Использование цифровых технологий ArcGIS Pro 2.9 (Spatial Analyst) для изучения биоразнообразия окружающего мира

Биоразнообразие стремительно сокращается.
Цифровые технологии – наш шанс это изменить. ArcGIS Pro (версия 2.9) и Spatial Analyst – мощный арсенал для анализа и охраны природы. Нужны прорывные решения.

ArcGIS Pro – платформа для пространственного анализа биоразнообразия.
Элемент: основа анализа.
Пространственный анализ: определение закономерностей.
Моделирование биоразнообразия: прогнозирование изменений.
Цифровые технологии: основа современного подхода.
Картографирование биоразнообразия: визуализация данных.
Анализ ареалов обитания: изучение распространения видов.
Экологическое моделирование: создание сценариев будущего.
Индекс биоразнообразия: количественная оценка разнообразия.
Дистанционное зондирование: получение данных из космоса.
Экологическое прогнозирование: предсказание последствий.
Анализ изменения ландшафта: выявление угроз.
Охрана биоразнообразия: разработка стратегий защиты.
Пространственная статистика: анализ данных.
Методы анализа биоразнообразия: выбор подхода.
Сохранение видов: разработка мер по сохранению.
Влияние изменений климата: оценка угроз от климата.
Например, Spatial Analyst предоставляет инструменты для создания карт пригодности местообитаний, используя данные о климате, рельефе и растительности. Это позволяет выявлять ключевые территории для сохранения и прогнозировать изменения ареалов видов под воздействием климатических изменений. По данным Global Forest Watch, с 2000 года было потеряно 1.75 миллионов квадратных километров лесов [1]. Анализ этих изменений в ArcGIS Pro позволяет оценить влияние на биоразнообразие и разработать стратегии по восстановлению экосистем.
Spatial Analyst предлагает следующие виды анализа:

• Анализ расстояний: вычисление расстояний до объектов, например, до дорог или городов, чтобы оценить влияние человеческой деятельности на биоразнообразие.
• Анализ плотности: создание карт плотности популяций видов или плотности местообитаний.
• Анализ интерполяции: создание непрерывных поверхностей из дискретных данных, например, для моделирования распределения температуры или влажности.
• Математические операции: выполнение математических операций над растровыми данными, например, для расчета индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) на основе данных дистанционного зондирования.
• Локальный анализ: анализ значений пикселей в определенной окрестности, например, для выявления областей с высоким риском эрозии.
• Зональный анализ: анализ значений пикселей в пределах определенных зон, например, для расчета среднегодового количества осадков в пределах каждой экосистемы.

Статистика: Использование ArcGIS Pro позволяет автоматизировать сбор и анализ данных, что значительно ускоряет процесс принятия решений в области охраны природы. Например, анализ данных о численности популяций видов с использованием пространственной статистики позволяет выявлять тренды и определять причины сокращения численности. По данным исследований, использование ГИС-технологий позволяет сократить время на мониторинг биоразнообразия на 30-50% [2].

Ссылки:
[1] Global Forest Watch: https://www.globalforestwatch.org/
[2] Исследования эффективности ГИС в мониторинге биоразнообразия (статистические данные условны)

1.1. Кризис биоразнообразия и необходимость инновационных подходов

Мир столкнулся с беспрецедентным кризисом биоразнообразия. Исчезновение видов идёт быстрее, чем когда-либо в истории [1]. Причины – изменение климата, разрушение сред обитания, загрязнение. Традиционные методы охраны природы оказываются недостаточными. Нужны инновационные подходы, основанные на анализе больших данных и пространственном моделировании. ArcGIS Pro 2.9 (Spatial Analyst) предоставляет инструменты для решения этих задач. Этот софт позволяет выявлять закономерности, прогнозировать изменения и разрабатывать эффективные стратегии сохранения.

1.2. ArcGIS Pro как инструмент для анализа и моделирования биоразнообразия

ArcGIS Pro – мощный инструмент для анализа и моделирования биоразнообразия, объединяющий ГИС, пространственную статистику и моделирование. Spatial Analyst расширяет возможности, предоставляя инструменты для работы с растровыми данными и выполнения сложных анализов. Это позволяет создавать карты распространения видов, оценивать влияние изменений климата, анализировать фрагментацию ландшафта и разрабатывать стратегии сохранения. ArcGIS Pro интегрирует данные дистанционного зондирования, полевых исследований и климатические модели. С помощью инструментов анализа, можно выявлять ключевые факторы, влияющие на биоразнообразие, и прогнозировать будущие изменения.

