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托尼尼，F.和J.刘。2017。遥耦合工具箱:用于研究遥耦合的人类和自然系统的空间显式工具。生态和社会22(4): 11。
https://doi.org/10.5751/ES-09696-220411
遥耦合工具箱:用于研究遥耦合的人类和自然系统的空间显式工具
摘要
遥耦合是一个全新的跨学科综合概念，它使自然和社会科学家能够理解和生成信息，以管理人类和自然如何在世界范围内可持续共存。遥耦合框架的独特之处在于，它使研究人员能够深入研究系统的复杂性，即使系统之间相距遥远。它还雄心勃勃地要迎接不受纪律束缚的挑战。为了理解影响地方到全球范围内可持续性的力量，有必要建立一套全面的空间显式工具，用于描述和量化跨距离的多重社会经济和环境相互作用。我们将介绍遥耦合工具箱，这是开发的第一套工具，用于映射和识别遥耦合框架的五个主要相关组件:系统、流程、代理、原因和结果。工具箱的模块化设计使现有工具和软件得以集成，以评估与政策和其他地方到全球干预措施相关的协同作用和权衡。我们通过使用两个具有代表性的远程耦合案例研究来展示工具箱的应用程序，这些案例研究解决了各种社会经济和环境问题。结果表明，该工具箱可以系统地映射和量化不同上下文下的多个遥耦，同时为用户提供一个易于使用的界面。我们希望这个创新的、免费的、开源的工具箱能够为解决诸如土地利用和土地覆盖变化、物种入侵、移民、生态系统服务流动以及商品和产品贸易等全球性重要问题提供一个有用的平台。介绍
在整个20世纪和21世纪，世界经历了重大变化，人类和自然系统之间的远距离互动不断增加，经常导致意想不到的结果，对可持续性产生深远影响(Reid et al. 2010)。这些增加的相互作用是全球化和人口扩张的直接后果。外来物种的传播、贸易交流和技术转让比以往任何时候都发生得更快、更占优势(Liu et al. 2013一个)．随着全球贸易的增加，过去由当地资源(如水和食物)满足的几种基本生存需求正日益外包(Kastner等人，2011年，Konar等人，2011年)。尽管人类与自然系统之间日益增加的远距离相互作用和反馈可能在多个空间尺度(如景观、区域、全球)上产生巨大的社会经济和环境影响，但科学研究往往只关注社会经济或环境相互作用，因此难以充分反映现实世界中发生的事情。例如，传统的国际贸易研究专注于贸易伙伴之间的社会经济互动，并将环境影响的研究分离开来(Liu et al. 2013一个)．全球人类与自然耦合系统(CHANS)的复杂性已不能孤立地完全理解。这样的全球性挑战需要整合来自不同地理位置和不同学科的研究，才能得到充分理解。
近年来，人们引入了遥耦合的概念框架，为系统研究提供了一种急需的综合方法，该方法明确地考察了跨距离耦合的人类和自然系统之间的社会经济和环境相互作用(Liu等人，2013一个, 2015年一个)．遥耦合框架由五个相互关联的主要组成部分组成:耦合的人类和自然系统;系统之间的物质、信息和能量的流动;促进流动的代理;驱动流的原因;以及流动产生的影响。流动的方向决定了一个系统是否可以被视为输出系统(如出口国)、接收系统(如进口国)或溢出系统(如受出口国和进口国之间贸易影响的国家)。溢出系统是指那些对发送系统和接收系统之间的相互作用有影响或受其影响的系统。
人们对远耦合框架的兴趣日益增加，导致了在一些重要问题上的应用，如土地变化科学(Eakin等人，2014,Liu等人，2014,Sun等人，2017)、食品贸易(Garrett等人，2013)、林产品贸易(Liu 2014)、能源和虚拟水贸易(Liu等人，2015)b， Fang等人，2016)、水转移(Deines等人，2015,Yang等人，2016)、物种入侵(Liu等人，2014)、生态系统服务项目支付(Liu和Yang 2013)、物种迁移(Hulina等人，2017)、外国投资(Yang等人，2016)和保护(Carter等人，2014,Gasparri等人，Wang和Liu 2016)。正如框架是一种看待事物的新方法，对遥耦合的研究需要新的工具，为研究人员提供一种方法来探索遥耦合的复杂性，从而产生新的见解。然而，对遥耦合框架进行系统操作化的工具是缺乏的。为了解决这一重要差距，并帮助系统地研究遥耦合和操作遥耦合框架，我们开发了第一套软件工具，全面描述和量化多重相互的跨距离社会经济和环境相互作用。我们将概述远程耦合工具箱的功能和结构，以及两个示例应用程序。
工具箱函数
远程耦合工具箱是为来自许多学科的广泛用户以及对将远程耦合框架应用于各种问题(例如，农业生产和贸易、生态系统服务项目的支付或保护补贴、旅游、入侵物种的传播、野生动物迁移)感兴趣的公共和私营部门的用户设计的。作为电子工具(基于计算机或基于web的应用程序，旨在使特定的任务更容易)，工具箱提供了一个单一的、集成的环境，以帮助用户在任何空间尺度上绘制系统、代理和流程，同时提供描述性和定量工具，以更好地理解从包裹到地球的尺度上的远程耦合的主导因素和不同的社会经济和环境影响。
远程耦合工具箱具有许多主要特征(表1)。最基本的方面之一是每个工具箱组件的空间显式特性。工具箱是在地理信息系统(GIS)环境中开发的，以说明框架的五个主要组成部分(系统、代理、流程、原因、结果)的空间位置。在某些情况下，空间位置可以代表一个更大的行政区域(例如，质心)，或者可以识别被映射对象的实际地理位置(例如，建筑物、道路、公园)。正确定义的空间位置对于在真实的地理环境中可视化物体和实体是必要的，同时允许用户在分析跨边界交互耦合的人类和自然系统时考虑空间距离。
该工具箱被设计成多标量的，这是一个必要的特性，以适应不同类型的遥耦合应用程序和每个用户的需求。这在映射和分析从局部到全局尺度的遥耦合框架组件时提供了更大的灵活性。例如，受数据可用性和分辨率限制的用户仍然可以使用工具箱在研究问题确定的规模上描述兴趣(如旅游)的遥耦合。在某些情况下，工具箱中的特定工具以预定的空间分辨率工作，从而指导用户在所需的规模上收集和组织数据。
通过设计，工具箱可以扩展到尽可能多的工具，以全面描述广泛的遥耦合过程，并量化多种社会经济和环境影响。例如，描述和量化旅游业所需的工具可能与描述食品贸易或跨区域动物迁徙所需的工具截然不同。定制工具可以与现有的第三方工具一起开发。整合现有工具和软件(例如，InVEST [Sharp et al. 2016])可以帮助评估与政策和其他从地方到全球干预措施相关的协同效应和权衡，从而回答如下问题:商品、信息和生态系统服务在哪里产生，在哪里消费?保护补贴计划如何影响人口、野生动物栖息地质量、水质和娱乐活动?气候变化和人口扩张beplay竞技将如何影响自然环境和生物多样性?造成货物、信息或生态系统服务在发送区和接收区之间流动的主要因素是什么?增加当地生态旅游的投资将如何影响自然环境并使当地居民受益?
遥耦合工具箱的另一个重要特征是它的模块化。遵循通用的良好软件开发实践，工具箱被细分为更小的逻辑模块，这些模块映射、描述或量化遥耦合框架所需的组件，以满足不同的用户需求。每个模块可以独立运行，也可以与其他工具按顺序逻辑顺序运行;例如，输出文件需要作为不同工具的输入。
GIS软件中所有可用的功能，如平移、缩放或选择感兴趣的位置，使工具箱具有交互性。交互性变得非常重要，不仅可以从整体上改善用户体验，而且还可以确保在相关应用程序的正确空间尺度上映射和可视化遥耦合框架的组件。例如，当在全球的多个尺度下工作时，在为研究中涉及的所有对象和实体分配真正的空间位置之前，用户能够放大和缩小所需的区域是很重要的。此外，该工具箱还包括一些工具，可以让用户直接与映射环境交互。
为了提高透明度和激发来自不同领域的用户之间的合作，用于开发远程耦合工具箱的所有源代码、示例数据和文档都是免费的，并托管在一个公共在线存储库中:https://msu-csis.github.io/telecoupling-toolbox/．
工具箱结构
