化评价的优势,同时易用性、可操作性强,评价结果可用于衡量不同开发规划、不同建设项目对植物影响程度的差异。(4)首次在物种水平上,以空间连续化的方式展示了云南省植物丰富度格局,并量化其受矿产资源开发的影响程度。3.46%的采矿区面积和3.15%的探矿区面积位于7级及以上植物丰富度区,5.56%、3.20%和2.75%的采矿区面积和4.39%、1.89%和1.54%的探矿区面积分别位于植物总体物种、特有物种和受胁物种丰富度热点区,表明矿产资源开发与植物保护存在空间上的冲突;植物总体物种、特有物种和受胁物种丰富度热点被自然保护区网络覆盖的比例分别仅为27.41%、28.23%和29.40%,其热点区外10km缓冲区分别分布着23.09%、11.93%和10.28%的采矿区面积,表明存在明显的植物保护空缺,单纯以避让自然保护区来达到减缓矿产资源开发负面影响的做法存在不足和较大隐患。全省植物总体物种、特有物种和受胁物种受影响值分别为68.57、3.52和1.68。从区域上看,滇东北受影响指数最高。从时间上看,除滇西2019年出现影响指数拐点外,各区域影响指数均呈缓步增长趋势,从物种看,滇西北部分珍稀濒危物种面临较大生存压力。
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