GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用概述

劉炳輝 潘淑萍

摘 要：該文介紹了地理信息系統(tǒng)的功能，分析了GIS在生物技術(shù)方面的具體應(yīng)用，主要包括GIS技術(shù)在蟲媒病防治、生物群落結(jié)構(gòu)、確定動植物分布等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);生物技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號 X820.3文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）04-0139-02

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為當代最先進的技術(shù)手段，其對空間數(shù)據(jù)具有強大的分析與處理功能。依賴于計算機硬件與軟件系統(tǒng)的支持，能夠?qū)?shù)據(jù)進行輸入、管理、存儲、分析、運算，并最終顯示和描述。GIS技術(shù)的強大性，使其在生物技術(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文較為系統(tǒng)的整理分析了GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用，為GIS在生物技術(shù)領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1 地理信息系統(tǒng)

1.1 基本概念 地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種以計算機硬件和軟件系統(tǒng)為支撐，收集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述整個或部分地球表面（包括大氣）空間的相關(guān)地理分布數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。其具有強大的數(shù)據(jù)分析與處理功能，可以建立各種模型并進行動態(tài)評估，還可進行統(tǒng)計分析、緩沖分析、決策分析等，是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)。處理的數(shù)據(jù)類型大體上分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)2類。2種數(shù)據(jù)在不同的軟件系統(tǒng)中，可按照不同的形式進行組織與使用。GIS可以分層存儲地理數(shù)據(jù)，每一層是數(shù)據(jù)的地理特征與屬性的集合，即圖層，不同的圖層又可以進行疊加進行進一步的分析。其原理是通過一定的地理基礎(chǔ)聯(lián)系將不同的圖層聯(lián)系起來再進行整合疊置，這就相當于將透明的地圖進行層層疊加，最終得到一幅擁有各種信息的“地圖”，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析。

1.2 應(yīng)用與發(fā)展 GIS本質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，具有比較專業(yè)的信息系統(tǒng)空間形式，是一種能夠集中和顯示地理參考信息的計算機系統(tǒng)。GIS技術(shù)可應(yīng)用于科學(xué)調(diào)查、發(fā)展預(yù)測、測繪和路線規(guī)劃等領(lǐng)域。例如，GIS系統(tǒng)可以使應(yīng)急計劃人員更容易地計算自然災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急響應(yīng)時間，或者使用GIS查找需要保護的濕地。運用GIS既可以在大尺度上進行研究，也可以在小尺度上進行研究?？梢詫⑿l(wèi)星與GIS結(jié)合起來，對物種進行跟蹤定位;也可以對物種的生境動態(tài)進行分析，預(yù)測物種的空間分布格局;也可以通過多種參數(shù)的運用構(gòu)建生存力的模型，為物種的生存與保護尤其是一些瀕危的物種提供較為可靠的保護方案。

GIS的發(fā)展概括起來，分為以下4個階段：（1）20世紀60年代，GIS概念經(jīng)湯姆林森首次提出并且首次建立了系統(tǒng)，該時期為GIS的開拓時期;（2）20世紀70年代，為GIS的鞏固與發(fā)展時期;（3）20世紀80年代，GIS大發(fā)展時期;（4）20世紀90年代至今，GIS的應(yīng)用與普及時期。國內(nèi)發(fā)展速度比國外晚，但發(fā)展速度較快，隨著時間的推移，GIS技術(shù)的發(fā)展將會越來越全面化、高端化、高效化。其獨特的空間信息處理和分析能力是近年來各種新興技術(shù)的需求。

2 生物技術(shù)

2.1 應(yīng)用與發(fā)展 近年來，現(xiàn)代生物技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是基因工程、細胞工程、酶工程和生化工程等許多領(lǐng)域都取得了可觀的成果與巨大的進步。在GIS的支持下，修改物種的遺傳物質(zhì)，甚至設(shè)計新物質(zhì)，創(chuàng)造一些新的生物品種，工業(yè)規(guī)模地使用現(xiàn)有的生物系統(tǒng)以及利用生化過程制造工業(yè)產(chǎn)品已變得不再困難。利用生物轉(zhuǎn)化的特性生產(chǎn)化工產(chǎn)品，特別是傳統(tǒng)方法難以獲得的物品，從而改變現(xiàn)有工藝，可以解決許多長期存在的問題。在資源短缺的條件中，生物技術(shù)的前景十分巨大，比如，使用生物技術(shù)處理污水，新型生物消解笨類物質(zhì)等，都是利用生物技術(shù)來處理環(huán)境污染。在許多生物學(xué)研究中，如各種環(huán)境的生態(tài)分布，生物技術(shù)的應(yīng)用也非常廣泛。

2.2 生物技術(shù)應(yīng)用對GIS的需求 目前，多學(xué)科融合發(fā)展已經(jīng)成為了學(xué)科發(fā)展熱點，類似的，生物科學(xué)也可以與地理信息技術(shù)進行融合應(yīng)用。在不同的研究中，有許多需要分析各種信息處理領(lǐng)域，如某種植物和動物棲息地的分布研究，動物和植物群落結(jié)構(gòu)的時空分析等，需要運用GIS技術(shù);在環(huán)境污染管理，以及一些動植物防疫和控制和監(jiān)控，也需要使用 GIS技術(shù)。這些研究都需要處理和分析空間信息數(shù)據(jù)，這也是GIS技術(shù)能夠解決問題的亮點與核心所在。

