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    森林可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法研究

    2011-04-27 07:34:30邸雪穎王海淇
    森林防火 2011年2期
    關(guān)鍵詞:負(fù)荷量圓盤(pán)森林

    楊 光,黃 喬,盧 丹,邸雪穎,王海淇

    (東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150040)

    1 引言

    森林可燃物負(fù)荷量是估計(jì)林火行為指標(biāo)(林火蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰高度和能量釋放等)的重要的參數(shù)[1],掌握可燃物負(fù)荷量的動(dòng)態(tài)分布信息對(duì)于森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)、林火發(fā)生預(yù)報(bào)、林火行為預(yù)報(bào)具有重要意義[2-3]。關(guān)于可燃物負(fù)荷量的研究工作始于20世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)針對(duì)森林某個(gè)類(lèi)型進(jìn)行了可燃物負(fù)荷量地面調(diào)查的探索性研究[2]。20世紀(jì)40年代對(duì)于森林火險(xiǎn)的預(yù)報(bào)和管理的需求突顯,許多研究工作圍繞著預(yù)估可燃物負(fù)荷量和構(gòu)建火行為模型展開(kāi)[1]。20世紀(jì)60年代,開(kāi)始考慮林分因子,利用數(shù)學(xué)模型來(lái)推斷可燃物負(fù)荷量的研究[4]。20世紀(jì)70年代用時(shí)滯對(duì)可燃物進(jìn)行分類(lèi),從而為可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法研究注入了新的生機(jī)[5]。近年來(lái),隨著遙感數(shù)據(jù)估計(jì)林分因子精度關(guān)鍵問(wèn)題的進(jìn)一步解決,利用遙感技術(shù)來(lái)估測(cè)可燃物負(fù)荷量也成為研究的熱點(diǎn)[6-8]。然而由于森林群落的多樣性和復(fù)雜性,同時(shí)又存在著地域性差異,以及森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時(shí)間不同,從而導(dǎo)致了各種類(lèi)型可燃物負(fù)荷量不是固定不變的,是隨著各種相關(guān)因素的變化而變化[9-10],因此衍生出的調(diào)查方法種類(lèi)繁多、復(fù)雜,并且各種調(diào)查方法的結(jié)果準(zhǔn)確程度以及調(diào)查的難易程度也存在著較大差異。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法的研究進(jìn)展情況進(jìn)行綜述,可以對(duì)快速且準(zhǔn)確地掌握森林地被可燃物的負(fù)荷量動(dòng)態(tài)信息提供借鑒意見(jiàn),以便后續(xù)研究的開(kāi)展。

    2 可燃物負(fù)荷量的概念及其劃分

    2.1 可燃物負(fù)荷量的概念

    森林可燃物負(fù)荷量,也稱(chēng)森林可燃物載量,是指單位面積上可燃物的絕干重量,包括所有活的、死的有機(jī)物,單位是kg/m2或t/hm2[11]??扇嘉镓?fù)荷量計(jì)算公式由(1),(2)所示:

    式中:AMC為絕對(duì)含水率(%);WH為可燃物的濕重;WD為可燃物的干重;FMC為可燃物負(fù)荷量。

    2.2 可燃物負(fù)荷量的劃分

    可燃物負(fù)荷量的劃分方法主要有下面二種[12-13]:

    (1)根據(jù)可燃物載床各層對(duì)森林火災(zāi)的作用的差別,可燃物負(fù)荷量分為樹(shù)冠可燃物負(fù)荷量、死地被物負(fù)荷量和林下活地被物負(fù)荷量。

    (2)按照可燃物在實(shí)際特定林火中的燃燒性,可燃物負(fù)荷量又可分為總可燃物負(fù)荷量、潛在可燃物負(fù)荷量和有效可燃物負(fù)荷量。

    總可燃物負(fù)荷量,即從礦物土壤層以上,所有可以燃燒的有機(jī)質(zhì)總量;

    潛在可燃物負(fù)荷量,指在最大強(qiáng)度火燒中可以消耗的可燃物量,這是最大值,而實(shí)際上在森林火燒中燒掉的可燃物比它少得多;

