基于層次分析法的森林火險區(qū)劃——以徂徠山林場為例

苗慶林，田曉瑞，陳立光

（中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，北京，100091）

0 引言

森林火險區(qū)劃是森林防火管理工作的主要依據(jù)［1］。森林火險按其應(yīng)用目的不同，劃分為時段性森林火險、物候性森林火險和區(qū)劃性森林火險。其中森林火險區(qū)劃是在森林可燃物分類的基礎(chǔ)上結(jié)合其他火環(huán)境將森林火險區(qū)域劃分為不同等級以便進(jìn)行分級管理?？扇嘉镱愋秃偷匦问怯绊懮只痣U的主要靜態(tài)因素，因此充分利用有限的可燃物和地形數(shù)據(jù)來進(jìn)行森林火險區(qū)劃可以為科學(xué)開展林火管理提供基礎(chǔ)。

過去的森林火險區(qū)劃多是基于氣象資料與火災(zāi)頻率資料進(jìn)行森林火險區(qū)劃［2］。張景群［3］認(rèn)為國家林業(yè)部于1992年發(fā)布的《全國森林火險區(qū)劃等級》標(biāo)準(zhǔn)僅適應(yīng)于省級以上森林火險區(qū)劃。對省級以下，如國營林場、縣級甚至于地區(qū)級，指導(dǎo)意義不大。隨著技術(shù)手段和林火區(qū)劃理論的發(fā)展，近年來RS（遙感）和GIS（地理信息系統(tǒng)）等技術(shù)手段在我國的林火區(qū)劃中得到了廣泛應(yīng)用，新技術(shù)手段的應(yīng)用使區(qū)劃結(jié)果更為合理和科學(xué)［4］。有很多研究運(yùn)用GIS技術(shù)結(jié)合地形、植被、土地利用、人口與居民區(qū)分布等因子來劃分森林火險區(qū)［5－8］。Ghobadi等［9］基于GIS選擇土地利用、地形、蒸發(fā)量和NDVI（標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)）等火險因子對伊朗北部古列斯坦省進(jìn)行了森林火險區(qū)劃。Erten等［10］基于RS與GIS技術(shù)結(jié)合植被（干燥程度）、地形（坡度與坡向）、道路距離和居民點(diǎn)分布等因子制作了格利博盧半島森林火險分布圖。該火險分布圖根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況考慮了不同類型的火災(zāi)誘發(fā)因子影響。谷建才等［11］選取海拔高度、郁閉度、經(jīng)營措施、距旅游點(diǎn)的距離、優(yōu)勢樹種和林道距離6個影響林火發(fā)生較大的因子運(yùn)用聚類分析的方法對八達(dá)嶺森林健康示范區(qū)進(jìn)行了森林火險等級區(qū)劃。祝必琴等［12］依據(jù)廬山歷史森林火災(zāi)特點(diǎn)，選取防火期平均最高氣溫、平均氣溫、平均降水量、平均最長連旱天數(shù)、平均風(fēng)速、植被類型、海拔、坡度和坡向9個因子作為森林火險區(qū)劃指標(biāo)，采用因子加權(quán)疊置法整合所有單因子專題圖，生成綜合區(qū)劃圖，并劃分了森林火險區(qū)。Dong等［13］選擇可燃物（樹種、樹齡）、地形（坡向）和居民點(diǎn)分布三個火險因子利用主成分分析方法結(jié)合空間數(shù)據(jù)對吉林省白河林業(yè)局制作了森林火險區(qū)劃圖?？傊?，森林火險區(qū)劃需要根據(jù)區(qū)劃對象的林火特征及可獲取的有效數(shù)據(jù)，靈活選取合理的影響森林火險的因子進(jìn)行區(qū)劃，為科學(xué)開展林火管理提供指導(dǎo)。

本研究根據(jù)徂徠山林場森林火災(zāi)特點(diǎn)，充分挖掘現(xiàn)有可燃物和地形數(shù)據(jù)信息，利用層次分析法結(jié)合GIS進(jìn)行森林火險區(qū)劃，為林場尺度上的森林火險區(qū)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

