專利名稱：一種確定棲息地適宜度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種確定棲息地適宜度的方法，尤其是基于多元線性回歸確定棲息地適宜度的方法。
背景技術(shù)：
物理?xiàng)⒌丨h(huán)境因子對(duì)于魚類的種群與多樣性有顯著影響，而生物群落對(duì)于棲息地也有特別的敏感性與偏好。各種不同的環(huán)境變化會(huì)直接或間接的影響魚類在棲息地活動(dòng)的偏好。目前，已經(jīng)開發(fā)多種建立棲息地適宜度指標(biāo)的方法，用于定量描述棲息地與物種之間的關(guān)系。棲息地定量的經(jīng)典方法是棲息地適宜度指數(shù)法(Beecher HA, Caldwell BA, Demond SB.Evaluation of depth and velocity preferences of juvenile coho salmon in Washington streams[J]. North American Journal of Fisheries Management，2002， 22 :785-795)。棲息地適宜度指數(shù)是用來表示不同水生動(dòng)物不同生命階段對(duì)流速、水深、底質(zhì)、覆蓋物等不同河流參數(shù)的偏好。棲息地適宜度指數(shù)用0-1之間的數(shù)值表示棲息地影響因子對(duì)魚類的影響，最適宜的情況為1，最不適宜的情況為0(班璇，李大美，李丹.計(jì)算葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，42 (2) 172-177)。棲息地適宜度指數(shù)主要有三種方法二元格式，單變量格式，多變量格式。以上三種方法均基于對(duì)棲息地生態(tài)因子進(jìn)行獨(dú)立考慮，沒有考慮棲息地變量之間的相互作用和相關(guān)性。比如某種魚類偏好流速快的水體，但必須在河底有巨石等庇護(hù)、能夠躲避水流沖擊的情況下才會(huì)選擇；如果沒有庇護(hù)，不能躲避水流沖擊，則魚類會(huì)選擇流速相對(duì)較低的水體，同時(shí)需要尋找防止被捕食者發(fā)現(xiàn)的庇護(hù)。魚類對(duì)棲息地選擇顯然是一個(gè)多元過程，受到多個(gè)相互作用的變量影響，已有的計(jì)算方法忽略了棲息地的復(fù)雜性，不能恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)自然水體的情況。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)確定方法沒有考慮棲息地變量之間的相互作用和相關(guān)性，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是建立一種新的棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)確定方法，基于該技術(shù)確定的棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)，考慮了棲息地變量之間的相互作用，通過多個(gè)環(huán)境特征的累積效果來決定物種的響應(yīng)。本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種確定棲息地適宜度的方法，其特征在于，包括如下步驟(I)基于歷史和現(xiàn)狀調(diào)查資料，篩選出對(duì)棲息地變化最敏感的物種，并對(duì)其生命階段，生態(tài)習(xí)性進(jìn)行調(diào)查；(2)對(duì)研究河段設(shè)置斷面，所述斷面需要包括具有代表性的典型斷面，測量河道形態(tài)，并對(duì)斷面根據(jù)河道地形特征進(jìn)行單元?jiǎng)澐?；沿?cái)嗝媾c河流垂直方向測量每個(gè)單元中點(diǎn)的水深、流速、基質(zhì)、覆蓋物的組成，統(tǒng)計(jì)不同生境下物種的豐度；(3)采用多元線性回歸法建立物種響應(yīng)與棲息地變量之間的關(guān)系
①基于物理?xiàng)⒌刈兞康臈⒌剡m宜度指數(shù)HSIk(k = I,…，m)為河段單元k的棲息地適宜度指數(shù),通過棲息地變量的頻率分布來描述，由下式所得HSIk = α +PijWijk其中，i為棲息地變量的序號(hào)；n為棲息地變量總個(gè)數(shù)；j為各棲息地變量Pi的級(jí)別；Ci為棲息地變量Pi的總級(jí)數(shù)；β 多元回歸系數(shù)，使用最小二乘法(OSL)估計(jì)；wuk為體積或面積權(quán)重因子，由棲息地變量的頻率分布得出；②基于物種響應(yīng)的棲息地適宜度指數(shù)河段單元k的魚類密度為dk，基于物種響應(yīng)的棲息地適宜度指數(shù)有HSIk = In (l+1000dk)③長河段棲息地適宜度指數(shù)將河段單元適宜度計(jì)算公式拓展到全河段，棲息地適宜度計(jì)算公式如下HSI = HSIjc = α + ΣΣ