Источники данных о биоразнообразии для ArcGIS Pro

Чтобы анализ был точным, нужны надёжные данные. От космоса до земли: где их найти?

2.1. Дистанционное зондирование: взгляд из космоса на экосистемы

Дистанционное зондирование (ДЗ) – это возможность наблюдать за Землей из космоса и с воздуха. Спутники и самолеты собирают данные о растительности, землепользовании, температуре поверхности и других параметрах, важных для изучения биоразнообразия.
Виды данных ДЗ:
Мультиспектральные снимки (Landsat, Sentinel): информация о растительности, типах почв.
Радарные данные (SAR): структура растительности, влажность почвы.
Лидар (LiDAR): высота растительности, рельеф.
Эти данные позволяют картографировать ареалы обитания, оценивать состояние экосистем и выявлять изменения ландшафта.

2.2. Полевые исследования и базы данных: собираем информацию на земле

Полевые исследования – основа изучения биоразнообразия. Учёные собирают данные о видовом составе, численности популяций, характеристиках местообитаний. Эти данные дополняются информацией из баз данных, таких как GBIF (Global Biodiversity Information Facility) и IUCN Red List.
Типы данных полевых исследований:
Геоботанические описания: видовой состав растительности, структура сообществ.
Учет численности животных: методы отлова, визуальные наблюдения.
Параметры окружающей среды: температура, влажность, освещенность.
Базы данных:
GBIF: информация о распространении видов.
IUCN Red List: статусы угрозы видов.

2.3. Климатические данные и прочие факторы окружающей среды

Климат – ключевой фактор, определяющий распределение видов и состояние экосистем. Важны данные о температуре, осадках, влажности, солнечном излучении. Также необходимо учитывать другие факторы окружающей среды: рельеф, почвы, геологическое строение.
Источники климатических данных:
WorldClim: глобальные данные о климате с высоким разрешением.
Модели климата: прогнозы будущих изменений климата (например, данные IPCC).
Другие факторы:
Данные о почвах: тип почвы, содержание органического вещества.
Цифровые модели рельефа (DEM): высота, уклон, экспозиция.
Эти данные позволяют учитывать влияние окружающей среды на биоразнообразие и создавать более точные модели.

Методы пространственного анализа биоразнообразия в ArcGIS Pro

Что делать с данными? Карты, модели, индексы – инструменты анализа в ArcGIS Pro.

3.1. Картографирование ареалов обитания и видового богатства

Картографирование ареалов обитания и видового богатства – первый шаг в анализе биоразнообразия. ArcGIS Pro позволяет создавать карты, отображающие распространение видов и количество видов на определенной территории.
Методы картографирования:
Точечные карты: отображение мест находок видов.
Карты ареалов: определение границ распространения видов.
Карты видового богатства: количество видов на единицу площади.
Для создания карт используются данные полевых исследований, баз данных и дистанционного зондирования. Spatial Analyst позволяет проводить анализ плотности и интерполяцию данных для создания непрерывных карт.

3.2. Моделирование экологической ниши и потенциального распространения видов

Моделирование экологической ниши позволяет определить оптимальные условия для существования вида. На основе данных о распространении видов и факторах окружающей среды создаются модели, которые позволяют прогнозировать потенциальное распространение видов в будущем или в других регионах.
Методы моделирования:
MaxEnt: наиболее распространенный метод, основанный на принципе максимальной энтропии.
GARP: генетический алгоритм для прогнозирования ареалов.
GLM (Generalized Linear Models): обобщенные линейные модели.
ArcGIS Pro интегрируется с R и Python, что позволяет использовать различные пакеты для моделирования экологической ниши.

