基于層次分析（AHP）的山東林火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究

黃寶華，張 華，孫治軍

（1．中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，煙臺(tái)，264003；2．煙臺(tái)市地理信息中心，煙臺(tái)，264003；3．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；4．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)（煙臺(tái)），煙臺(tái)，264670）

0 引言

林火風(fēng)險(xiǎn)指森林主體發(fā)生林火的可能性，表現(xiàn)為在特定時(shí)空環(huán)境中森林主體受林火威脅的可能性。其中環(huán)境是指森林主體所處空間中的氣候、植被、林地及森林附近活動(dòng)的人類。林火風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間上表現(xiàn)為不同時(shí)間的林火風(fēng)險(xiǎn)，在空間上表現(xiàn)為在不同的水平和垂直梯度上的林火風(fēng)險(xiǎn)［1］。傳統(tǒng)的森林火險(xiǎn)區(qū)劃多使用森林調(diào)查成果的小班檔案、林業(yè)基本圖和林相圖等續(xù)檔資料，準(zhǔn)確性、現(xiàn)實(shí)性較差［2］。遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)方法相結(jié)合，利用防火區(qū)域的地形、可燃物、天氣數(shù)據(jù)和人為因素?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確掌握火險(xiǎn)情況，對(duì)林火火險(xiǎn)預(yù)防更為有效、準(zhǔn)確［3］。這種方法可以動(dòng)態(tài)、快速地反應(yīng)林火風(fēng)險(xiǎn)狀況，具有一定的先進(jìn)性，在林火理論研究和林火管理實(shí)踐中具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及研究方法

1．1 研究區(qū)概況

山東省屬農(nóng)區(qū)林業(yè)，林農(nóng)交錯(cuò)，森林防火外延廣。自77年以來，森林面積與覆蓋率總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，森林面積由73年的12．7億hm2到08年的20．36億hm2；森林覆蓋率也從73年的1．22%上升到08年的1．95%。全省已建立森林和野生動(dòng)物類型自然保護(hù)區(qū)16處，總面積47．4萬hm2，建立森林公園84處，其中國(guó)家級(jí)森林公園26處，是古樹名木的重要匯集區(qū)，且森林集中連片、與重點(diǎn)人文資源融入一體，是森林防火的重中之重［4］。

1．2 數(shù)據(jù)來源

表1 數(shù)據(jù)類型和來源Table 1 Data types and sources

1．3 研究方法

本文利用山東省2000年的土地覆蓋類型數(shù)據(jù)、2001—2010年MODIS火燒跡地MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)集MCD45A1、植被指數(shù)數(shù)據(jù)集MOD13Q 等，將過火像元與植被分布圖進(jìn)行疊加，剔除掉無植被、栽培植被和草地區(qū)域像元。鄧［2］論述了經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理的火燒跡地與森林火災(zāi)歷史火點(diǎn)記錄進(jìn)行疊加，在時(shí)空分布上它們都具有較高的相關(guān)性。繪制山東森林火災(zāi)空間分布二值圖。選取包括氣候因子、地物類型、地形因子和人類活動(dòng)在內(nèi)的10個(gè)森林火險(xiǎn)影響因子，繪制成具有統(tǒng)一投影坐標(biāo)參考的柵格圖層。在GIS技術(shù)支持下進(jìn)行空間采樣，構(gòu)建林火空間分布與林火影響因子間的林火風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，利用層次分析法運(yùn)算得到權(quán)重，最后得到森林火險(xiǎn)概率分布圖，并對(duì)2011—2012年火燒跡地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2 林火影響因子分析與選取

2．1 氣候因子與火點(diǎn)頻次關(guān)系

溫度是林火發(fā)生的重要因子，氣溫對(duì)火災(zāi)的影響是多方面的。高溫可明顯降低大氣相對(duì)濕度，可燃物溫度也隨之升高。高溫提供蒸發(fā)所需的熱量，可燃物中水分蒸發(fā)和變干的速度將加快，火災(zāi)發(fā)生的可能性增幅大；另一方面，可燃物達(dá)到著火點(diǎn)需要一定的熱量，這種熱量依賴于可燃物周圍空氣的溫度。因此，氣溫升高將使可燃物達(dá)到燃點(diǎn)所需的熱量大大降低，增加火災(zāi)發(fā)生時(shí)可燃物的易燃性?？諝獗葷裼绊懱栞椛鋸?qiáng)度，進(jìn)而對(duì)地面和地表燃料的溫度有影響［5］。山東林火主要集中在20℃～25℃和5℃以下兩部分（圖1），大于25℃溫度以上主要集中在6—9月，這個(gè)時(shí)期植被生長(zhǎng)旺盛，含水量高，不易燃燒。由于空氣比濕大，地表干燥物不易燃燒；5℃以下主要為1—2月和11—12月間，這個(gè)時(shí)期主要以地表易燃燒干燥物為主（圖2）。