3 GIS在生物技術(shù)方面的應(yīng)用

3.1 蟲媒病防治 蟲媒病是一類節(jié)肢動物的傳染病，通過叮咬作用，使得生物之間得以傳播該疾病，主要的物種包括蚊蟲、蜱、螨、虱子和跳蚤等，曾經(jīng)造成過巨大損失以及傷害，以瘧疾、流行性乙型腦炎、登革熱等疾病最為典型。近年來，GIS技術(shù)強大的數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)分析功能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和衛(wèi)生方面，在媒介生物學(xué)和蟲媒疾病防治領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。蟲媒疾病的影響因素不僅包括地理、植物類型、天氣等自然因素，還包括當?shù)蒯t(yī)院治療水平、生活文化等社會因素。GIS技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠同時存儲不同類型的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)用來定義形狀、位置、關(guān)系等基本地理特征，本質(zhì)是地圖。通常，它是基于向量的數(shù)據(jù)類型，并刪除基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)類型以供計算機處理。屬性數(shù)據(jù)通常用于定義空間數(shù)據(jù)代表的內(nèi)容，比如描述地理走勢、空氣含水量、密度、高程、植被密度等。在此基礎(chǔ)上，GIS技術(shù)可以集成各種影響因素的數(shù)據(jù)和蟲媒疾病的發(fā)生和傳播做出分析，可以提供關(guān)于基礎(chǔ)研究的生物分布特征以及蟲媒疾病的流行規(guī)律。自20世紀以來，一些研究人員將GIS應(yīng)用于監(jiān)測瘧疾、鼠疫和登革熱等蟲媒傳染病的發(fā)生與傳播[1]。目前，GIS技術(shù)應(yīng)用于媒介生物學(xué)以及有蟲媒病防治技術(shù)中，大體上包括以下2個方面：媒介生物學(xué)和蟲媒病監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理;蟲媒傳染病流行預(yù)測與預(yù)警。

3.2 生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)學(xué) 生態(tài)空間需要保證一個區(qū)域的生態(tài)平衡功能正常，以及為人類生活提供長久的空間，這也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[2]。通過研究文獻可以發(fā)現(xiàn)，GIS是許多空間技術(shù)研究的前提。在基于生物多樣性保護的空間識別方面，近30年來，生物學(xué)家特別關(guān)注的是生物多樣性保護中自然空間的選擇，比如，Rouget等基于GIS開展了區(qū)域生物多樣性保護的熱點空間識別研究。還有的關(guān)注水土流失防護的空間識別，比如，Zagasa等基于GIS技術(shù)結(jié)合一般損失方程（USLE）來確定希臘奧林匹斯山的關(guān)鍵水土流失防護空間。同時，利用GIS技術(shù)還可以研究大型水生植物的群落結(jié)構(gòu)和空間分布格局[3]。

3.3 動植物分布調(diào)查 運用GIS技術(shù)可確定動植物的空間分布，查明某種植物分布等工作都可以借助GIS技術(shù)。比如，張雪芹等針對山西省木本油料植物的分布，運用山西省地圖作為圖形的數(shù)據(jù)，結(jié)合油料植物科和種的屬性數(shù)據(jù)，生成專題地圖進而進行地理空間分析[4];任小兵等運用GIS技術(shù)，計算出物種空間分布區(qū)的面積，并且對人為干擾進行評估，進一步建立物種分布的數(shù)據(jù)庫，隨時可以查詢與顯示;倪喜軍等某物種或者種群的定位點，在其周圍生成緩沖區(qū)，研究動物棲息地的選擇等;建立統(tǒng)計學(xué)的GIS模型，對物種的空間分布情況進行分析[5-6]。

參考文獻

[1]王偉，張芳，李軍政.地理信息系統(tǒng)在媒介生物及蟲媒病防治領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中華衛(wèi)生殺蟲藥械，2017，23（03）：272-274，278.

[2]謝花林，姚干，何亞芬，等.基于GIS的關(guān)鍵性生態(tài)空間辨識——以鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（16）：5926-5937.

[3]郭傳波，李為，張映雪，等.洪澤湖大型水生植物群落結(jié)構(gòu)和時空格局的GIS模擬（英文）[J].水生生物學(xué)報，2018，42（06）：1153-1162.

[4]張雪芹，陳鵬珍.基于GIS的山西省木本油料植物分布研究[J].能源與環(huán)境，2017（06）：81-82.

[5]任小兵，劉朱燕.移動GIS系統(tǒng)在如皋地區(qū)林業(yè)工作中的應(yīng)用探討[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38（20）：151，154.

[6]倪喜軍.地理信息系統(tǒng)在野生動物研究中的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報，1998（09）：5-8.

（責編：張宏民）