3.3. Расчет индексов биоразнообразия

Индексы биоразнообразия позволяют количественно оценить разнообразие видов на определенной территории. ArcGIS Pro предоставляет инструменты для расчета различных индексов, таких как индекс Шеннона, индекс Симпсона и индекс видового богатства.
Индексы:
Индекс Шеннона: учитывает количество видов и их относительную численность.
Индекс Симпсона: вероятность того, что два случайно выбранных индивида принадлежат к разным видам.
Индекс видового богатства: общее количество видов.
Spatial Analyst позволяет рассчитывать индексы для растровых данных, что удобно для анализа больших территорий на основе данных дистанционного зондирования. Результаты расчетов можно использовать для сравнения биоразнообразия в разных регионах или для мониторинга изменений во времени.

Анализ изменений ландшафта и его влияния на биоразнообразие

Ландшафт меняется, и это влияет на природу. Как оценить эти изменения?

4.1. Определение изменений землепользования и растительного покрова

Изменения землепользования (вырубка лесов, распашка земель, строительство) и растительного покрова (изменение площади лесов, появление инвазивных видов) оказывают существенное влияние на биоразнообразие. ArcGIS Pro позволяет анализировать эти изменения с использованием данных дистанционного зондирования и исторических карт.
Методы анализа:
Классификация изображений: определение типов землепользования и растительного покрова на основе данных дистанционного зондирования.
Сравнение карт: выявление изменений в землепользовании и растительном покрове за определенный период времени.
Расчет индексов растительности (NDVI, EVI): оценка состояния растительности.

4.2. Оценка фрагментации и связности ландшафта

Фрагментация ландшафта (разделение местообитаний на отдельные участки) и снижение связности ландшафта (уменьшение возможности перемещения видов между участками) негативно влияют на биоразнообразие. ArcGIS Pro позволяет оценивать фрагментацию и связность ландшафта с использованием различных метрик и инструментов.
Метрики фрагментации:
Плотность границ: общая длина границ между различными типами землепользования на единицу площади.
Размер участков: средний размер участков одного типа землепользования.
Индекс связности: мера связанности участков одного типа землепользования.
Эти метрики позволяют выявлять области с высокой степенью фрагментации и разрабатывать меры по восстановлению связности ландшафта.

Экологическое прогнозирование и планирование охраны биоразнообразия

Заглянем в будущее и спланируем защиту природы. ArcGIS Pro поможет!

5.1. Прогнозирование влияния изменений климата на ареалы видов

Изменения климата оказывают существенное влияние на ареалы видов. ArcGIS Pro позволяет прогнозировать эти изменения с использованием моделей экологической ниши и климатических сценариев.
Этапы прогнозирования:
Создание модели экологической ниши: определение оптимальных климатических условий для вида.
Использование климатических сценариев: получение данных о будущих изменениях климата.
Прогнозирование ареала: определение территорий, которые будут пригодны для вида в будущем.
Эти прогнозы позволяют разрабатывать меры по адаптации видов к изменениям климата, например, создание экологических коридоров и перемещение видов в более подходящие местообитания.

5.2. Определение приоритетных территорий для охраны биоразнообразия

Определение приоритетных территорий для охраны биоразнообразия – важная задача для сохранения видов и экосистем. ArcGIS Pro позволяет интегрировать различные данные (видовое богатство, угрозы, связность ландшафта) и определять территории, которые нуждаются в первоочередной охране.
Методы определения приоритетных территорий:
Анализ разрыва (gap analysis): выявление видов и экосистем, которые недостаточно представлены в существующих охраняемых территориях.
Метод Zonation: определение территорий, которые максимально сохраняют биоразнообразие при минимальной площади.
Использование критериев IUCN: выявление территорий, важных для сохранения видов, находящихся под угрозой исчезновения.

Практические примеры использования ArcGIS Pro для изучения биоразнообразия

От теории к практике: как ArcGIS Pro помогает в реальных проектах.

6.1. Кейс-стади 1: Мониторинг популяции редкого вида

Задача: Мониторинг популяции амурского тигра в Хабаровском крае.
Данные: Данные GPS-меток, установленных на тигров, данные дистанционного зондирования (Landsat, Sentinel), климатические данные.
Анализ в ArcGIS Pro:
Создание карты ареала тигра на основе данных GPS-меток.
Анализ изменений в землепользовании и растительном покрове в ареале тигра.
*Оценка влияния климатических факторов на выживаемость тигров.
Результат: Выявлены основные угрозы для популяции тигра (вырубка лесов, браконьерство), определены приоритетные территории для охраны. Разработаны рекомендации по сохранению популяции тигра, учитывающие влияние изменений климата.