徂徠山林場地處山東省中部，地理范圍為117°16′－117°20′E，36°02′－36°07′N。有林地8445公頃，森林植被以人工林為主，森林活立木蓄積量46萬立方米，森林覆蓋率87.4%。地形為南坡較陡，北坡較緩，中間平，最高峰海拔1027.8米。植被以常綠針葉林和落葉闊葉林為主，主要樹種有油松（Pinus tabulaeformis）、赤松（Pinus densiflora）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、麻櫟（Quercus acutissima）、側(cè) 柏 （Platycladus orientalis）和 落 葉 松（Larix gmelinii （Rupr.）Rupr）等。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤氣候，季風(fēng)氣候明顯，春季空氣干燥，風(fēng)大雨少；夏季炎熱多雨；秋季干燥少雨；冬季雨雪稀少。年平均氣溫為13.9℃。年平均相對濕度最高達(dá)80.7%。年平均降水量在1000毫米左右。

徂徠山冬春干旱，容易發(fā)生森林火災(zāi)。全年有8個月的防火期（從10月到翌年5月）。每年冬春兩季IV級以上高火險期達(dá)110天以上，V級高火險期在90天以上。2007－2010年徂徠山共發(fā)生森林火災(zāi)43起，過火面積4.8公頃。其中2007年和2008年分別發(fā)生14和16起火災(zāi)，過火面積分別占總面積的44%和32%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

樹種組成、胸徑和覆蓋度等數(shù)據(jù)來源于2007年林場小班調(diào)查數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)的分辨率為60m。

2.2 層次的確定

在火險因子的選擇上，考慮到大尺度上的區(qū)劃需要考慮氣候的影響，而小區(qū)域的研究由于氣候的一致性，林場一級的區(qū)劃可以不考慮氣候因子的空間差異。林場對火源管理比較嚴(yán)格，過去的森林火災(zāi)空間分布特征表明林場內(nèi)森林火災(zāi)的發(fā)生與道路的距離無顯著相關(guān)關(guān)系。另外，由于林場內(nèi)無居民點(diǎn)，居民分布對火險的影響可以忽略。因此，結(jié)合小班調(diào)查數(shù)據(jù)，確定選擇樹種、胸徑、覆蓋度、海拔、坡向和坡度等因子進(jìn)行森林火險區(qū)劃。

采用層次分析法將影響火險的各因素進(jìn)行綜合評判，先將各項評判指標(biāo)按類目的大小及隸屬關(guān)系分成三個層次，分層結(jié)果如下：

B層指標(biāo)中，可燃物特性和地形因子下屬的指標(biāo)，通過查閱資料和專家咨詢，用打分法將定性指標(biāo)定量化，打分采用10分制。

2.3 各層次類目、指標(biāo)權(quán)重確定及一致性檢驗

當(dāng)判斷距陣完全一致時，λmax＝n；當(dāng)判斷距陣不完全一致時，一般有λmax≥n。采用隨機(jī)性指標(biāo)CR作為一致性檢驗的指標(biāo)。判斷矩陣的一致性檢驗方法為：

CR＝CI／RI，其中CI＝（λmax－n）／（n－1），n為判斷矩陣的階數(shù)，λmax判斷矩陣的最大特征值，RI為隨判斷矩陣階度而變的常數(shù)。RI的值如表1所示。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值Table 1 The mean random consistency index（RI）

當(dāng)CR＜0.1時，判斷矩陣達(dá)到滿意效果，否則需要重新調(diào)查。

由以上方法可得出B層指標(biāo)的判斷矩陣（表2）。

表2 B層指標(biāo)的判斷矩陣Table 2 The judgment matrix of B layer

λmax＝2.0，對應(yīng)的特征向量 （即權(quán)重）為（0.8333，0.1667）。

B層指標(biāo)中可燃物特性的判斷矩陣（表3）。

表3 B層指標(biāo)中可燃物特性的判斷矩陣Table 3 The judgment matrix of fuel characteristics of B layer

λmax＝3.0649，對應(yīng)的特征向量（即權(quán)重）為（0.1884，0.0810，0.7306）。 一致性檢驗結(jié)果為CI＝0.0325，CR＝0.0563＜0.1，達(dá)到滿意效果。

同樣，可以寫出B層指標(biāo)中地形因子的判斷矩陣（表4）。

表4 B層指標(biāo)中地形因子的判斷矩陣Table 4 The judgment matrix of terrain factors of B layer

λmax＝3.0291，對應(yīng)的特征向量（即權(quán)重）為（0.1782，0.0704，0.7514）。一致性檢驗結(jié)果為CI＝0.0146，CR＝0.0251＜0.1，達(dá)到滿意效果。

根據(jù)每一元素的權(quán)重，計算各因素對于總目標(biāo)層相對重要性的權(quán)重（表5）。

表5 各個指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重Table 5 Weight of the indexes to the top layer