远程耦合工具箱是在ESRI的ArcGIS软件(ESRI 2016)中作为自定义工具箱开发的，在撰写本文时，与10.3.1或更高版本兼容。在ArcGIS中，地理处理工具和脚本工具被分组到工具集中，然后被收集到工具箱中。工具箱由五个嵌套的工具集组成，对应于远程耦合框架的每个组件(图1)。在每个工具集中，我们用Python (van Rossum 2016)或R (R Core Team 2016)开发了几个脚本工具，以完成特定的任务，如在地图上定量或定量地显示和描述多个耦合的人类-自然系统及其交互。
系统工具集
Systems工具集包含定制脚本工具，用于映射和可视化所关心的遥耦合中相互连接的所有区域的地理位置。系统分为发送、接收和溢出。可用的工具允许用户以交互方式将所需数量的系统以及它们的定义和名称添加到映射中，或者从磁盘上的本地文件绘制它们，以表格格式列出所有系统及其属性(包括XY坐标)。每个系统都被分配了一个自定义的符号和一个永久的空间位置，以后可以与任何直接或间接涉及它们的分析工具一起使用。
代理工具集
Agents工具集包含脚本工具，用于绘制和可视化所有实体(如人、家庭、组织)的地理位置，以促进货物、信息或生态系统服务在发送和接收系统之间的流动。与Systems工具集一样，可用的工具让用户可以选择是交互式地向映射添加代理，还是从磁盘上的本地文件上传代理，以表格格式存储代理及其属性。每个代理都被分配了一个自定义的符号和一个永久的空间位置，类似于遥耦合系统，以后可以与任何直接或间接涉及它们的分析工具或模型一起使用。例如，如果其中一个任务是运行检查代理的空间模式和特征的空间统计方法，或者，运行基于空间显式代理的模型，那么每个代理的空间位置将是一个需求。
流工具集
Flows工具集包含脚本工具，可以映射和可视化发送和接收系统之间的商品、信息或生态系统服务的空间流。由于流动的多样性，取决于在两个或多个地点之间转移的物理材料(如野生动物、商品、汽车、水)或虚拟材料(如能源、货币、知识、信息)，该工具集可以扩展到包含所需的尽可能多的工具，以准确表示它们。例如，通过飞机运输商品或野生动物极有可能遵循承运人采取的测地线路线飞越全球。这些类型的流称为径向流，使用脚本工具在地图上计算和绘制，脚本工具从磁盘上的本地文件读取出发地和目的地位置，以表格格式存储空间坐标和额外的数量属性(例如，运输的材料数量和/或货币支付)。其他类型的流动，例如由船只或道路车辆运输的材料，更适合于遵循某些类型的网络(例如，道路或溪流网络)的工具。最后，虚拟物质(如信息或货币)的转移由绘制径向流的工具表示，因为重要的是两个位置之间的空间距离，而不是在特定的网络上表示。新闻媒体和书籍和文章的出版极大地促进了关于某些主题的信息在全球的传播。一些在线门户，如LexisNexis®学术搜索引擎，使用户可以通过大型数据库搜索特定的术语或感兴趣的主题的学术出版物。对测绘信息流感兴趣的用户可以运行一个工具，该工具从LexisNexis数据库中的HTML报告文件中提取已发表文章、新闻或书籍的地理位置。flow工具集中包含的任何工具都意味着要表示所有这些不同类型的流，并且可以根据需要进行扩展。
导致工具集
原因工具集包含脚本工具，这些工具定性地描述或统计地评估导致发送和接收系统之间的商品、信息或生态系统服务流动的潜在因素。从统计学的角度来看，“原因”一词不应该与因果关系相混淆，因为只有精心设计的实验设计才能识别出感兴趣的被测变量的真正原因。从定性的角度来看，该工具集使用户有机会从一组预定义的潜在原因类别(例如，生态、经济、政治、技术)中选择，然后可以进一步口头描述这些原因，并将其放在与感兴趣的远耦合系统(例如，发送、接收、溢出)附近的空间位置相关的地图上。后者只是限定一些原因的一种简单方法，否则在没有任何实证数据集可分析的情况下是不可能描述这些原因的。如果存在这样的数据集，用户可以从许多量化统计方法中进行选择，如普通最小二乘(OLS)模型选择(Hutcheson 2011)或混合数据的因子分析(Hair et al. 2010)。这些工具旨在分离和识别与观察到的兴趣量相关的最重要的因素。例如，游客流向某一地区可能是由于一些社会经济或环境因素。调查的目的通常是记录大量的变量，这些变量可以用来分析，以确定潜在因素(定义其中特定共同特征的变量组)或最相关的变量，以解释观察到的游客访问率。
影响工具集
Effects工具集包含脚本工具，用于量化由发送系统和接收系统之间的货物、信息或生态系统服务流直接或间接造成的社会经济和环境影响。该工具集中包含的一些脚本工具是从零开始开发的，而其他工具则是从现有的ArcGIS地理处理工具中修改的，或者已经链接到外部第三方软件(例如InVEST)。在从零开始构建的工具中，用户可以估计环境影响，如估计的一氧化碳总量2通过遥耦合系统传输的所有物质流所产生的辐射。总金额将不仅受到承运人的旅行次数的影响，而且受到其类型和运载能力的影响。一辆较小的车辆可能需要多次往返运输接收系统所需的数量，但它也可以产生更少的CO2如果它比大的更节能。每个遥耦合系统的总成本和收入表示的经济效果可以使用成本效益分析工具来计算。该工具简单地将所有成本和收入相加，以计算每个系统的最终投资回报。通过使用这个工具，用户可以将每个货币回报与特定的地理位置联系起来，从而帮助探索收益和损失的空间模式。成本和收入的类型取决于所选的遥耦合的性质，但该工具可以灵活地适应这种情况。例如，旅游业涉及的成本和收入将不同于动物园之间、动物园与野生动物饲养中心之间或全球野生动物之间野生动物物种转移的成本和收入的类型和数量。ArcGIS的改良OLS回归工具可用于根据用户确定为遥耦合的潜在原因的一些选定因素(解释变量)来估计社会经济和环境影响。例如，如果将OLS模型选择工具与原因工具集中的OLS模型选择工具结合使用，OLS回归可以使用在统计上被认为在解释旅游访问率方面最重要的因素，并根据备选方案进行估计。
示例应用程序
背景
为了展示远程耦合工具箱的应用，我们选择了两个独立的远程耦合过程案例研究:卧龙自然保护区(中国)与世界其他地区之间的野生动物转移和旅游。保护区长2000公里2保护区位于中国西南部一个全球关注的生物多样性热点(Myers et al. 2000, Liu et al. 2003)内(卧龙自然保护区管理局1998)(图2)。
储备是一项长期研究人类和自然系统耦合研究网站(刘等人。1999年,一个et al ., 2006年出演Linderman et al . 2006年,七弦琴et al . 2008年,陈等人。2009年,2010年,Tuanmu et al . 2011年,杨et al . 2015年),和一些地区的结果已经应用于多个local-to-international级别(刘et al . 2003年,徐et al . 2006年,于2007年刘,Bawa et al . 2010年,刘2010年乌鸦,七弦琴et al . 2010年,布拉德伯里等。2014年,一个et al . 2014年)。
该保护区是世界闻名的大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)和超过6000种其他动植物物种(Liu et al. 2015一个)．该地区是一个耦合的人-自然系统，自然环境与约5000名当地居民相互作用(国家林业局，2006年)，他们的主要生计依赖于作物、牲畜和木材和非木材林产品的收集(Li et al. 1992)。以往的研究主要集中在这一领域，研究人-自然耦合系统(Liu et al. 1999, An et al. 2006, Linderman et al. 2006, Viña et al. 2008, Chen et al. 2009, 2010, Tuanmu et al. 2011, Yang et al. 2015)。卧龙自然保护区拥有野生自然环境和活跃的圈养繁殖中心，拥有世界上数量最多的大熊猫(超过200只)，自20世纪80年代初以来，卧龙自然保护区吸引了大量游客(Liu et al. 2015)一个，c)．与此同时，位于卧龙的中国大熊猫保护研究中心扩大了交换协议的数量，在较长时间内将大熊猫租借给全球动物园，其中包括支付费用(Liu et al. 2015 .)一个)．