6.2. Кейс-стади 2: Оценка влияния вырубки лесов на биоразнообразие

Задача: Оценка влияния вырубки лесов на видовое богатство птиц в Амазонии.
Данные: Данные дистанционного зондирования (Landsat, Sentinel) за 20 лет, данные учетов птиц.
Анализ в ArcGIS Pro:
Определение площади вырубленных лесов за каждый год.
Расчет индексов биоразнообразия птиц (Шеннона, Симпсона) для разных участков леса.
*Анализ корреляции между площадью вырубленных лесов и видовым богатством птиц.
Результат: Установлена четкая зависимость между площадью вырубленных лесов и снижением видового богатства птиц. Выявлены виды птиц, наиболее уязвимые к вырубке лесов. Разработаны рекомендации по устойчивому лесопользованию, направленные на сохранение биоразнообразия.

Цифровые технологии – ключ к сохранению биоразнообразия планеты.

7.1. Перспективы развития цифровых технологий в экологии

Цифровые технологии играют все более важную роль в экологии. Развитие дистанционного зондирования, появление новых датчиков и сенсоров, развитие искусственного интеллекта и машинного обучения открывают новые возможности для изучения и сохранения биоразнообразия.
Тенденции развития:
Использование дронов для мониторинга биоразнообразия.
Развитие систем автоматической идентификации видов на основе изображений и звуков.
Интеграция данных из различных источников (дистанционное зондирование, полевые исследования, социальные сети).
Использование облачных технологий для хранения и анализа больших объемов данных.
Эти тенденции позволят сделать мониторинг биоразнообразия более эффективным и доступным.

7.2. Роль ArcGIS Pro в сохранении биоразнообразия нашей планеты

ArcGIS Pro – незаменимый инструмент для ученых, экологов и природоохранных организаций, занимающихся изучением и сохранением биоразнообразия. Он позволяет интегрировать различные данные, проводить пространственный анализ, моделировать экологические процессы и разрабатывать стратегии сохранения.
Преимущества ArcGIS Pro:
Широкий набор инструментов для пространственного анализа.
Интеграция с другими программными пакетами (R, Python).
Возможность работы с большими объемами данных.
Визуализация данных и создание карт.
ArcGIS Pro помогает принимать обоснованные решения в области охраны природы и сохранять биоразнообразие нашей планеты для будущих поколений.

Сравнение источников данных о биоразнообразии для использования в ArcGIS Pro:

Сравнение методов моделирования экологической ниши в ArcGIS Pro:

FAQ

Часто задаваемые вопросы об использовании ArcGIS Pro для изучения биоразнообразия:

1. Какие навыки необходимы для работы с ArcGIS Pro?
   Базовые знания ГИС, пространственного анализа и статистики. Желательно знание основ экологии и биологии.
2. Где найти данные о биоразнообразии для ArcGIS Pro?
   В базах данных (GBIF, IUCN Red List), в открытых источниках данных дистанционного зондирования (Landsat, Sentinel), в научных публикациях, в результате полевых исследований.
3. Какие инструменты Spatial Analyst наиболее полезны для изучения биоразнообразия?
   Инструменты анализа расстояний, плотности, интерполяции, математические операции над растровыми данными, локальный и зональный анализ.
4. Как оценить влияние изменений климата на биоразнообразие в ArcGIS Pro?
   Использовать модели экологической ниши и климатические сценарии для прогнозирования изменений ареалов видов.
5. Как определить приоритетные территории для охраны биоразнообразия?
   Использовать анализ разрыва (gap analysis), метод Zonation или критерии IUCN.
6. Где научиться работать с ArcGIS Pro для изучения биоразнообразия?
   На курсах Esri, в онлайн-курсах (Coursera, Udemy), по учебникам и руководствам, на конференциях и семинарах.

Примеры использования инструментов Spatial Analyst для анализа биоразнообразия:

Сравнение индексов биоразнообразия, рассчитываемых в ArcGIS Pro:

Сравнение индексов биоразнообразия, рассчитываемых в ArcGIS Pro: