CIRCUITSCAPE用户指导.docx

1、CIRCUITSCAPE用户指导CIRCUITSCAPE用户指导首次使用的用户：请在运行大栅格（大于一百万单元格）之前阅读内存管理的部分。1. 介绍Cirsuitscape是一个运用电路理论去建立异质景观的连接度的模型的一个开源的程序。它的最常用的应用包括建模运动和动植物的基因流，以及认证对于连接度保护很重要的区域。电路理论与普遍使用的连接度模型相配因为它与随机漫步理论的连接和它的能够自发地评估多重传播途径的贡献。景观代表传导型地表，以及对于对运动最有渗透性和最能促进基因流的景观功能类型的低阻力，以及对于运动障碍的高阻力。有效的阻力、流、和穿过景观的电压计算可以与生态进程相关，例如单个运动和基

2、因流。更多关于基本模型、它的参数化，和在生态、演变、和保护规划方面的潜在应用可以在McRae(2006)andMcRaeetal.(2008).中找到。Circuitscape起初被设计去分析栅格图之间的连接度。用这个4.0版本，它现在可以分析任意的网格（图表），分析任何一套用户指定的节点间的联系。Circuitscape可以从一个独立界面或者从一个Arcgis工具盒被运行。图1.独立界面（支持栅格和网络分析）图2.ARCGIS工具盒（只能分析栅格基础的）。这个工具盒包括把栅格和特征类放在一个共同的坐标系统的实用程序。更多的创造核心栖息地区域和阻力层的实用工具正在被开发。在你开始之前无论你用什

3、么软件，连接度建模包括大量的研究:数据的编辑、GIS的分析，以及对于结果的谨慎的解释。定义要连接的区域、参数化阻力模型，以及其他的你需要做的建模决定不会那么琐碎。在潜心学习这个软件之前，我们强烈建议用户首先熟悉连接度建模的进程和咨询参考已经出版的资源。比较好的开始可以看在CorridorDesign和ConnectingLandscapes网站的概述。Spearetal.(2010),Beieretal.(2011)andZelleretal.(2012)提供了在阻力绘图和连接度分析的有帮助的建议。在用这个软件之前，用户应该熟悉连接度建模的电路理论的使用（由McRaeetal.2008总结）看

4、theGnarlyLandscapeUtilities网站可以对自动化的阻力以及核心区域的建模有帮助。最后，对绘制重要连接度区域感兴趣的用户可以考虑LinkageMapper,这是一个绘制最小费用通道的。LinkageMapper,现在也可以用circuitscape分析最小费用通道。2. circuitscape是如何工作的circuitscape可以通过它的图表用户界面或从ARCGIS工具盒或者命令行被调出。用户提供给circuitscape阻力数据和计算有效阻力或者绘电流图和景观和网格间的电压的程序。两种数据类型：网格和栅格circuitscape可以阅读任何一种被线连接的节点网络或者阻

5、力栅格图。线和栅格单元格可以被赋予反映景观促进或者阻碍运动程度的阻力值。网络或者栅格图可以被编码进阻力或电导率。图3.circuitscape使用的网络或者栅格数据类型的简单说明。这个程序可以在节点网络或栅格网格上运行。栅格单元格可以有任何的阻力值。带有零阻力的单元格（短电路区域，可以被用来代表连续的栖息地斑块）被展示成白色，带有阻力值为1的单元格被展示为灰色，带有无限阻力的单元格（被编码为NODATA）被展示为黑色。对于栅格来说，每一个带有限阻力的单元格被代表为一个图表中的节点，与它的四个第一级或八个第二级邻近的单元格连接。带有明确阻力的单元格（零导电率）被减少。栖息地斑块、单元格的集群，可

