林火撲救危險地帶自動識別與提取方法研究*

連人豪 張河遠(yuǎn)

（1.廣州市大嶺山林場，廣東 廣州 510976； 2. 廣州市林業(yè)和園林局，廣東 廣州 510060）

林火撲救危險地帶自動識別與提取方法研究*

連人豪1張河遠(yuǎn)2

（1.廣州市大嶺山林場，廣東 廣州 510976； 2. 廣州市林業(yè)和園林局，廣東 廣州 510060）

安全科學(xué)撲火是森林消防的重要工作，影響撲火安全的因素很多，其中地形是最基礎(chǔ)的因素。一些特殊的地形對撲火人員的生命安全構(gòu)成了極大的威脅，如陡坡、窄山谷、窄山脊、單口山谷（葫蘆峪）、鞍部、懸崖等，如何高效地識別撲火危險地帶，對于科學(xué)指揮、安全滅火至關(guān)重要。文章以廣州市大嶺山林場為例，采用GIS（地理信息系統(tǒng)）的柵格分析方法，基于DEM（數(shù)字高程模型）分析識別林火撲救危險地帶的地形特征，建立ArcGIS可視化分析模型快速提取危險地帶，與實際地形對比準(zhǔn)確度很高，表明該方法科學(xué)有效。

森林火災(zāi)；林火撲救危險地帶；識別提取；DEM

森林火災(zāi)是世界上破壞性最強、毀滅性最大的自然災(zāi)害之一，不僅破壞森林資源、生態(tài)環(huán)境，而且易造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[1-2]。森林火災(zāi)受氣象、地形和可燃物三大自然因素的影響，極易形成復(fù)雜的林火蔓延行為，變化無常的火勢嚴(yán)重威脅滅火隊員的人身安全[3]。近年來我國森林火災(zāi)造成撲火人員傷亡的事故頻頻發(fā)生。據(jù)報道，2004年1月3日16:30時廣西壯族自治區(qū)玉林市興業(yè)縣賣酒鄉(xiāng)黨州村太平自然村發(fā)生森林火災(zāi)，在三面環(huán)山狹長的葫蘆峪局部產(chǎn)生了旋風(fēng)、火勢突然增大，火焰超過10 m高，導(dǎo)致11名撲火人員死亡；2010年12月5日四川省道孚縣發(fā)生草原火災(zāi)，大風(fēng)吹燃余火將撲火的戰(zhàn)士和群眾圍在狹窄的溝谷中，造成22人死亡1人重傷；2016年2月14日云南省迪慶州香格里拉市上江鄉(xiāng)良美村發(fā)生森林火災(zāi)，因地形復(fù)雜、火場風(fēng)向突變，造成撲救人員1死6傷。

頻頻發(fā)生的林火撲救安全事故引發(fā)我國對撲火安全工作的高度重視，2009年1月1日修訂頒布的《森林防火條例》大幅增加了人身安全方面的內(nèi)容[4]。血的教訓(xùn)告訴我們，必須加大森林撲火安全研究，如果撲火指揮員對于危險地帶及其林火蔓延變化不能正確識別與預(yù)判，就易導(dǎo)致指揮失誤、使撲火隊員陷入危險境地，極有可能發(fā)生人員傷亡，甚至發(fā)生群死群傷事件[5]。撲火危險地帶主要包括陡坡、懸崖、窄山脊、窄山谷、鞍部和葫蘆峪等常見特殊地形[3,5-7]，如窄山谷會增加熱空氣的對流速率，風(fēng)速增大、林火蔓延速度加快，容易產(chǎn)生新火點和火爆，且火場燃燒耗費了大量的氧氣，致使谷底空氣含氧量下降，易使撲火人員窒息[5-6]。近年來許多研究為自動識別地形地貌提供了技術(shù)支持[8]，DEM逐步替代等高線成為地形描述與分析的主要信息載體，如何利用DEM快速高效地識別危險地帶，對于科學(xué)指揮撲救路線、滅火方案、安全進(jìn)入以及退出森林火場都非常有意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以廣州市大嶺山林場為研究區(qū)，位于廣東省廣州市從化區(qū)溫泉鎮(zhèn)，同時與增城區(qū)和惠州市龍門縣接壤（圖1），地形東高西低、交通不便、森林防火設(shè)施偏少（圖2）,每年9月至次年4月風(fēng)干物燥，近年受季風(fēng)和森林旅游影響、林火威脅較高，林區(qū)溝壑縱橫、撲火安全隱患較大。

圖1 廣州市大嶺山林場地理位置

1.2 研究方法

為識別林火撲救危險地帶，采用數(shù)字高程模型（簡稱DEM）作為材料，基于柵格計算分析地形特征，識別出潛在危險的地形區(qū)域。下面以窄山脊、鞍部區(qū)和葫蘆峪為例，研究基于DEM自動分析識別撲火危險地帶的有效方法。

1.2.1 山脊識別提取 山脊是整個山脈當(dāng)中貫穿山頂、山背，能夠反映山脈走勢的凸棱部分，窄山脊(拱脊)處易產(chǎn)生熱輻射和熱傳導(dǎo)，溫度極高且林火瞬息萬變、難以預(yù)測，極易造成撲火人員傷亡[3]。識別提取窄山脊的第一種方法是利用山脊分水和山谷匯水特征，采用水文分析方法識別提取，山脊和山谷的識別實質(zhì)變成分水線和匯水線的提取[9]。對于山脊而言，通過地表徑流模擬計算之后，這些柵格的水流方向都應(yīng)該具有流出方向而不存在流入方向，即柵格匯流累積量為零，識別提取零值柵格，就可得到分水線，即為山脊。第二種提取方法首先利用DEM數(shù)據(jù)提取地面的平面曲率及地面的正、負(fù)地形，然后取正地形上平面曲率的大值為山脊，負(fù)地形上平面曲率的大值為山谷。作為林火撲救危險地帶，窄山脊往往指寬度較?。ㄈ缧∮?0 m）的山脊，可在前一步山脊柵格的基礎(chǔ)上進(jìn)一步過濾得到，這里采用第一種方法。針對山谷而言，可以利用反地形計算，即利用研究區(qū)最大高程值（常數(shù)）減原始DEM數(shù)據(jù)，得到與原始DEM相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始DEM的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM的山谷在反地形中變成了山脊，再利用類似山脊的方法識別提取山谷。應(yīng)用ArcGIS軟件空間分析圖解建模如圖3。

1.2.2 鞍部識別提取 鞍部是指位于相鄰兩山峰之間呈馬鞍形的低凹部位，通常是山脊與山谷交匯區(qū)域。當(dāng)風(fēng)越過山脊鞍形場時，容易形成水平和垂直旋風(fēng)，出現(xiàn)溫度極高和濃煙滾滾的險地，易引發(fā)撲火人員傷亡。鞍部是重要的地形控制區(qū)，可將前一步求解得到山脊和山谷相交，獲取鞍部區(qū)域，基于DEM分析提取模型如圖4。

