一种基于栖息地特征的鱼类资源调查与评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于栖息地特征的鱼类资源调查与评估方法，属 于水生生物资源开发与利用及保护生物学领域。

背景技术

随社会的经济发展需求，资源的有效保护和可持续性开发利用是 全球重要的研究课题。我国内陆水系发达，生物栖息地环境多样，孕 育了丰富的鱼类，是人类直接食用的动物蛋白质的重要来源。

对于鱼类资源的现状调查是合理利用的前提基础，鱼类资源调查 可以为评估鱼类种群数量、捕捞限额制度、确定禁渔区域和禁渔期时 间、发放养殖许可证、以及管理提供科学依据。鱼类资源调查方式以 现场捕获法为主，辅助以渔获物调查法、补充调查法等，其中现场样 点选择基本依据水系网结构和水环境控制单元进行初步设定，通过实 地踏勘确定调查采样区和样点。但在研究区域较大的情况下，过于密 集、过于疏散、等距等样点设置均有各自的缺陷：密集布点导致工作 量庞大，疏散布点使得样品采集不充分，等距布点的样品收集缺乏代 表性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于在于提供一种基于栖息地特征的 鱼类资源调查与评估方法，所述方法依据研究区域的环境特征异同， 划分出不同栖息地类型，合理选择调查样点，获取适应各种栖息地生 境类型的样品，并依据面积-丰度/重量对应关系计算鱼类多样性和生 物量，结果更具代表性，更全面真实地反映调查区域的鱼类资源。该 方法在样品采集最小投入背景下获取最大程度的代表性样品组成，可 有效提高对研究区域的物种多样性和资源评估的精准度，完善了我国 鱼类资源评估的技术研究体系，对于鱼类资源保护和可持续性利用具 有重要指导意义。

本发明的一种基于栖息地特征的鱼类资源调查与评估方法，该方 法具体包括如下步骤：

1)绘制调查区域环境特征图：对研究区域的数字地形数据进行 栖息地地质特征提取和拼接，对气象数据进行栖息地物理特征提取并 插值，对水质监测数据进行栖息地化学特征提取并插值；

2)区域网格化处理：按照调查区域面积，选取不同经纬度水平 进行区域网格化：1°×1°，0.5°×0.5°，0.25°×0.25°；

3)计算网格环境特征值：应用ArcGIS软件，对每个网格各栖息 地特征的最大值、最小值、均值、变幅、标准差进行求解；

4)构建研究区域环境数据表：以网格为行、栖息地特征为列， 构建网格-栖息地特征二维数据表；

5)判识栖息地类型：依据网格-栖息地特征二维数据表，以网格 为单元，应用单连接聚合聚类方法，参考预设工作量选取聚类相似性 指数标准(>60％)，进行聚类分析，得出不同栖息地类型；

6)计算栖息地面积：分别计算同一栖息地类型的网格内水面面 积，求和得出不同类型栖息地的水面面积；

7)选择代表性采样点：对应不同栖息地类型，每种类型至少选 取一个采样点根据栖息地类型面积大小和分布情况确定增加采样点 数；

8)样品数据获取：进行样品采集，记录采样时间和面积，按采 样点进行物种分类学鉴定，分别计量每个物种的数量，对同一物种内 每个个体进行称重；

9)构建物种分布表：以采样点为行、物种为列，分别构建物种 分布0-1(物种有无)、0-n(物种丰度)、0-w(物种重量)二维数据 表；

10)鱼类物种多样性计算：

丰富度指数S＝n

其中n为物种种类数；

香浓多样性指数H’＝-∑(P

其中P

11)鱼类资源丰度计算：

依据面积-丰度曲线，计算研究区域的物种总丰度：

其中：采样点j中，i为物种，n为物种种类数，N

12)资源生物量计算：

依据面积-生物量曲线，计算研究区域的物种总生物量：

其中：采样点j中，i为物种，n为物种种类数，W

进一步，所述的地质特征提取包括经度、维度和海拔数据；

进一步，将地理坐标系转换为投影坐标系。

进一步，所述的物理特征提取为获取包括温度、降水、水深和浊 度在内的信息。

进一步，所述化学特征提取为获取研究区域内水质监测站点数据， 包括酸碱度、硬度和碱度。

进一步，所述的计算网格环境特征值，打开网格的属性表，添加 如下字段：网格编号(ID)，经度(Longitude)，纬度(Latitude)，进 行地理计算各个网格中心的经纬度坐标。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本方法充分考虑到栖息地-生物之间关系，采用以栖息地特征为 指导的采样点设计，可最大程度上反应研究区域的鱼类多样性及资源 状况。在同等采样努力量的情况下显著优于随机布点、等距布点等传 统方法，结果更趋真实有效。对区系研究、多样性保护、保护区选址、 资源开发与利用等提供科学依据并具有实践指导作用。本方法充分考 虑到栖息地-生物之间关系，采用以栖息地特征为指导的采样点设计， 可最大程度上反应研究区域的鱼类多样性及资源状况。在同等采样努 力量的情况下显著优于随机布点、等距布点等传统方法，结果更趋真 实有效。对区系研究、多样性保护、保护区选址、资源开发与利用等提供科学依据并具有实践指导作用。

附图说明

图1.研究区域环境特征示意图。a.海拔；b.温度；c.硬度；

图2.研究区域网格图。a.网格划分图：数字表示网格号；b.样 点设计图：数字表示栖息地类型，黑色圆点表示采样点。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图来对本发明的技术方案做进一步解释， 但本发明的保护范围不受实施例任何形式上限制。

实施例1

一种基于栖息地特征的鱼类资源调查与评估方法，本实施例通过 对调查区闽江流域内环境栖息地地质、物理、化学多维特征进行聚类， 划分出不同栖息地类型，合理选择代表性调查样点，获取覆盖多种栖 息地类型的样品，更全面真实地反映调查区域的鱼类物种多样性和资 源。