3 結(jié)果與分析

3.1 各火險因子賦值及其特征分布

3.1.1 可燃物因子

選擇的可燃物因子包括樹種、胸徑和小班森林覆蓋率（有林地面積／小班面積）。根據(jù)樹種的易燃性賦值，越易燃賦值越大。最易引起森林火災(zāi)的可燃物是地表可燃物和草本［14］。草地多是火源地，所以賦值最高。闊葉樹種的樹葉比針葉樹難燃燒［15］，因此針葉樹賦值比闊葉樹要高。根據(jù)具體樹種的燃燒性差異賦值（表6）。

表6 樹種因子的賦值Table 6 Assignment of species

樹木胸徑大小影響森林結(jié)構(gòu)及可燃物的空間分布，一般而言，胸徑越大樹齡越大，樹木抗火燒能力也強(qiáng)，而且林冠層和林下易燃物的距離大，地表火不易發(fā)展成為樹冠火。因此，按照胸徑小則燃燒性高的原則進(jìn)行賦值，0cm～5.0cm、5.1cm～10.0cm、10.1cm～15.0cm、15.1cm～20.0cm 和20.1cm～25.0cm的林分分別賦值9，7，5，3和1。

林木覆蓋度越低，草地所占的比例越高，該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)的危險性越高。因此，根據(jù)小班森林覆蓋率（有林地面積／總面積）從低到高劃分為0%～20%、21%～40%、41%～60%、61%～80%和81%～100%五個等級并分別賦值9，7，5，3和1。

由于可燃物數(shù)據(jù)都是按小班計算的，所有根據(jù)確定的各因子權(quán)重，綜合計算可燃物特性指標(biāo)，得到可燃物因子專題圖（圖1）。可燃物因子按危險程度由低到高劃分五個等級，依次所占比例為42.89%，35.63%，11.93%，5.65%和3.89%?？扇嘉镆蜃臃诸惤Y(jié)果表明徂徠山可燃物燃燒性較高的區(qū)域分布較為分散，西部整體高于東部。

圖1 可燃物因子分類圖Fig.1 Fuel classification map

3.1.2 地形因子

坡向通過對氣象因子的再分配作用影響植被分布。陽坡多分布陽性物種，陰坡多分布蔭性物種，半陰半陽和平地位于兩者之間。而且陽坡蒸發(fā)量大，易干燥，因此，確定陽坡燃燒性指數(shù)高，陰坡指數(shù)低。按坡向分別對平地（－1～0）、北（0～22.5）、東北（22.5～67.5）、東（67.5～112.5）、東南（112.5～157.5）、南（157.5～202.5）、西南（202.5～247.5）、西（247.5～292.5）、西北（292.5～337.5）、北（337.5～359.8）賦值：5、1、3、3、7、9、7、7、5、1。研究區(qū)陽坡、陰坡、半陰半陽坡和平地所占比例分別為18.48%，13.17%，68.02%和0.33%（圖2）。

坡度是影響林火蔓延的重要因子，它影響可燃物預(yù)熱和火線對流，因此坡度越大越有利于火蔓延。坡度劃分為五級，0.0% ～8.05%、8.06% ～16.11%、16.12%～ 24.16%、24.17%～32.22%、32.23%～40.27%分別賦值1、3、5、7、9。各類坡度的區(qū)域分別占17.87%，40.11%，31.64%，9.37%和1.02%（圖3）。

圖3 坡度分類圖Fig.3 Slope classification map

海拔影響溫度、相對濕度和降水。通常情況下，隨著海拔升高，蒸發(fā)量減少，濕度增大，且人類活動干擾減小，林火發(fā)生的危險性降低。因此，按海拔高度分為五級，149.0m～323.4m、323.5m～497.8m、497.9m～672.2m、672.3m～846.6m、846.7m～1021.0m分別賦值9、7、5、3和1，各級海拔區(qū)域分別占總面積的16.33%，29.30%，30.97%，16.44%和6.29%（圖4）。

圖4 海拔分類圖Fig.4 Altitude classification map

3.2 火險區(qū)劃

根據(jù)層次分析法計算的權(quán)重，計算研究區(qū)各柵格點(diǎn)綜合火險值并按照五級劃分，得到火險區(qū)劃圖（圖5）。火險等級由低到高分別為5、4、3、2和1級，各火險等級區(qū)所占比例分別為24.3%，37.6%，23.4%，11.6%和3.1%。區(qū)劃結(jié)果表明，徂徠山林場大部分地區(qū)的火險為中低火險，高和極高火險區(qū)域面積占林場總面積的14.7%。森林火險地域分異明顯，極高和高火險區(qū)主要在北部、中部和西南部，低火險區(qū)分布較廣泛。東部整體火險較低，個別地方火險較高。