    有效可燃物負(fù)荷量,是指在特定的條件下被燒掉的可燃物量,它比潛在可燃物負(fù)荷量少。

    3 可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法

    3.1 直接估測(cè)法

    直接估測(cè)法即通過(guò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員通過(guò)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)樣地內(nèi)可燃物負(fù)荷量,此法專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng),即使對(duì)于可燃物分類(lèi)理論基礎(chǔ)好且實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員,要想做到準(zhǔn)確直觀估測(cè)可燃物負(fù)荷量都是非常困難的,目前基本不用。

    3.2 標(biāo)準(zhǔn)地機(jī)械布點(diǎn)法

    標(biāo)準(zhǔn)地機(jī)械布點(diǎn)法通常選擇有代表性的可燃物類(lèi)型,布設(shè)樣地,記載樣地樹(shù)種組成、坡度、坡向等因子,具體測(cè)定分為如下兩個(gè)過(guò)程[1,9,13]:①外業(yè)調(diào)查:在每塊樣地內(nèi)對(duì)角線上機(jī)械設(shè)置幾塊小樣方,對(duì)每個(gè)小樣方內(nèi)不同種類(lèi)可燃物進(jìn)行采集,野外稱(chēng)重;②內(nèi)業(yè)計(jì)算:將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干,求每個(gè)樣方內(nèi)不同種類(lèi)可燃物的含水率,并換算成可燃物負(fù)荷量。標(biāo)準(zhǔn)地機(jī)械布點(diǎn)法通過(guò)地面調(diào)查可獲得艱難地段數(shù)據(jù)資料,可以比較準(zhǔn)確地獲得負(fù)荷量信息,在實(shí)際的調(diào)查中得到了很好的應(yīng)用,由于是人為測(cè)量,存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)而且數(shù)據(jù)獲取工作量大的問(wèn)題,此法可以在樣地?cái)?shù)量較少的研究或地面驗(yàn)證中使用[8],不適合大范圍作業(yè)以及發(fā)生火災(zāi)后快速調(diào)查。

    3.3 樣線截面法

    樣線截面法(planar intersection technique)具體測(cè)定可以概括為如下幾個(gè)過(guò)程[1]:①選擇代表性的可燃物類(lèi)型;②在布設(shè)的樣地內(nèi)打出若干條平行樣線;③確定樣線方位;④查算枝條與樣線交叉點(diǎn)數(shù);⑤根據(jù)查找參數(shù)推算可燃物負(fù)荷量。此法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,操作簡(jiǎn)單,野外不需稱(chēng)重,計(jì)算方便,缺點(diǎn)是只適用于地表枯死可燃物調(diào)查。目前此法在美國(guó)的可燃物負(fù)荷量調(diào)查中較常使用,在我國(guó)引用較少,如需引用,需適當(dāng)進(jìn)行改進(jìn)。