6、以被指定为零阻力（有限的电导率）使用一个分离的“短电路区域”的文件。这些单元格的集合被瓦解进一个单独的节点。图4.栅格被转化为电网络。每一个单元格变成一个节点（被用一个点代表），邻近的单元格被电阻器与周围四个或者八个连接。在这里，两个短电路区域每一个被成为一个单独的节点。有限阻力的单元格被从网格中完全被删除。计算模式Circuitscape运行四种模式中的一种：成对的，高级的，一对多和多对一。成对的和高级的模式对于栅格和网络数据类型都可用。一对多和多对一模式只能对栅格数据可用。在成对的模式中，所有成对的焦点节点（连接度要被建模的点或者区域）的连接度被计算，这些节点是被用一个单独的输入文件提供给

7、程序的。对于每一对焦点节点，一个节点将会被任意地与1安培的电流源相连，另一个会与大地相连。所有成对的焦点节点之间的有效阻力将被迭代地计算，并且，如果被选择了，电流图和电压图就会产生。如果有n个焦点节点，就会有n（n-1）/2个计算结果除非你正在使用焦点点（每个焦点节点只有一个单元格）并且不绘制电流和电压图。在后面的情况中，我们可以有n种计算结果（更快）。在高级的模式中，提供了更灵活的方法去定义源和目标电流。用户定义任何数量的电流源以及任何数量的在网络中或栅格景观中的大地，并且这些被自发地激活。源代表电流流过的点或者区域，而大地则代表电流存在于这个系统中的节点。源节点可以有不同的长度（注射或多或

8、少的电流进网络或栅格），并且大地节点可以与有任何阻力的大地紧密相连。电流源和大地用独立输入文件提供。另两个模式只对栅格数据类型可用。一对多模式与成对的模式很相似，并且用同样的输入文件。然而，不同于迭代所有成对的焦点节点，这种模式迭代所有的焦点节点。在每一次迭代，一个焦点节点与一个1安培电流源相连，所有剩余的焦点节点被与大地相连。如果有n各焦点节点，就会有n个计算结果。多对一模式与一对多模式相似，并且采用相同的输入文件。然而，在这种模式中，circuitscape连接一个焦点节点到大地，而所有剩余的焦点节点到1安培电流源。然后对每一个进程重复进程；如果有n个焦点节点，就会有n个计算结果。Circ

9、uitscape可以产生图展示电流密集度和每个节点或单元格的电压（以及在网络中的每一条线/处理器的电流）。另外，circuitscape写一个可以报告所有在成对的模式成对的焦点节点的有效阻力，以及在每一个节点之间和大地在一对多模式。在多对一模式下阻力不被定义，因此一个写入零的文件暗示着成功的解决。网络数据的分析说明对于网路数据类型来说，任何的节点可以通过处理器与任何其他的节点相连接；图5例子网络。这个网络将被输入为一个文本清单具体说明在每一对相连的节点的阻力。对于成对的分析来说，我们也会提供一个我们想运行计算的焦点节点的一个清单（包括至少两个节点数，至多五个，是在电路中的节点数量）。图6在成对

10、的模式中，circuitscape将会迭代运算在一个焦点节点清单中所有成对的节点。如果节点0和节点4在焦点节点清单中，那么迭代中一个将会向上述一样，用一个1安培的电流源连接一个节点，另一个节点接地。电流将会流经网络从源到大地。分支电流，节点电流，节点电压和成对节点间的有效阻力会被写入每一个迭代中。更复杂的会被加到高级的模式中运行，这种模式允许所有的源和大地被自发地激活。例如，我们可以通过增加一个在零节点的单独的修改过的源和增加许多的赋予了不同的阻力值的大地的方法来改进上述电路。电流源和大地在独立的文件中。图7在高级的模式中，任何的节点可以与一个电流源或者与大地相连，或者直接后者通过处理器与任何

11、的值（顶面板）。电流通过多有的节点和线可以被计算（底面板），每一个节点的电压也可以被计算。上述的电路都是来源于McRae（2008）.图7电流计算没有看懂。栅格数据的分析说明阻力或者电导率的栅格栅格数据给了每一个单元格阻力值或者电导率焦点节点或者区域短电路区域图8例子的对于成对的、一对多的、多对一模式的栅格图输入文件。这些例子中的输入文件包括一个阻力图特定说明每个单元格的阻力值和电导率，一个焦点节点位置文件（在这种情况有两个焦点区域和一个焦点点），和一个可选择的短电路的区域图。焦点区域和短电路区域代表零阻力值的区域。有着相同区域ID的单元格被认为是完美的连接并且被瓦解进一个单独的节点，即使他们