数据集和工具
我们选择熊猫贷款和自然旅游作为案例研究，因为它们在卧龙自然保护区已经确立了突出地位，也因为它们的数据可用性。关于熊猫贷款的数据来自大熊猫登记(中国大熊猫保护研究中心2015)。关于借出给其他机构的熊猫数量的信息只能作为每年的总数。在旅游方面，来自世界各地的游客的数据来自2006年和2007年夏天在圈养繁殖中心进行的每日调查。该调查记录了一些社会经济和人口统计变量，试图描述来到保护区的游客(Liu et al. 2013 .)b)．在这两个案例研究中，为了说明远程耦合工具箱中特定脚本工具的使用，必须模拟一些缺失或不完整的数据。在两个案例研究中，系统、代理和流程工具集中使用相同的脚本工具来映射和描述这些遥耦合组件。
系统被映射为表示参与遥耦合的每个国家的质心的点，并根据它们的类别(发送、接收、溢出)进行符号表示。所有代理人，不论所代表的实体(例如，家庭、组织)，也都被映射为与其最佳已知位置相对应的空间坐标点。我们使用混合数据因子分析工具(原因工具集)描述了遥耦合的主要原因。尽管该工具可以应用于本文给出的两种案例研究，但我们只报告其在熊猫贷款例子中的结果。
与全球运输大熊猫相关的环境影响(例如CO2排放)和社会经济影响(例如，交换协议产生的损益)使用效应工具集中的工具进行估计(图3)。
具体来说，接收系统的成本来自于转移支付的费用、动物被转移到动物园后喂养所需的食物和运输费。与此同时，如果接收动物园的熊猫展览门票费用的信息可以获得，那么熊猫贷款的收入可能会被间接评估。另一方面，发送系统可能有更多的收入，而不仅仅是作为协议的一部分支付的费用，比如提高圈养繁殖中心的旅游费用。
在旅游业方面，我们关注的是负面的环境影响，比如野生大熊猫栖息地的潜在退化。对野生大熊猫栖息地的威胁包括建造的人类环境(例如，酒店、餐厅、游客休息区、房屋和道路)以及农田。即使森林地区是大熊猫赖以生存的主要环境(Tuanmu et al. 2011)，由于分区重新设计而导致的森林破碎化和与人工环境的接近，也会影响栖息地退化的风险。在本案例研究中，我们使用了1998年保护区的分区指定(Hull et al. 2011)，并评估了在当前的发展政策下，旅游业的增加是否对栖息地退化产生了间接影响。2009年，该保护区修改了分区标识，以加强野生大熊猫栖息地的保护。我们将这种修改后的重新划分作为一个场景，并测试了如果它在2001年到2007年之间实施，而不是旧的1998年分区，它是否会对栖息地退化产生影响。为了计算栖息地退化，我们使用了栖息地质量工具(Effects工具集)，该工具链接到等效的InVEST 3.3.1模型。对于每个InVEST模型使用的方程的验证和详细解释，我们邀请读者参考NatCap项目提供的官方文档(Sharp et al. 2016)。这一指标是一个在0到1之间的相对得分(相对于研究区域)，并取决于威胁对栖息地的影响，每个单元对景观的可达性水平(例如，分区限制)，每种土地覆盖类型对各种威胁的敏感性，以及所选集合中对熊猫栖息地的威胁水平。因此，栖息地退化可以被认为是所有上述威胁的加权平均值，将最大的威胁(如建筑)定为1级。 Cropland and primary roads were assigned threat levels of 0.5 and 0.7, respectively. Data on land cover for the nature reserve were available for years 2001 and 2007 (Liu et al. 2016), which encompassed a period when tourism in the reserve continually increased (Liu et al. 2015一个，c)．
结果
熊猫贷款