1)绘制调查区域环境特征图：

A、地质特征提取：从NASA(2020年2月18日发布)下载覆盖 研究区域的DEM数据(精度30m)，进行地形地貌分析。主要包括：

使用ArcGIS 10.0打开DEM数据(hgt文件)，选择像素类型 16_BIT_SIGNED，拼接为一个完整的tif文件，提取经度、维度、海拔 数据；

将地理坐标系(以degree为单位)转换为投影坐标系(以meter 为单位)：根据所在区域的中央经度数据计算通用横轴墨卡托(UTM, Universal Transverse Mercator)的投影参数：带号＝(经度整数位/6)的整 数部分+31，提取坡度数据；

B、物理特征提取：从中国气象数据网(http://data.cma.cn)申 请获取气象数据产品，在ArcMap中打开气象站点经纬度信息和气候 数据，主要包括：温度、降水、水深、浊度；

应用ArcGIS的Geostatistical Analyst模块进行Kriging插值分析， 得出结果，输出为栅格Raster文件；

C、化学特征提取：获取研究区域内水质监测站点数据，主要包 括：酸碱度、硬度、碱度；

应用Arcmap进行反距离权重(IDW)插值分析，得出结果，输出 为栅格Raster文件；

D、按照地图制图要求，选择色彩、设置图例、比例尺等，绘制 地质特征空间特征图(图1)；

2)区域网格化处理：

设定采样区域经纬度范围，按精度0.5°×0.5°标准，运用ArcGIS 生成fishnet网格，共生成含水系分布的网格68个(图2a)；

3)计算网格环境特征值：

打开网格的属性表，添加如下字段：网格编号(ID)，经度 (Longitude)，纬度(Latitude)，进行地理计算各个网格中心的经纬 度坐标；

打开需要提取数据的栅格文件，使用ArcGIS的Spatial Analyst Tools按网格计算各个环境特征，主要包括：最大值、最小值、均值、 变幅、标准差；

4)构建研究区域环境数据表

将网格环境特征数据以ID为行、栖息地特征为列，导出网格-栖 息地特征二维数据表，表格设计如表1所示。

表1.网格-栖息地特征二维数据表

5)判识栖息地类型：

应用R软件对网格-栖息地特征二维数据表进行聚类分析，采用 单连接聚合聚类(Single linkage agglomerative clustering)法，依据最 短的成对距离(或最大的相似性)聚合网格，得出聚类分析树；

选取聚类相异性指数75％为标准，划分聚类组数，共得到8组类 型栖息地，

绘制栖息地空间分布图(图2b)；

6)计算栖息地面积：

从中科院资源环境数据中心获取研究区域遥感影像数据，对同一 栖息地类型内每个网格内的水系面积进行计算，对此类栖息地类型水 域面积求和；

7)选择代表性采样点：

对每种栖息地类型选取至少一个采样点，对面积较大的某一类型 栖息地，或者以分散状态分布的某一类型栖息地可适宜增加采样点数， 本次采样共选取16个采样点，其中栖息地类型1、2、3、4各有3 个采样点，栖息地类型5、6、7、8各有1个采样点(图2)，构建采 样点栖息地特征数据表，如表2所示：

表2.采样点栖息地特征数据表

8)样品数据获取：

每个点采样面积根据实际水面宽度而定，为50-100m

对采集的样品依照《中国动物志》进行物种分类学鉴定，并使用 Catalog ofFishes数据库进行分类信息校正；

计量每个采样点每个物种的数量；

称量每个采样点每个物种的每个个体的重量，精确到0.1g；

9)构建物种分布表：

以采样点为行，物种为列，构建物种分布0-1(物种有无)、0-n(物 种丰度，尾)、0-W(物种生物量，克)二维数据表，表格设计如表3 所示：

表3.物种分布表

10)鱼类物种多样性计算：

A、计算每个采样点的物种多样性，包括：

物种丰富度S

其中j为站点，n

香浓多样性指数H’

其中P

表4.各个采样点的物种丰富度和香浓多样性

B、汇总每一类型栖息地的样品，计算栖息地类型的物种多样性， 包括：

物种丰富度S

其中h为栖息地类型，n

香浓多样性指数H’

其中P

各个栖息地的物种丰富度和香浓多样性见表5所示。

表5.各个栖息地的物种丰富度和香浓多样性

C、汇总研究区域采集的所有样品，计算总物种多样性，包括：

丰富度指数S＝n

其中n为物种总种类数；

香浓多样性指数H’＝-∑Pi×LnPi；

其中P

物种丰富度43(尾)，香浓多样性3.048。

11)鱼类资源丰度计算：

A、计算采样点j的物种丰度：

其中i为物种，n为物种数，N

表6.各采样点的物种丰富度

B、依据面积-丰度曲线关系，计算同一栖息地类型的物种总丰度：

其中A

各栖息地的物种丰富度如表7所示。

表7.各栖息地的物种丰富度

C、计算研究区物种总丰度：

其中h为栖息地类型，m为总栖息地类型数；

最后获得研究区物种总丰富度1424407(尾)。

步骤12：资源生物量计算

A、计算采样点j的物种生物量：

其中i为物种，n为物种数，Wi为i物种的所有个体的总重量；

各采样点的资源生物量见表8所示。

表8.各采样点的资源生物量

B、依据面积-生物量曲线关系，计算同一栖息地类型的物种生物 量：

其中A

表9.各个栖息地的物种生物量

C、计算研究区物种总生物量：

其中h为栖息地类型，m为总栖息地类型数。最后获得研究区物 种总生物量4904439(克)。