12、不连续。图9图解的描述成对的模式的分析将会由展示在图8中输入文件造成。三种成对的计算，包括焦点节点1和2，节点1和3，和节点2和3，将会产生。对于每一对来说，一个节点会被连接到一个1安培的电流源，另一个连接到大地。注明焦点区域节点变成短电路区域当他们被激活时（例如在情景1中的节点1），但是当这些节点没有被激活时这些区域不会呈现（例如情景3中的节点1）.图10图解的描述一对多模式的分析由图8中的输入文件展示的。这些计算，包括焦点节点1，2，3会被产生。对于每一个来说，一个节点会被连接到一个1安培的电流源，另两个会被连接到大地。多对一模式也相似，就是箭头方向相反而已。也就是一个节点与大地相连，剩下

13、的节点与1安培的电流源相连。图11在高级的模式中的例子栅格图输入文件。这种模式要求独立的电流源和大地文件。注明在这个例子中的电流源有不同的长度，并且大地节点被连接到有不同等级阻力值的。这个例子也包括一个带有五个短电路区域的可选择的栅格。图12前两个面板展示了图11中的输入文件造成的有效的布局。由于电流源C和大地D和E与短电路区域部分重叠，这些短电路区域有效地成为源或者大地本身。最右边的面板展示了一个结果分析的图示，在图示中所有的源（白点和多边形）和大地（黑点和多边形）都被自发的激活。注明源可能是消极的（绘制在系统之外的电流），并且大地节点可以实质上贡献电流给系统当消极源呈现时。3、安装circ

14、uitscapeWindows和Mac操作系统可执行的（对于大多数用户）下载和运行适当的安装包（32位还是64位的取决于你的操作系统）。这将安装circuitscape并且创建一个“例子”的目录在安装目录下，带例子的输入文件。Mac用户应该单独下载这个目录。ArcGIS工具盒（仅Windows可用）如果你有arcgis10.0或者稍后的版本，你可以下载和安装从circuitscape官网上下载为arcgis的工具盒。照着在压缩包里的安装说明来安装。安装circuitscape作为一个python包Linux4.使用带有图表用户界面的circuitscape使用Windows运行用户界面，就像你

15、运行其他的任何程序一样运行circuitscape。在介绍部分以上的用户界面都会出现。步骤一：选择你的输入数据类型第一步就是选择你是分析网络还是栅格数据步骤2：选择一个建模方式正如上面描述的，circuitscape将会以四种模型中的一种运行。成对的和高级的模式对于栅格和网络数据类型都是可用的。一对多和多对一模式只对栅格数据可行。光栅阻力图或者网络/图表阻力文件特定说明了在景观中的每一个单元格的能力或网格中线的负载电流。文件格式将会在下面的输入文件格式部分介绍。数据代表导电率而不是电阻大多数的用户编码他们的网络或者光栅阻力（值越大意味着越大的移动阻力）数据，这在连接度建模中是很常见的。如果你想

16、指定电导率就检查这个盒（电导率是相互阻力；值越大说明移动越简单）。注意零和有限值（电导率和阻力值）代表特殊的情况。有限的阻力被编码作为NODATA值在输入的阻力网格，或者是零或NODATA在输入的电导率网格中；这些被当作完全的障碍，并且与其他所有单元格都不相连。对于光栅分析，有零阻力（有限电导率值）单元格会被用一个单独的短电路区域文件特别注明正如下面描述的。成对的，一对多，多对一的模式选项焦点节点的位置和数据类型文件特别指定了在有效阻力和要被计算的电流之间的节点的位置（看图6和9）。每一个焦点节点应该有一个独特的积极的整数ID。文件可能是指定坐标或合适的栅格格式的文本列表。当一个网格被使用的时