发送系统(卧龙自然保护区，作为一个整体，或圈养中心的实际位置，如果需要更多的空间精度)，接收系统(涉及熊猫租借的世界各地动物园)，以及一个外排系统(荷兰)，为爱丁堡动物园(苏格兰)的熊猫提供竹子(布朗2011年)，都使用系统工具集中的工具绘制(图4)。
参与或使熊猫贷款成为可能的个人和组织被认为是遥耦合过程中的“代理人”，并使用代理人工具集中的工具进行映射(图5)。发送系统中的代理人包括中国野生动物保护学会、国家林业局和卧龙自然保护区管理局。在接收系统中，中介由动物园的企业赞助商组成，他们为熊猫贷款提供资金。溢出系统中的代理人包括可能帮助谈判贷款的人，在发送或接收系统中为熊猫种植和运输竹子的人，或间接参与熊猫贷款的人。所有代理都被映射为XY坐标的点，使用关于所表示实体的确切位置的最佳可用信息。
熊猫贷款中涉及的流动用通过航空母舰运输野生动物来表示，并使用Flows工具集中的径向流动工具进行计算(图6)。在这种情况下，测地线很好地代表了流动，因为它们代表了地球表面任何两点之间的最短距离，这通常是飞机穿越全球的方式。从2000年到2010年，大熊猫从保护区运往其他动物园的数量有所增加，但更多的动物是在较短的距离(在中国境内)转移的，而不是在更远的国外地点。货币流动，例如在贷款协议之后支付的费用，则是相反的方向;也就是说，从接收系统到发送系统。据估计，每年每只熊猫的国际贷款约为100万美元(Liu et al. 2015一个)．
熊猫贷款背后的原因包括几个因素，比如对魅力十足的大熊猫的长期文化亲和力、研究目的的科学兴趣以及政治意愿。由于缺乏实证数据，我们模拟了一项假设调查的回答，就好像它已经提交给了熊猫贷款过程中涉及的一个样本。模拟变量包括两个(是-否)值，即远耦合系统是否具有政治利益、熊猫贷款的资金可获得性、熊猫的文化亲和力(1-10)和熊猫的最大可获得性。混合数据工具的因子分析结果表明，前三个维度解释了数据集中观察到的约85%的方差(表2)。
借出的熊猫数量、支付的费用(与熊猫数量成正比)、资金的可获得性以及对熊猫的文化亲和力都通常在第一个提取的维度中得到很好的表现，而熊猫的可获得性似乎定义了第二个维度(表3)。由于前两个维度的贡献很高，没有一个选择的变量在第三个维度中得到很好的定义。参与系统间熊猫贷款的政治意愿似乎更有助于定义第一个维度，同时帮助将远程耦合系统分离为两个不同的组(图7a)。
变量图(图7b)证实了表2中所示的每个变量与前两个提取维度之间的关联。单位圆上的定量变量图(图7c)说明了哪些定量变量彼此之间以及与前两个维度之间的相关性最大。借出的熊猫数量，以及资金可获得性和文化亲和力，都有助于解释第一个维度(如表2所示)，呈正相关关系表明，资金可获得性和熊猫亲和力有助于在系统之间借出更多的熊猫。同时，熊猫的可得性与上述变量正相关，但在因子分析中定义了一个单独的维度。
世界范围内的大熊猫运输会带来直接和间接的社会经济和环境影响。有限公司2排放不仅会影响发送和接收系统，还会影响可能在全球范围内反映的气候。的有限公司2排放工具估计并绘制出二氧化碳的含量2(图8)。假设使用波音777飞机运输，其排放约29公斤的CO2/公里，以及每次可携带一只动物乘坐同一架飞机，则CO的总量2排放到大气中的约520万公斤。
将成本和收入相加以计算整个远程耦合系统的投资净回报(图9)。荷兰是一个溢出系统，其收入来自销售爱丁堡动物园饲养大熊猫的竹子。
旅游
与卧龙自然保护区旅游相关的遥耦合系统、代理和流量使用与熊猫贷款相同的工具进行了绘制(图10)。在这起案件中，代理人被确定为四川省旅游局、四川省林业厅、卧龙管理局、卧龙管理局旅游局，以及多家投资公司(如鲁能信义有限公司)。为适应日益增长的旅游业，九寨沟风景区管理局在保护区开发了新的基础设施，以及所有直接或间接参与旅游相关活动(如工作、产品销售)的当地居民。