圖1 多年平均氣溫Fig．1 Annual average temperature

圖2 多年平均近地空氣比濕Fig．2 Annual average near surface specific humidity

2．2 可燃物與火點(diǎn)頻次關(guān)系

森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是林火發(fā)生的首要條件。針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林耐火能力逐漸增強(qiáng)，易燃性依次降低。山東林火主要集中在常綠針葉林、落葉闊葉林和郁閉灌木林區(qū)域（圖3、圖4）。

火點(diǎn)處植被覆蓋度fg（fg＝ （NDVINDVI0）／（NDVIg－NDVI0）；NDVIo為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；而NDVIg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值）值在中度覆蓋0．45～0．6之間，植被覆蓋度低，可燃物數(shù)量少，不易燃燒；植被覆蓋度高，表面溫度降低，土壤水分不易蒸發(fā)，地表可燃物濕度高不易燃燒（圖5）。

圖3 植被類型分布Fig．3 Distribution of vegetation types

圖4 著火點(diǎn)植被類型統(tǒng)計(jì)圖Fig．4 Fire points distribution of different vegetation types

圖5 植被覆蓋度Fig．5 Vegetation coverage

2．3 海拔、地形特征與火點(diǎn)頻次關(guān)系

山東森林火警火災(zāi)主要分布在森林資源集中連片、地形復(fù)雜的魯中、魯中南山區(qū)和膠東丘陵區(qū)。火點(diǎn)主要集中在中低海拔（1m～400m）之間，因?yàn)殡S著海拔高度不斷增加，氣溫逐漸下降（每上升100m，氣溫大約降低0．6℃），相對(duì)濕度增大，地被物含水率較高，不易燃燒（圖6、圖7）。

絕大多數(shù)火災(zāi)集中在坡度小于5°的區(qū)域（圖8、圖9）。一是因?yàn)槿嗽谄露绕骄弲^(qū)域活動(dòng)和停留的時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致火災(zāi)數(shù)量增多；二是因?yàn)槠露葘?duì)林木危害程度，坡度與火的蔓延速度成正比，而與林木死亡數(shù)量成反比。坡度越大，火蔓延愈快，火停留時(shí)間短，對(duì)林木危害較輕；坡度愈小，火蔓延緩慢，火停留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)森林危害嚴(yán)重。

圖6 數(shù)字高程模型（DEM）Fig．6 Digital elevation model

圖7 著火點(diǎn)DEM 統(tǒng)計(jì)圖Fig．7 Fire points distribution at different DEM

圖8 坡度Fig．8 Slope

山東山地坡向的差異對(duì)植物的生長(zhǎng)和分布、林火的發(fā)生和蔓延有明顯影響（圖10、圖11）。火點(diǎn)主要集中在陽坡（南坡和西南坡），半陽坡（東南坡和西坡）和半陰坡（東坡和西北坡）次之，陰坡（北坡和東北坡）最少。因?yàn)椴煌孪蚪邮芴栞椛洳灰?。南坡受到太陽直接輻射大于北坡，偏東坡上午受到太陽的直接輻射大于下午，偏西坡則相反。即南坡吸收的熱量最多，西坡要大于東坡，北坡吸收的能最少。陽坡日照強(qiáng)、溫度高、蒸發(fā)快，可燃物易干燥而燃燒、火勢(shì)強(qiáng)、蔓延快；陰坡日照弱、溫度低、蒸發(fā)慢、林地濕度大、可燃物不易燃燒、火勢(shì)弱、蔓延速度較慢；半陽坡和半陰坡的環(huán)境條件居中，可燃物的燃燒狀態(tài)也處于兩者之間。