17、候，一定会有相同的单元格尺寸和面积作为阻力网格。被储存在每一个网格单元格位置的值指的是焦点节点的ID。不包含焦点节点的单元格应该被编码成NODATA值。当一个文本被使用，值域引用焦点节点ID。在例子目录里的例子可以在circuitscape下载页中找到。对于栅格分析，焦点节点可能发生在点（在阻力网格上的单个的单元格）上或者穿过区域（图8）。对于后期的，一个单独的ID会占用一个网格中的超过一个单元格或超过一对在一个文本列表的坐标。在一个单独区域的单元格们随后会被分解成单个的节点，当短电路区域文件被使用的时候（见下面）。不同就是一个焦点区域将会被曝光在阻力网格但仅针对包括焦点节点的成对的计算。当用

18、短电路区域时，焦点区域不需要由连续的单元格组成。对于大的网格或者大量的焦点节点，焦点区域可能要求更多的计算时间。当计算阻力或者大栅格网格并且不做电压电流图时，教点点会运行的更快。要用的平行处理器的数量在MacOSX和LINUX系统中，circuitscape可以迭代运算在平行的对于成对的模式当焦点点，不是焦点区域，被使用的时候。高级的模式选项电流资源文件这个文件特别指定电流资源的位置和长度。栅格或者文本列表可能被使用。栅格一定会有相同的单元格尺寸，规划，和面积作为阻力网格，不包含电流源的单元格应该被编码为NODATA值。注意：电流源可能是积极的或者消极的（他们可能把电流源注入网格或者把电流弄出

19、来）。相似的，大地可能让电流下沉或者贡献电流如果是网格中的消极电流源）。例子在例子的目录里。大地点文件这个文件特别指定大地节点的位置和连接到大地的电阻器的阻力值和电导率（图7和图11）。栅格图或文本列表可能被用到。栅格图一定有相同的单元格尺寸、规划和面积作为一个阻力网格，和不包含大地的单元格应该被编码为NODATA值。注意如果一个直接的（电阻为零）大地连接与一个电流源相冲突，大地将会被移开除非在选项窗口中的移动源选项被选择了。例子的大地输入文件在例子目录中。数据代表电导率而不是大地电阻默认值（没有检查的）设置是为了指定大地的阻力值。检查这个盒意味着你的大地点文件特别指定与大地的连接在电导率方面

20、。为了直接将单元格与大地连接，使用阻力值为数据类型并且设置在相符的大地点文件的值为零。输出选项基础输出文件名选择一个目录路径和输出文件的基础文件名。电阻，电流图，电压图，和配置文件（是保存用户界面设置和有一个.ini的扩展名）都会用这个基本名，伴随着合适的后缀和扩展名）。做电流图当被检查，电流图将会被产生（在成对的模式下的每一对的焦点节点或在高级的模式下的特定的电流源和大地配置）。电流图作为初始的输入文件有相同的大小尺寸，在每一个节点的值代表着流经节点的电流数量。在成对的模式下，一个电流图文件将会为每一对焦点节点产生，并且一个累积的（附加的）文件也会被写出来。（注意对于一对给定的焦点节点，电流

21、图是相同的不管节点是源还是大地由于对称性）。对于高级的建模方式，一个单独的图将会被展示每一个取自输入文件中电流源和大地结构单元格的电流密集度。这些文件可以在GIS中展示像图13一样。这样的图可以被用来认证对于焦点节点间的连接度的贡献最多的区域。图13电流图过去被用于为山里狮群预测重要的在核心栖息地斑块（绿色的多边形焦点区域）之间的连接区域。更暖的颜色暗示有更高电流密集度的区域。窄点（扭点），或者连接度最稀薄的区域被展示为黄色。分位数分类方案或“直方图均衡化”延伸趋向于对于电流图工作很好当使用arcgis时。做电压图对于成对的建模方式来说，电压图给了节点的电压。如果一个节点被连接到一个1安培的电