圖5 火險區(qū)劃等級圖Fig.5 Forest fire risk zone map

4 結(jié)論與討論

根據(jù)林場尺度上對火險區(qū)劃的需求及森林火災(zāi)分布特征，選取合適的火險區(qū)劃因子與分析方法才能獲得比較有用的火險區(qū)劃信息。以徂徠山林場為例，選取選擇樹種、胸徑和小班森林覆蓋率等可燃物因子和坡向、坡度和海拔等地形因子綜合評估了林場的火災(zāi)危險性，結(jié)果表明大部分地區(qū)的火險為中低火險，火險等級較高的區(qū)域面積較小且分布分散。研究結(jié)果符合當(dāng)?shù)氐纳只馂?zāi)現(xiàn)狀，對于未來開展有效的可燃物管理和其他森林防火措施有指導(dǎo)意義?？紤]到研究區(qū)歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)的缺失以及研究中未考慮火源因子，本研究沒有利用歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)對方法做進(jìn)一步驗證。如果今后林場的數(shù)據(jù)得以完善，可以做進(jìn)一步的研究與驗證。

森林火險區(qū)劃只是基于影響森林火災(zāi)的靜態(tài)因子對林火發(fā)生的潛在可能性進(jìn)行評估，影響可燃物特性的因子有很多，需要根據(jù)各因子的重要性及數(shù)據(jù)的獲取性選擇區(qū)劃因子，可以更真實(shí)地反映森林的燃燒性。本文提供的森林火險區(qū)劃方法對于林場尺度上的應(yīng)用具有普遍性，但對區(qū)劃因子的選擇可以根據(jù)具體情況靈活調(diào)整。

［1］姚樹人，文定元.森林消防管理學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2002，170.

［2］焦筱容，肖化順，劉照程.基于GIS的廣州市森林火險評價及區(qū)劃研究［J］.河北林業(yè)科技，2011，（1）：15－18.

［3］張景群.對森林火險區(qū)劃“標(biāo)準(zhǔn)”的商榷［J］.森林防火，1994，19（1）：4－6.

［4］李德華.西雙版納森林火險氣象等級區(qū)劃研究［J］.云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（S1）：49－54.

［5］Chuvieco E，Congalton RG.Application of remote sensing and geographic information systems to forest fire hazard mapping［J］.Remote Sensing of Environment，1989，29（2）：147－159.

［6］Chuvieco E，Sales J.Mapping the spatial distribution of forest fire danger using GIS［J］.International Journal of Geographical Information Systems，1996，10 （3）：333－345.

［7］Mariel A，Jappiot M.Wildland fire risk mapping using a geographic information system and including satellite data：Example of Les Maures forest，south east of France［J］.EARSeL.Advances in Remote Sensing，1996，4（4）：49－56.

［8］Jaiswal RK，Mukherjee S，Raju KD，et al.Forest fire risk zone mapping from satellite imagery and GIS［J］.International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2002，4（1）：1－10.

［9］Ghobadi GJ，Gholizadeh B，Dashliburun OM.Forest fire risk zone mapping from geographic information system in northern forests of iran（case study，golestan province）［J］.International Journal of Agriculture and Crop Sciences，2012，4（12）：818－824.

［10］Erten E，Kurgun V，Musaoglu N.Forest fire risk zone mapping from satellite imagery and GIS a case study［A］.XXth International Society for Photogrammetry and Remote Sensing Congress［C］，Maslak Istanbul：2004，25（B8）：33－39.

［11］谷建才，陸貴巧，吳斌，等.八達(dá)嶺森林健康示范區(qū)森林火險等級區(qū)劃的研究［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，29（3）：46－48.

［12］祝必琴，張麗霞，彭家武，等.基于RS和GIS的廬山森林火險區(qū)劃研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（3）：441－448.

［13］Dong X，Li－min D，Guo－fan S，et al.Forest fire risk zone mapping from satellite images and GIS for Baihe Forestry Bureau，Jilin，China［J］.Journal of Forestry Research，2005，16（3）：169－174.

［14］田曉瑞，舒立福，張小羅，等.樹種枝葉微觀結(jié)構(gòu)對樹種燃燒性的影響研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2003，39（4）：84－88.

［15］田曉瑞，舒立福，閻海平，等.北京地區(qū)森林燃燒性研究［J］.森林防火，2004，（1）：23－24.