圖9 著火點(diǎn)坡度統(tǒng)計(jì)Fig．9 Fire points distribution at different slopes

圖10 坡向Fig．10 Aspect

圖11 著火點(diǎn)坡向統(tǒng)計(jì)Fig．11 Fire points distribution at different aspects

2．4 人為因素與火點(diǎn)頻次關(guān)系

“人”是森林致火最為活躍因素，山東森林火災(zāi)96%是由人為因素引起。人口素質(zhì)較低地區(qū)，防火意識(shí)較差，森林火災(zāi)發(fā)生概率較大；人口素質(zhì)較高地區(qū)，防火意識(shí)較好，森林火災(zāi)發(fā)生概率較小。再者，人口素質(zhì)較高地區(qū)一般經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，森林防火的基本設(shè)施較為完備，發(fā)生森林火災(zāi)能及時(shí)予以撲救。從事戶外工作的主要為農(nóng)民，農(nóng)民素質(zhì)對(duì)林火的發(fā)生起至關(guān)重要作用，研究表明農(nóng)民素質(zhì)與其人均純收入呈正比關(guān)系。因此，以農(nóng)民人均純收入指數(shù)—（（農(nóng)民人均純收入—全省農(nóng)民人均純收入）／全省農(nóng)民人均純收入）作為農(nóng)民素質(zhì)衡量標(biāo)準(zhǔn)。按照小于0為一級(jí)，0～0．5為二級(jí)，0．5～1為三級(jí)，大于1為四級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，繪制農(nóng)民人口素質(zhì)圖（圖12、圖13）。

圖12 農(nóng)民人均純收入指數(shù)Fig．12 Per capita net income index of farmers

圖13 火點(diǎn)處農(nóng)民人均收入指數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig．13 Fire points distribution at different per capita net income indexes of farmers

道路是表征人類活動(dòng)對(duì)火險(xiǎn)影響的重要因子，是人為火災(zāi)發(fā)生的潛在路線。道路的存在一方面增加火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)；另一方面，道路的存在又使發(fā)現(xiàn)火情后人員和撲火設(shè)備能夠及時(shí)到達(dá)火場(chǎng)，為火災(zāi)的積極撲救創(chuàng)造較好的條件。同時(shí)較寬的道路又為火場(chǎng)隔離起到積極作用。山東林火主要集中在鄉(xiāng)鎮(zhèn)村道和其他道路兩側(cè)。火點(diǎn)頻次隨著居民地距離的接近而增加，因?yàn)榫嚯x居住區(qū)越近越易遭受火災(zāi)干擾，研究區(qū)內(nèi)位于林區(qū)中的居住區(qū)較多而導(dǎo)致森林火災(zāi)的發(fā)生（圖14、圖15）。

3 火險(xiǎn)影響因子分類及火險(xiǎn)區(qū)劃建立

3．1 火險(xiǎn)因子權(quán)重確定

圖14 火點(diǎn)處與居民地距離統(tǒng)計(jì)Fig．14 Fire points and its distance to residence

圖15 火點(diǎn)處與道路距離統(tǒng)計(jì)Fig．15 Fire points and its distance to road

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP法）是將決策元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的多目標(biāo)決策方法。特點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜的決策問題本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性復(fù)雜決策問題提供簡(jiǎn)便決策方法［6］。

森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)將每個(gè)因子看作是綜合分析的不同信息層，它們的疊置可定義火險(xiǎn)區(qū)。建立方法如下：第一，根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)層對(duì)火險(xiǎn)大小的影響賦予權(quán)重，權(quán)重的確定主要考慮每個(gè)變量（層）對(duì)于森林火險(xiǎn)的相對(duì)重要性；第二，參考研究成果及實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)境特性，把每個(gè)數(shù)據(jù)層再分為若干亞層。層次分析法基本步驟如下：1）建立層次結(jié)構(gòu)模型；2）構(gòu)造判斷矩陣；3）判斷矩陣的一致性及其檢驗(yàn)；4）計(jì)算各層元素對(duì)目標(biāo)層的總排序權(quán)重?；痣U(xiǎn)指數(shù)（Fire Danger Index，F(xiàn)DI）公式可表達(dá)為：

式中，Wi為各個(gè)火險(xiǎn)因子層的權(quán)重，Xi為應(yīng)用到各層中的得分值，在森林火險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃過程中（圖16）面臨的是一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多火險(xiǎn)因子構(gòu)成的復(fù)雜而又缺少定量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，增加了研究難度。而AHP為這一問題的決策和排序提供了一種新的、簡(jiǎn)潔而實(shí)用的定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)性、層次化的多目標(biāo)決策分析方法。

圖16 山東森林火險(xiǎn)區(qū)劃因子權(quán)重Fig．16 Fire danger division index weights of Shandong forest

3．2 森林火險(xiǎn)影響因子分類

森林火險(xiǎn)影響因子有氣候因子、地物類型、地形因子和人類活動(dòng)等，森林火災(zāi)是在上述綜合因素作用下發(fā)生和發(fā)展。本文在研究火燒跡地與火險(xiǎn)因子關(guān)系的基礎(chǔ)上，選取包括氣候因子、地物類型、地形因子和人類活動(dòng)在內(nèi)的10個(gè)森林火險(xiǎn)影響因子，因子分類及其描述如表2所示。

表2 森林火險(xiǎn)影響因子分類及其描述Table 2 Forest fire risk factors classification and description

3．3 森林空間等級(jí)區(qū)劃

根據(jù)上述森林火災(zāi)空間分布圖層和森林火險(xiǎn)影響因子圖層間建立山東林火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，經(jīng)圖層運(yùn)算得到山東省森林火險(xiǎn)分布圖。

根據(jù)計(jì)算得到的森林火險(xiǎn)概率值，按照概率等間距方法將山東省分為無火險(xiǎn)區(qū)、低火險(xiǎn)區(qū)、中火險(xiǎn)區(qū)、高火險(xiǎn)區(qū)和極高火險(xiǎn)區(qū)5 類森林火險(xiǎn)區(qū)（圖17）。由圖17可知山東森林火險(xiǎn)地域分布不明顯，主要沿幾個(gè)林區(qū)分布。濟(jì)南林區(qū)、嶗山林區(qū)和昆崳山牙山林區(qū)集中了極高火險(xiǎn)區(qū)和高火險(xiǎn)區(qū)，特別是極高火險(xiǎn)區(qū)基本上集中在濟(jì)南林區(qū)、泰萊林區(qū)、蒙山林區(qū)、沂山林區(qū)、尼山林區(qū)、魯山林區(qū)、五蓮山林區(qū)和牙山林區(qū)大部分地區(qū)屬于中火險(xiǎn)區(qū)。

圖17 山東省森林火險(xiǎn)分布圖Fig．17 Forest fire danger distribution in Shandong province

圖18 森林火險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果驗(yàn)證Fig．18 Validation of forest fire danger rating results

3．4 森林火災(zāi)驗(yàn)證

森林火險(xiǎn)等級(jí)反映了火災(zāi)發(fā)生的可能性與蔓延的風(fēng)險(xiǎn)性，利用2011—2012年火燒跡地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，通過統(tǒng)計(jì)信息可以看出山東省火點(diǎn)落在3級(jí)以上占到了95%以上。由表3可知，5類森林火險(xiǎn)區(qū)分別占山東省總面積的59．67%、13．26%、14．86%、8．12%和4．09%；極高火險(xiǎn)區(qū)和高火險(xiǎn)區(qū)12．21%，占到山東省總面積1／8 以上；極高火險(xiǎn)區(qū)、高火險(xiǎn)區(qū)和中火險(xiǎn)區(qū)27．07%。驗(yàn)證了火險(xiǎn)區(qū)劃的實(shí)用性。

表3 利用2011—2012年已知火點(diǎn)對(duì)森林火險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Validation of forest fire danger division results using observe fire points in 2011—2012

5 結(jié)論與討論

在 研 究 中，處 理 MOD14A1、MCD45A1、MOD13Q1數(shù)據(jù)，并結(jié)合山東省森林火災(zāi)歷史資料和現(xiàn)場(chǎng)勘察驗(yàn)證材料，通過對(duì)林火的特性進(jìn)行分析，獲得了山東地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生與時(shí)間空間的關(guān)系。

（1）利用2001—2010年火燒跡地?cái)?shù)據(jù)和2S（RS、GIS）數(shù)據(jù)分析了導(dǎo)致山東省林火發(fā)生與火險(xiǎn)因子關(guān)系，說明了各因子對(duì)火災(zāi)的影響關(guān)系；

（2）利用AHP法確定了火險(xiǎn)因子的權(quán)重，其中氣象數(shù)據(jù)和人類活動(dòng)是引起森林火災(zāi)的重要因素；

（3）得到山東森林火險(xiǎn)區(qū)劃圖，表明山東森林火險(xiǎn)地域分布不明顯，主要沿幾個(gè)林區(qū)分布。

（4）分析農(nóng)民純收入指數(shù)和火險(xiǎn)關(guān)系，并將其作為人為因素因子引入到火險(xiǎn)預(yù)警模型中，以闡述農(nóng)民人口素質(zhì)與火災(zāi)發(fā)生頻率的關(guān)系，以構(gòu)建更為精確的火災(zāi)預(yù)警模型。

（5）利用2011—2012年火燒跡地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其中3級(jí)以上火險(xiǎn)占到95%以上，證實(shí)了火險(xiǎn)模型的可用性。

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