22、流源而另一个连接到大地那么每一对焦点节点都可以被观察到节点电压。对于高级的建模方式来说，电压图展示了输入文件的电流源和大地结构的每一个单元格的电压图。文件菜单文件加载从上一次运行的设置“运行”按钮被点击时自动加载上一次保存的设置。文件加载文件的设置允许用户浏览最近保存的设置的以.ini为扩展名的配置文件。这些可以包括自动保存在用户特定的输出目录的设置中。文件保存设置允许用户保存他们已经进入的用户界面的设置为了未来的检索作为一个以.ini为扩展名的配置文件。这个选项对于在成批处理模式的使用的创造运行配置很有用。文件验证编码允许用户验证他们的安装正在正常工作。在“验证”目录下的数据设置将被使用，有

23、效的阻力和电流图会被用已知的正确的值检查。如果验证失败，看Windows的日志细节。文件以分批处理模式运行使用分批处理模式，你可以特定任何要运行的结构数量通过运行.ini的配置文件（保存在一个单独的目录下）。这会对运行大量的分析十分有用。配置文件可以在用户界面被创造，被保存在“保存设置”下面，并且可以用标准的文本编辑器修改。选项窗口图14.这个选项窗口可以进入很少-频繁-用过的选项。通过菜单栏进入这个窗口，可以点击选项更多设置输入计算选项连接栅格单元格与周围的四个而不是周围的八个对于栅格操作来说，circuitscape通过连接单元格与周边四个或八个直接的邻近的来创造一个图表（网络）。默认值是

24、八（四个直接的和四个对角线的邻近的）。但是如果你想把单元格只与四个基本的邻近的相连就要检查这个框。使用平均的电导率而不是单元格之间的连接阻力。对于栅格处理来说，这个选项决定单元格通过平均阻力相连还是通过平均电导率相连。大多数的用户会想要默认值（未检查的）区别是当把单元格与零值或有限值连接时尤其重要。当平均阻力被使用时，第一顺序的被有电阻的电阻器相连的邻近的被通过Rab=(Ra+Rb)/2赋值，第二顺序（对角线的）邻近的被带电阻的电阻器相连的被通过Rab=sqrt(2)*(Ra+Rb)/2赋值，Ra和Rb是邻近的单元格的电阻值。当平均的电导率被使用时，第一顺序的邻近的被带有电导率（相互的电阻）的

25、电阻器点相连被通过Gab=(Ga+Gb)/2赋值，并且第二顺序的（对角线的）邻近地，Ga和Gb是邻近的单元格的电导率。（像上面提到的，电阻值和电导率是相互的倒数Gab=1/Rab）可能的时候预先释放内存如果你正在遭遇内存错误这个选项可能帮助释放一些内存。将可能造成更少的执行的次数。成对的模式：以低内存模式运行对于栅格处理来说，这个选项将会使用更少的内存在成对的模式下当焦点节点（不是区域）被使用，但是也会运行的稍微慢一点。高级的模式：对所有的电流源使用联合的电流（i=1）所有的电流源将被设置成为1安培，不管特定在电流源输入文件的值。高级的模式：对所有的大地点使用直接连接到电阻值为零的大地所有的大

26、地单元格将被直接连接到大地，不管特定在输入大地文件的值。高级的模式：当一个源和大地在相同的节点：无论什么时候一个单元格与一个电流源和大地相连，这个选项将决定是否这个源被移动，大地被移动，都被移动，或都保留。对于后期的来说，如果一个源被直接与大地（零电阻值）相连，大地连接会被移动。图选项写最大电流图在成对的、一对多和多对一的模式，电流图被做出为每一个迭代。通过默认值，circuiscape将也写一个积累图展示景观所有迭代的每一个节点或网格单元格的值的和。如果这个选项被检查，一个额外的展示经过迭代的每一个节点或单元格的最大电流值的图。写积累的最大的电流图仅仅流经每一对焦点节点（或一对多和多对一模式

27、的每一个焦点节点）的电流图会被计算，但只有一个从所有计算结果的电流的和的图（如果那个选项被选了还会有一个最大值的图）会被写进盘。压缩输出的网格输出ASCII网格被用gzip文件格式自动压缩。当许多的大图被写的时候这个会非常有用。对数变换的电流图在输出电流图的值将反映一个电流密集度的log10的对数变换，对于在一些GIS包中可视化他们很有用。零电流的单元格会被重新编码为NODATA值。设置焦点节点电流为零当以成对的模式、多对一和一对多模式运行栅格数据时，焦点节点将会有零电流在输出图中当他们被激活时。对成对的模式来说，累计图会仍然展示流经由其他对被激活造成的焦点区域的电流。这帮助显示流经一个焦点区