    3.4 模型推測(cè)法

    模型預(yù)估法是將可燃物負(fù)荷量作為獨(dú)立因子與林分因子進(jìn)行相關(guān)分析,對(duì)不同種類(lèi)的可燃物負(fù)荷量與相關(guān)性顯著的因子進(jìn)行回歸分析,建立數(shù)學(xué)模型,從而通過(guò)林分因子推測(cè)可燃物負(fù)荷量。此法在國(guó)外起步較早,Olson導(dǎo)出了計(jì)算細(xì)小可燃物負(fù)荷量的公式,成為自然條件下對(duì)細(xì)小可燃物量化的第一人[4]。Rothermel和FhiPot提出了可燃物動(dòng)態(tài)模型,使人為估計(jì)可燃物負(fù)荷量更精確[14]。Brender等提出火炬松人工林中地被物負(fù)荷量公式。Brown對(duì)林分中小徑木、灌木和草本的負(fù)荷量進(jìn)行了估測(cè)[15]。Vanvilgen建立了灌木總負(fù)荷量、灌木大枝負(fù)荷量隨灌木直徑變化的數(shù)學(xué)模型。Raison等對(duì)桉樹(shù)屬6種可燃物類(lèi)型做了研究,建立了細(xì)小可燃物負(fù)荷量的動(dòng)態(tài)模型。Conroy在Olson的模型基礎(chǔ)上對(duì)悉尼植物類(lèi)型的可燃物負(fù)荷量進(jìn)行了預(yù)測(cè),導(dǎo)出了估測(cè)可燃物負(fù)荷量的公式[3]。在國(guó)內(nèi),許多學(xué)者也做了相關(guān)研究,邸雪穎等研究了大興安嶺樟子松林和落葉松林地表可燃物生物量與林分因子的關(guān)系,采用一元和多元回歸的方法,建立了利用林分因子估算1 h、10 h、100 h時(shí)滯的地表可燃物數(shù)量模型[11]。劉曉東等利用回歸分析方法建立了大興安嶺興安落葉松林的易燃物負(fù)荷量和總可燃物負(fù)荷量模型[16]。袁春明等利用林分因子,采用多元回歸的方法建立了低山丘陵馬尾松人工幼齡林及中齡林可燃物類(lèi)型的可燃物負(fù)荷量模型[17]。鄧湘雯等采用多模型選優(yōu)的方法,分別建立了不同組分可燃物負(fù)荷量預(yù)測(cè)模型[14]。張國(guó)防等應(yīng)用回歸分析法,建立了福建省杉檫混交林地表可燃物負(fù)荷量與郁閉度、樹(shù)高、林分平均年齡等主要林分因子動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[18]。單延龍等采用向后逐步線性回歸的方法,利用數(shù)學(xué)模型對(duì)大興安嶺地區(qū)樟子松林地表的各類(lèi)可燃物負(fù)荷量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[19]。由于林分因子調(diào)查方便,可以從森林資源檔案直接查到,因此模型預(yù)估法為可燃物負(fù)荷量計(jì)算提供了一個(gè)簡(jiǎn)便快捷可行的算法。但是目前建立的模型多為線性回歸,數(shù)學(xué)線性模型不一定適合所有情況,存在一定的片面性,目前大多數(shù)模型建立方面僅選擇某一地區(qū)或者單一可燃物類(lèi)型建立可燃物負(fù)荷量模型,同一可燃物模型不同地區(qū)的模擬精度有待進(jìn)一步驗(yàn)證,另外這種方法預(yù)估的可燃物負(fù)荷量專(zhuān)業(yè)化比較強(qiáng),非專(zhuān)業(yè)人士不易操作。

    3.5 照片推測(cè)法

    照片推測(cè)法是按照不同類(lèi)型的可燃物進(jìn)行照相存檔,并測(cè)定其可燃物負(fù)荷量作為參數(shù),建立照片庫(kù),通過(guò)照片查找比對(duì),推測(cè)可燃物負(fù)荷量的方法。此法是植物群落和可燃物模型兩種分類(lèi)方法的結(jié)合。Anderson提出了13種各徑級(jí)可燃物負(fù)荷量的圖片識(shí)別方法,給出了圖片實(shí)例和其對(duì)應(yīng)的各徑級(jí)可燃物負(fù)荷量值[20]。Robert等提出照片可燃物負(fù)荷量采樣技術(shù),估計(jì)了6種可燃物類(lèi)型相同的可燃物負(fù)荷量(1 h、10 h、100 h、1000 h 時(shí)滯,死地被物,木本,灌木,草本植物的負(fù)荷量),照片可燃物負(fù)荷量采樣方法中照片的排列順序可按時(shí)滯序列[21],見(jiàn)圖1。

    照片推測(cè)法是指把可燃物按照可燃物分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)管理,可以使管理人員需要更好的估計(jì)可燃物負(fù)荷量。但作為可燃物的每一種類(lèi)型,需要有多幅照片及其相應(yīng)的可燃物負(fù)荷量參數(shù)才能達(dá)到分類(lèi)的目的[15],因此該法的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)且費(fèi)用高。

    3.6 圓盤(pán)地面調(diào)查法

    圖1 照片推測(cè)