1=1 卜1Wij =其中，WijQ = 1，…，n;j = 1，…，Ci)為棲息地變量等級(jí)在整個(gè)河段中的權(quán)重Iij通過棲息地變量等級(jí)β u的表面積或體積計(jì)算得到，或通過簡單的測量后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)水動(dòng)力模型得到。(4)最小二乘法求解系數(shù)β = (βη,…,Pic1;Pnl, ···,Pncn)是η個(gè)與棲息地變量相對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)組成
的向量的估計(jì)值用最小二乘法得到，即選取，使殘差ε的平方和最小。通過解η 個(gè)變量的聯(lián)立方程組求出/^11,···, A),···, Aicn。


圖I劃分成河流單元的河段平面2適宜度指數(shù)HSIk是生境因子的分布函數(shù)
具體實(shí)施例方式一種確定棲息地適宜度的方法，包括篩選出研究河段具有生境代表性的物種，完成關(guān)鍵物種生命階段及生活習(xí)性調(diào)查，確定研究河段并進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，河道形態(tài)測量，及河道物理生境數(shù)據(jù)采集的工作；然后，運(yùn)用多元線性回歸法建立物種響應(yīng)與棲息地變量之間的相互關(guān)系；最后，用最小二乘法求解物種相應(yīng)與棲息地變量關(guān)系式中的回歸系數(shù)。其具體步驟如下I.關(guān)鍵物種篩選與數(shù)據(jù)采集首先，確定研究河段中需要研究的典型魚種及生命階段。通過歷史和現(xiàn)狀調(diào)查資料對(duì)比，篩選出對(duì)棲息地變化最敏感的代表性物種。在缺乏歷史資料的情況下，進(jìn)行野外調(diào)查和觀測，選取在經(jīng)濟(jì)價(jià)值或種群結(jié)構(gòu)上有重要貢獻(xiàn)的物種。并對(duì)其生命階段，生態(tài)習(xí)性進(jìn)行調(diào)查。
其次，確定研究河段。搜集相關(guān)河段的河道特征、水文特征等資料。對(duì)選取河段設(shè)置斷面，各斷面能代表上下游的河道特征，對(duì)選取的研究河段測量河道形態(tài)，并對(duì)斷面根據(jù)河道地形特征，比如深潭、淺灘的地貌特征，進(jìn)行單元?jiǎng)澐?圖I)。最后，河道物理生境數(shù)據(jù)采集。測量河段內(nèi)的水位、流量等水文數(shù)據(jù)，沿?cái)嗝媾c河流垂直方向測量每個(gè)單元中線處的水深、流速、基質(zhì)、覆蓋物等的組成，觀察統(tǒng)計(jì)不同生境條件下物種的豐度。2.多元線性回歸建立物種響應(yīng)與棲息地變量之間的關(guān)系I)棲息地變量表示的棲息地適宜度函數(shù)棲息地變量(Pi)包括水深、流速和底質(zhì)等因子，將棲息地變量按等級(jí)劃分，根據(jù)不同等級(jí)的頻率分布設(shè)定權(quán)重PiQ = 1，…，η)為棲息地變量，η為棲息地變量個(gè)數(shù)；Pij (j = I, ···, Ci)為棲息地變量Pi的等級(jí)，Ci為Pi的總級(jí)數(shù)；wiJk(k= 1，…，r)為棲息地變量等級(jí)Pij在河段單元k中的權(quán)重，其中m為河段內(nèi)單元總數(shù)。該權(quán)重可以為棲息地變量Pi屬于等級(jí)Pij的面積或體積。HSIk(k = I, ···, m)為河段單元k的棲息地適宜度指數(shù)(圖2),通過棲息地變量的頻率分布來描述，可由下式所得HSIk = α + ΣΓ=ιΣ7'=ι⑴其中，i為棲息地變量(水深、流速等)的序號(hào)；η為棲息地變量總個(gè)數(shù)；j為各棲息地變量Pi的級(jí)別；Ci為棲息地變量Pi的總級(jí)數(shù)；β ,j多元回歸系數(shù)，使用最小二乘法(OSL)估計(jì)，以保證預(yù)測值和觀察值之差ε最小。Wijk體積或面積權(quán)重因子，由棲息地變量的頻率分布得出。2)物種響應(yīng)表示的棲息地適宜度野外觀測得到河段單元k的魚類密度dk，為保證棲息地適宜度指數(shù)HSIk在0-1的范圍內(nèi)，進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后有HSIk = ln(l+1000dk)(2)其中dk表示魚類密度，S卩單位體積內(nèi)(Im3)魚的數(shù)量。3)長河段棲息地適宜度函數(shù)將河段單元適宜度計(jì)算公式(I)拓展到全河段，棲息地適宜度計(jì)算公式如下HS/ = HS!； = a + ZiLiIjcI1Jgl7Wljfc⑴上劃線表示該河段體積加權(quán)的平均值。上式可以寫成HSI = α +PijW^Jk(4)或HSl = α + ΣΓ=1 Σ%, PijWij(5 )因?yàn)閷?duì)于(i= 1，···, η ； j = I, ···, Ci)有如下關(guān)系:Wij =(6)
其中，WijQ = 1，···, n；j = 1，.…，Ci)為棲息地變量等級(jí)Pij在整個(gè)河段中的權(quán)重。Wij可以通過棲息地變量等級(jí)Pij的表面積或體積計(jì)算得到，也可以通過簡單的測量后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)水動(dòng)力模型得到。3.最小二乘法求解系數(shù)β = Uhi,…,Pic:"…;凡11,···,/Sncri)是η個(gè)與棲息地變量相對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)組成