28、域的电流当它在积累电流图其他焦点区域之间移动。电流流经一个焦点区域可以给一个焦点区域连接其他成对焦点区域的重要性的观点。（看图5）可供选择的输入文件读取光栅文件当被检查，一个对话会开启去选择一个光栅文件。带有消极的、零或者NODATA值的单元格将会从相关的阻力图（被当作完全的障碍）减少。正整数单元格会被保留。文件应该只包含整数并且在栅格格式。看在例子目录的“mask.asc”例子文件。加载一个栅格短电路区域图短电路区域作为零电阻区域，至关重要地提供当流经景观时被给予自由通道的电流的斑块。每一个短电路区域应该有一个独特的正整数标识符；在每一个区域的单元格被合并为一个单独的节点。不是短电路的区域应

29、该被储存为NODATA值。文件一定有相同的单元格尺寸和面积作为阻力单元格。一对多和多对一模式：读取源长度文件当被检查时，一个日志就会开放去选择一个焦点文件ID的文本列表和相关的源长度。对于在列表中的任何焦点节点，注入到节点（当是一个源节点）的电流数量将会被特意规定成列表规定的。所有的不在列表中的节点会默认值成为1安培。这应该是相同的文件格式作为文本列表文件格式（下面会给出），但是有两个支柱。文件应该有一个.txt的扩展名。看例子目录中的“source-strength-list-txt”例子文件。读取包含/不包含成对的焦点节点的文件这个选项允许用户只执行成对的焦点节点的一个子集的计算。用户可以

30、识别包含成对的计算，或成对的排除在外，在文件的第一行特意规定。这影响除高级的模式之外的所有模式。文件应该是栏标定界的有.txt扩展名的文本。看规定的格式的信息在下面的输入文件格式部分。日志窗口等级默认值等级发送一个合适数量的信息在程序前进到终端窗口。DEBUG（调试）会给更多，其他选项给更少。日志完成次数写操作名和到终端的窗口完成次数发送到日志文件打印到屏幕的信息将也被保存在输出目录的日志文件5.使用ARCGIS工具盒circuitscape（只针对窗口）ARCGIS工具盒可以促进栅格circuitscape分析。它允许你运circuitscape从arcmap和arcactalog，使用美国

31、环境研究所的网格或栅格文件地理信息作为输入文件（不需要引进到ASCII）。工具盒选项符合上述描述的用户独立界面。工具盒也有实用程序转化外形文件和功能为栅格焦点节点文件。你一定有可执行的circuitscape安装去使用工具盒。6.从命令行运行circuitscape在LINUX机器上，circuitscape从命令行被运行。在其他的平台，从命令行运行是有用的当从不同脚本或外部程序呼出不同的circuitscape。Circuitscape被从命令行还是图表的用户界面呼出，设置被通过过去保持circuitscape模型使用一个配置文件。这个配置文件有一个.ini扩展名，并且可以被创造和保存用户界

32、面。文件也可以被直接编辑在一个标准的文本编辑器中。我们还没有每一个设置的文件，但如果你保存了一些不同的从用户界面的配置和编辑.ini的结果文件，你可以迅速得到在界面中的哪个选项与哪个设置相关的窍门。在Windows机器上，可执行的命令行可以用下面的命令呼出：cs_run.execonfigfileconfigfile是配置文件名（如果文件在一个不同的目录就是路径）。你将需要从安装目录呼出circuitscape或提供到cs_run.exe的完整的路径。7.从其他程序呼出circuitscapeCircuitscape可以从外部程序和脚本调出去做栅格和网络的计算并返回结果。它从一个配置文件（可以手动创造或从用户界面保存）读取用户设置。如果外部程序可以与python包相连，然后当circuitscape被作为一个python包安装时circuitscap