通常，溢出系统比发送或接收系统更难明确识别。在本案例中，我们代表了全球范围内支持旅游供应链产业的溢出区域(如北京、上海、成都等前往卧龙旅游路线沿线的中转站城市)，这些区域为游客提供服务。因此，根据游客的原始位置，某些系统既可以是发送系统，也可以是溢出系统。例如，如果游客来自成都，那么成都就是发送系统。如果从北京来的游客在成都停留接受服务，那么成都就是外溢系统。由于该工具将系统和代理映射并关联到一个永久的空间位置，因此用户可以放大/缩小到所需的空间范围，以确保所有组件都得到适当的可视化。与熊猫贷款类似，我们选择用测地线来表示游客流量，因为大多数运输都是通过航空母舰进行的。由于缺乏每个被调查游客的具体旅行天数的信息，流线被表示为多个星期的游客总数。大多数游客来自中国国内，但我们仍然可以看到来自世界各地的各种各样的来源国。根据调查记录，大多数中国游客来到卧龙自然保护区不仅是为了自然环境，也是为了避暑。
从2001年到2007年，大熊猫栖息地的退化在试验区和1998年起的缓冲区范围内既有增加也有减少(图11a)。具体来说，靠近穿过保护区的主干道最东角的地区，可能是由于扩大开发的存在，退化加剧。保护区中部/东北段有斑点的红色地区的退化程度也有所增加，部分原因是基础设施的新发展。然而，农田面积的减少可能导致了建筑区域附近栖息地退化的轻微减少。1998年核心分区(图11b)内的任何生境都是安全的，因为法律禁止发展。如果2009年的重划计划(图11d)在2001年至2007年期间实施，保护区西段将会有更多的地区免受退化的影响。然而，新的分区设计不会显著改变在保护区内中部和东北部已发展地区所观察到的生境退化的增减情况。
讨论
近年来，遥耦合的跨学科综合概念受到了越来越多的关注，因为它提供了一种综合方法，明确地研究了耦合的人类和自然系统之间跨距离的社会经济和环境相互作用。我们提出了遥耦合工具箱，一套新的空间显式软件工具，用于系统地操作(例如，描述和量化)遥耦合框架。通过使用GIS软件环境(如ESRI的ArcGIS)的现有功能和多标量可视化功能，我们的定制工具箱提供了一个单一的、集成的环境，以帮助用户从本地到全局尺度绘制系统、代理和流。此外，该工具箱还提供了描述性和定量工具，以确定原因并评估耦合的人类和自然系统的变化如何可能改变对人类和环境的收益和成本流动。虽然系统、代理和流程工具的开发主要是为了分配空间位置，并在相同的映射环境中可视化所有组件，但因果工具在量化耦合的人类和自然系统之间的多重社会经济和环境交互方面具有最大的潜力。我们的工具箱的附加价值之一是它的集成、模块化和可扩展的特性。我们不需要安装和单独运行其他第三方软件工具的独立版本来完成特定任务(例如，InVEST [Sharp et al. 2016]中的生态系统服务量化)，而是允许在同一个GIS环境中集成多个工具。此外，我们利用了新的R-bridge库(https://r-arcgis.github.io/)结合ArcGIS和R软件(R Core Team 2016)的强大功能来解决空间问题，并在需要的地方使用过多的统计工具来利用更复杂的分析任务。
远程耦合工具箱对于探索替代管理和气候情景的结果或评估重点领域和其他相互作用领域之间的权衡和反馈尤其有用。例如，由于遥远的粮食需求或自然环境(如气候)的变化而引起的一个地区的作物生产的变化，可能会通过碳排放、市场价格和对贸易链中所有合作伙伴收入的社会经济反馈，对全球气候产生影响。用户可以利用远程耦合工具箱更好地描述给定物质/能量流中涉及的整个系统和实体，同时考虑对任何受影响地点的社会经济和自然系统的多重影响和反馈。工具箱中的一些脚本工具可以帮助涉众决定在哪里最好地分配经济资源，以确保他们的投资是可持续的和安全的。尽管我们承认，在撰写本文时，工具箱中还没有了解更广泛的远程耦合过程(如国际贸易、物种入侵或动物迁徙)所需的几种工具，但我们正在针对这一目标进行稳步更新和改进。在其当前状态下，用户可以查看与手稿中所介绍的类似的遥耦合过程。，wildlife transfer (panda loan) and tourism—or others such as crop production, payments for conservation programs, and flows of information.