的向量；Pij的估計(jì)值可以用最小二乘法得到，即選取Pij,使殘差ε的平方和最小。通過解η個(gè)變量的聯(lián)立方程組求出&i,···,/ ,如果響應(yīng)變量與預(yù)測變量之間的關(guān)系為非線性，可以對(duì)模型中的棲息地變量進(jìn)行變換。用到高階項(xiàng)的回歸模型被稱為多項(xiàng)式回歸。二次多項(xiàng)式回歸模擬的是單峰對(duì)稱型響應(yīng)，三次或更高階的項(xiàng)則可以用于模擬偏態(tài)、雙峰、或者二者兼而有之的響應(yīng)模式。多元線性回歸可用于建立河流魚類群落的棲息地適宜度模型，也可建立河流和湖泊中物種一棲息地關(guān)系。實(shí)施例I下面以某流域的兩種魚類為實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。I.關(guān)鍵物種篩選與數(shù)據(jù)采集選取某流域中的典型物種魚I和魚2進(jìn)行分析。某流域內(nèi)河流流量在5-30m3/s， 對(duì)不同河流、不同季節(jié)進(jìn)行14組對(duì)比采樣，采樣的河段單元有668個(gè)，面積在5-50m2之間。 每一個(gè)河段單元用電魚法采集魚類并進(jìn)行鑒定。隨機(jī)測量河段單元內(nèi)5-10個(gè)水深及5-30 個(gè)點(diǎn)流速，得出水深和流速的頻率分布。不同河流獲取的不同子集一起進(jìn)行分析，因?yàn)閮H僅從一條河流上獲取的物種信息通常不足以充分體現(xiàn)生境偏好。2.多元線性回歸建立物種響應(yīng)與棲息地變量之間的關(guān)系對(duì)流速和水深進(jìn)行分級(jí)。點(diǎn)流速分為5級(jí)(V1
，V2 [O. 05，O. 2], V3 [O. 2，O. 4]，V4 : [O. 4，O. 8]，V5 : [O. 8，- ]，m/s)，通過水體體積對(duì)每個(gè)河段單元k內(nèi)的分級(jí)確定權(quán)重 Wllk 至 W15ko 水深分為 4 級(jí)(D1 :
，D2 : [O. 2，O. 4]，D3 : [O. 4，O. 8],D4 [O. 8，
00]，m),通過水體表面積對(duì)每個(gè)河段單元k內(nèi)的分級(jí)確定權(quán)重W21k至w24k。通過河段單元中的魚類密度dk定義該單元的適宜度指數(shù)。當(dāng)單元內(nèi)沒有觀察到魚類時(shí)，魚類密度(dk)等于O ;當(dāng)某個(gè)單元內(nèi)觀察到很多魚時(shí)，dk值就很大。為了使適宜度指數(shù)HSIk在0-1的范圍內(nèi)，對(duì)魚類密度進(jìn)行線性變換。于是得到如下棲息地適宜度模型
權(quán)利要求
1.一種確定棲息地適宜度的方法，其特征在于基于多元線性回歸確定棲息地適宜度， 包括如下步驟(1)基于歷史和現(xiàn)狀調(diào)查資料，篩選出對(duì)棲息地變化最敏感的物種，并對(duì)其生命階段， 生態(tài)習(xí)性進(jìn)行調(diào)查；(2)對(duì)研究河段設(shè)置具有代表性的典型斷面，測量河道形態(tài)，并根據(jù)河道地形特征進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑谎財(cái)嗝媾c河流垂直方向測量每個(gè)單元中線處的水深、流速、基質(zhì)、覆蓋物的組成， 統(tǒng)計(jì)不同生境下物種的豐度；(3)采用多元線性回歸法建立物種響應(yīng)與棲息地變量之間的關(guān)系①基于物理?xiàng)⒌刈兞康臈⒌剡m宜度指數(shù)
全文摘要
一種建立棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)的方法。首先確定研究河段中需要研究的典型魚種及生命階段，進(jìn)行關(guān)鍵物種生命階段及生活習(xí)性調(diào)查，并對(duì)研究河段進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾秃拥郎硵?shù)據(jù)采集；然后，運(yùn)用多元線性回歸法，分別建立棲息地變量表示的棲息地適宜度函數(shù)和物種響應(yīng)表示的棲息地適宜度，將兩者結(jié)合得到物種響應(yīng)與棲息地變量之間的關(guān)系；最后，用最小二乘法求解物種相應(yīng)與棲息地變量關(guān)系式中的回歸系數(shù)，最后得到通過多元回歸法建立的棲息地適宜度標(biāo)準(zhǔn)。該方法能考慮了棲息地變量之間的相互作用，通過多個(gè)環(huán)境特征的累積效果來決定物種的響應(yīng)，使模擬結(jié)果更加合理。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102592044SQ201110427299
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者易雨君 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)