    圓盤(pán)地面調(diào)查法是利用圓盤(pán)尺為工具(圖2),通過(guò)在野外調(diào)查中圓盤(pán)尺測(cè)定可燃物的高度和拍攝的圓盤(pán)高度照片,通過(guò)查找已建立的圓盤(pán)高度和可燃物負(fù)荷量的關(guān)系表和參考已建立的圓盤(pán)照片指南,以便估算可燃物負(fù)荷量。此法是地面調(diào)查法、模型法和照片法的綜合。Baxter等利用圓盤(pán)尺在加拿大亞伯達(dá)省的中部和北部開(kāi)展了關(guān)于草地可燃物負(fù)荷量的調(diào)查,通過(guò)野外調(diào)查,建立圓盤(pán)高度和可燃物負(fù)荷量的關(guān)系表,將樣地拍攝照片用作照片指南,根據(jù)關(guān)系表和照片指南預(yù)估亞伯達(dá)省春季、秋季防火期的可燃物負(fù)荷量[22]。此法優(yōu)點(diǎn)是圓盤(pán)取樣簡(jiǎn)單方便,照片參考指南直觀呈現(xiàn),可以快速預(yù)估可燃物負(fù)荷量,特別是對(duì)于火場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,缺點(diǎn)是關(guān)系表和照片參考指南需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)地的檢驗(yàn)校正。

    圖2 圓盤(pán)尺地面調(diào)查

    3.7 遙感圖像法

    遙感圖像法是以GIS等技術(shù)為基礎(chǔ)從遙感數(shù)字圖像中提取像素值參與建模估測(cè)森林可燃物負(fù)荷量的方法。該法核心問(wèn)題是確定像元的可燃物負(fù)荷量,根據(jù)對(duì)像元負(fù)荷量的分配方法,對(duì)現(xiàn)有方法分為兩種[8]:①直接分配法。該法根據(jù)像素的光譜數(shù)據(jù)和地面抽樣調(diào)查所得的可燃物模型,對(duì)遙感圖像直接進(jìn)行分類(lèi),建立可燃物模型,然后對(duì)圖像中的像素分配可燃物負(fù)荷量。Oswald等根據(jù)地面調(diào)查數(shù)據(jù)和圖像特征,建立不同可燃物類(lèi)型的判別函數(shù)[8]。直接分配法是遙感圖像法早先使用的方法,目前已較少使用。②間接分配法。該法是從遙感圖像上判讀與可燃物負(fù)荷量相關(guān)聯(lián)的中間特征,并建立特征與可燃物負(fù)荷量關(guān)系模型,為各像元分配可燃物負(fù)荷量,從而解決了林冠的遮擋效應(yīng)的影響。在國(guó)外,Scott等以美國(guó)新墨西哥州的針葉混交林、西黃松(Pinus ponderosa)林和杜松(Juniperus rigida)林為研究對(duì)象,以樹(shù)冠覆蓋比率、胸高斷面積為中間特征,通過(guò)建立可燃物負(fù)荷量和這些中間特征的線性回歸方程,實(shí)現(xiàn)了利用航空照片推測(cè)可燃物負(fù)荷量[23]。Robert創(chuàng)造性地提出要綜合運(yùn)用GIS、遙感信息和生態(tài)模型相結(jié)合的方式研究可燃物特征,方法是通過(guò)對(duì)遙感圖像分析,得到林分特征,基于數(shù)學(xué)方法建立林分特征與可燃物特征之間關(guān)系,完成了由遙感圖像研究可燃物特征的目的[8]。Brandis提出了運(yùn)用遙感圖像結(jié)合火災(zāi)歷史資料、地理信息系統(tǒng)估算可燃物負(fù)荷量的方法,并利用LandsatTM圖像對(duì)南威爾士州國(guó)家公園進(jìn)行了可燃物負(fù)荷量估算,取得了良好的效果[24]。在國(guó)內(nèi),已有學(xué)者利用航天遙感數(shù)據(jù)和少量地面樣地信息進(jìn)行森林可燃物負(fù)荷量定量估測(cè)。趙憲文、游先樣等從林分模型,地物反射亮度值,以及反映林木生物量的波譜密度值之比等途徑研究估測(cè)森林可燃物負(fù)荷量的可行性[3]。王強(qiáng)利用TM圖像以圖像像素的光譜數(shù)據(jù)和地面的坡向和海拔為自變量,分別利用多元線性回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,分別建立了從遙感圖像上估測(cè)我國(guó)東北的次生闊葉林的地表可燃物負(fù)荷量的預(yù)測(cè)方程[7]。王強(qiáng)等在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),以對(duì)應(yīng)的遙感信息和GIS信息為基礎(chǔ),采用嶺回歸分析方法對(duì)影響森林可燃物負(fù)荷量的估測(cè)因子和GIS因子進(jìn)行了篩選優(yōu)化,建立以像元為單位的森林可燃物負(fù)荷量估測(cè)模型[25]。利用遙感圖像分類(lèi)方法進(jìn)行可燃物負(fù)荷量的預(yù)估是一種全新、快速發(fā)展的和不斷完善的可燃物負(fù)荷量的預(yù)估方法,遙感圖像法相對(duì)于其他方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、耗費(fèi)低;缺點(diǎn)是從資源衛(wèi)星上獲得的信息還不夠豐富、不夠精確,從遙感圖像上獲取可燃物負(fù)荷量還具有一定的局限性,目前我國(guó)的研究工作甚少。