我们将这个工具箱应用到以卧龙自然保护区和世界其他地方为代表的人与自然的远程耦合系统中。在熊猫贷款和旅游的应用程序中，该工具箱用于映射和可视化相关系统、代理和流程。混合数据工具的因子分析等统计方法有助于描述促进大熊猫在卧龙自然保护区和全球动物园之间流动的潜在因素。虽然我们承认，真正的因果关系很难在观察性研究中确定，就像所提出的研究，但看看与兴趣流动相关的潜在因素是有用的。对于经验数据集不完整或缺失，从而无法从统计上确定潜在因素的情况，我们建议使用原因工具集中的交互工具，至少可以定性地描述它们。工具箱提供的样例数据不仅应该允许用户更好地理解和使用每个工具，而且还应该建议需要收集和编译哪种类型的经验数据(空间和非空间)。我们的目标不是覆盖所有可能的应用程序并在不同的空间尺度上构建多个数据集，而是让用户有足够的灵活性来选择他们喜欢的数据源并构建适合他们研究的数据集。对于我们演示的应用程序，我们依赖于现有的数据源，并从头估计或模拟一些值，以便运行该工具。在现实世界中，缺乏数据应该促使用户获取运行感兴趣的工具所需的信息，并获得对调整或执行社会环境政策更有意义的结果。
结果表明，目前有可能量化多重直接的社会经济和环境影响，如对交换协议的投资回报、生境退化和CO2排放。间接与遥耦合系统之间的流相关的间接效应和反馈更难评估或从其他因素中分离出来。例如，野生大熊猫栖息地的退化可能是由容纳游客所需的基础设施扩建间接造成的。在有相关实证数据的情况下，工具箱还可以估计间接效应和反馈。我们开发的空间显式工具集隐藏了运行在幕后的分析的全部复杂性，这应该有助于将用户的注意力集中在输入数据需求上，而不是使用的建模算法和计算。但是，这些信息仍然可以很容易地在工具箱提供的用户指南和教程手册中找到。为了方便一些工具输出的可视化，我们预定义了与之关联的自定义符号;例如，当表示遥耦系统类型或代理时。但是，用户可以完全控制GIS软件中的符号，这个组件是完全开放的，以适应每个输出(定量和定性)的不同需求和可视化偏好。
结论
我们报告的远程耦合工具箱及其第一组分析工具为操作远程耦合框架提供了一个有用而全面的平台，目前没有其他工具能够做到这一点。相互联系的世界正在经历巨大变化，人类和自然系统之间跨越尺度和边界的复杂相互作用和反馈比以往任何时候都更加突出。引入远程耦合框架是为了从概念上理解当今的超连接世界，并帮助实现可持续发展目标。遥耦合工具箱系统地映射并量化了遥耦合框架的五个主要相关组件:系统、流程、代理、原因和结果。通过模块化设计，该工具箱灵活集成了现有工具和软件，以评估与政策和其他干预措施相关的协同作用和权衡。案例研究的结果说明了工具箱的多种功能和易于使用的界面。该工具箱能够解决诸如土地利用和土地覆盖变化、物种入侵、移民、生态系统服务流动以及货物和产品贸易等全球重要问题。面对量化与这些全球重要问题相关的主要直接和间接原因和影响的复杂性，该工具箱为不同学科的自然和社会科学家、从业者和利益相关者提供了一种新的前进方式，以生成和使用集成信息，管理人类与自然如何可持续共存。
创新和开源的远程耦合工具箱也为将来扩大和放大工具箱提供了坚实的基础。当添加新的脚本工具或对现有工具进行修改以修复错误或改进其功能时，将定期发布远程耦合工具箱的更新版本和新版本。我们计划开发更多的定制工具(例如，增加其他远程耦合过程的模块，如移民、物种入侵、外国投资;量化多个远程连接之间的交互)，并包括额外的第三方工具，以增强同一集成GIS平台内用户可用的综合分析集。潜在的外部工具包括EnviroAtlas (Pickard等人，2015年)，帮助用户分析对人类福祉至关重要的生态系统商品和服务，以及类似于全球贸易分析项目(GTAP)开发的贸易模型(Aguiar等人，2016年)。虽然目前的工具箱是为ESRI的ArcGIS软件环境而开发的，因此仅限于微软Windows平台，但我们正计划同时过渡到基于web的应用程序。这种转变的主要好处是，将用户从安装几个必需的软件和库的麻烦中解放出来，同时通过一个更容易理解并在政府、企业和其他组织中广泛共享的界面吸引和连接更多的人。此外，基于web的应用程序可以为那些无法为其研究领域找到相关来源的用户提供一组标准化的共享空间数据层。我们相信这些新增的特性将有助于进一步扩展遥耦合工具的适用性并提高其性能。
致谢
我们非常感谢匿名审稿人对本文早期版本提出的建设性和有益的意见。远程耦合工具箱的开发和数据收集得到了国家科学基金会、NASA、NIH、密歇根州立大学和密歇根AgBioResearch的资助。我们感谢在工具箱中收集和管理数据的众多学生、博士后和其他合作者。
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