    4 展望

    綜上所述,經(jīng)過(guò)近幾十年的開(kāi)展,可燃物負(fù)荷量的研究產(chǎn)生了較好的效果,其間產(chǎn)生了許多可行的可燃物負(fù)荷量的測(cè)定方法,為可燃物管理和林火管理提供了有力的支持,但是現(xiàn)有的可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法各有優(yōu)劣,顯然還沒(méi)有一種快速、完善的方法,特別是一些細(xì)節(jié)上還需要深入分析探討才能更好地運(yùn)用。

    (1)在模型推測(cè)法中模型因子的引入上應(yīng)考慮從林分這一單因子向地形、土壤、氣象等多因子發(fā)展,同時(shí)應(yīng)考慮對(duì)各因子之間的相互作用的研究;模型類(lèi)型上除了考慮數(shù)學(xué)線性模型,還有待進(jìn)一步探討人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性方法在森林可燃物負(fù)荷量估測(cè)中的應(yīng)用;模型應(yīng)用范圍上應(yīng)深入進(jìn)行不同立地條件、不同林型、不同可燃物類(lèi)型的可燃物負(fù)荷量模型的研究,從分散的地區(qū)性研究向建立區(qū)域可燃物模型、全國(guó)通用的可燃物負(fù)荷量模型過(guò)渡。

    (2)照片推測(cè)法和圓盤(pán)地面調(diào)查法在國(guó)外使用較多、適用性較好,在我國(guó)的研究尚屬空白,未來(lái)可燃物負(fù)荷量的研究應(yīng)結(jié)合我國(guó)可燃物負(fù)荷量研究實(shí)際發(fā)展情況,對(duì)照片推測(cè)法和圓盤(pán)地面調(diào)查法進(jìn)行深入研究與引進(jìn),并進(jìn)一步適當(dāng)改進(jìn),使其適合我國(guó)國(guó)情、林情。

    (3)遙感圖像法應(yīng)考慮使用更高分辨率的或新類(lèi)型遙感圖像,充分利用圖像像素的鄰域信息,控制像元和中間特征的匹配,提高中間特征的判別準(zhǔn)確率,更好地揭示林分結(jié)構(gòu),可能會(huì)提高準(zhǔn)確率;使用多種不同分辨率的圖像,通過(guò)多圖像融合,提高光譜分辨率和空間分辨率,提升可燃物負(fù)荷量估測(cè)的準(zhǔn)確率;基于遙感技術(shù)探測(cè)和獲取森林可燃物復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地理多樣性,建立完善和系統(tǒng)的中間特征以及它們與可燃物負(fù)荷量的關(guān)系模型;目前技術(shù)的發(fā)展使直接使用連續(xù)的可燃物描述成為可能,我國(guó)目前沒(méi)有系統(tǒng)的可燃物模型體系,更需要使用連續(xù)變量來(lái)描述可燃物負(fù)荷量。

    隨著可燃物負(fù)荷量研究的不斷深入,可燃物負(fù)荷量的測(cè)定方法會(huì)不斷創(chuàng)新,從定性到定量,從靜態(tài)到動(dòng)態(tài),從人工調(diào)查向遙感估測(cè)的方向深入發(fā)展,未來(lái)的工作需要對(duì)多種方法比較分析,通過(guò)地面調(diào)查與可燃物負(fù)荷量等特征的遙感估測(cè)研究工作相結(jié)合,不斷提高估測(cè)的準(zhǔn)確度。

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