圖2 廣州市大嶺山林場地形及防火設(shè)施

圖3 基于DEM分析提取山脊模型

圖4 基于DEM分析自動提取鞍部模型

1.2.3 葫蘆峪識別提取方法 葫蘆峪為只有一個進(jìn)出口且三面環(huán)山的山谷區(qū)域, 易聚煙、易產(chǎn)生亂流，風(fēng)向變化易堵住谷口逃生路線，是非常危險的撲火地帶。根據(jù)葫蘆峪地形特征，這里先明確量化的指標(biāo)：（1）谷深與谷寬之比≥1/4，谷深是谷底至兩側(cè)山脊的最大高度差，谷寬是谷底至兩側(cè)山脊最大距離；（2）谷口寬與谷腹最寬處的值之比≤1/3。首先要提取山谷，相當(dāng)于兩條山脊（分水嶺）之間的匯水區(qū)，可根據(jù)DEM水文分析方法獲得微觀的匯水區(qū)；然后分別通過分區(qū)幾何統(tǒng)計獲得山谷區(qū)的谷寬和谷深,計算得到谷深與谷寬之比。谷口寬難以直接自動獲取，用山谷口（出水口）距離制圖分析，結(jié)合坡度分析提取大于45°的陡坡，近似得到谷口的寬度，再計算谷口寬與谷腹最寬處的比值。兩個結(jié)果的柵格（其值為0或1）相乘即相當(dāng)于相交，得到的柵格轉(zhuǎn)換為面可自動提取葫蘆峪的地形區(qū)域，分析提取模型見圖5。

圖5 基于DEM分析自動提取葫蘆峪模型

2 結(jié)果與分析

采用上述方法模型進(jìn)行林火撲救危險地帶自動識別與提取。本研究從萬分之一比例尺的基礎(chǔ)地形圖上提取了等高線、高程點和道路等數(shù)據(jù)，生成10 m分辨率DEM作為素材，以窄山脊、鞍部區(qū)和葫蘆峪3種典型的撲火危險地帶為例，應(yīng)用圖3～5所示的模型基于ArcGIS軟件運行，自動識別提取的結(jié)果可制成專題圖，供撲火指揮參考以保護滅火人員的人身安全。

在ArcGIS軟件中運行圖3所示的模型，輸入DEM文件，運行約2 min后可得到寬度小于10 m的窄山脊柵格，疊加于等高線圖層之上，可看到圖6中的紅色窄山脊與實際地形吻合度很高。

運行模型4得到圖7中的鞍部區(qū)與實際地形非常吻合，可在撲火訓(xùn)練與調(diào)度指揮中避開此類危險區(qū)域。

運行模型5先計算山脊組成的分水嶺得到每個主要山谷所在的匯水區(qū)，在每個匯水區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行谷深/谷寬、谷口寬/谷腹寬兩個比值計算，同時符合條件的柵格轉(zhuǎn)面，過濾得到主要山谷的葫蘆峪（圖8），其大致范圍與真實地形90%以上相符，說明該方法識別的準(zhǔn)確性很高。

圖6 自動識別提取的大嶺山林場窄山脊分布圖

圖7 自動識別提取的大嶺山林場鞍部區(qū)分布圖

圖8 自動識別提取的大嶺山林場葫蘆峪分布圖

3 結(jié)論與討論

針對威脅森林消防員人身安全的地形因素，本文嘗試采用數(shù)字高程模型分析廣州市從化區(qū)大嶺山林場地形特征，研究自動識別提取常見危險地帶的方法。首先分析了林火撲救常見危險地帶的地形特征，以窄山脊、鞍部和葫蘆峪3種典型地形為例，采用DEM分析方法識別具有危險地形特征的區(qū)域，如窄山脊和窄山谷主要是通過水文分析的方法來識別，葫蘆峪主要是通過水文分析和區(qū)域幾何統(tǒng)計方法來識別，再利用ArcGIS軟件的圖解建模工具實現(xiàn)具有這些地形特征的危險地帶提取過程自動化，提取結(jié)果與實際地形吻合度非常高，表明該方法科學(xué)有效。

撲火危險地帶也可以通過坡度分析等方法來分析識別，只是需要人工判斷與干預(yù)較多，識別提取的精度依賴于人為經(jīng)驗與對研究區(qū)地形的認(rèn)知程度?；贒EM的地形分析與識別還受DEM數(shù)據(jù)精度和提取尺度影響，DEM精度過低，可能忽略一些微觀的危險地帶，精度過高可能會生成與實際撲火有差異的破碎微地形；另外鞍部與葫蘆峪識別提取時，是在前面提取結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)分析，結(jié)果的尺度可能會產(chǎn)生類似于DEM精度的不確定性，需要進(jìn)一步深入研究。

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[9] 湯國安, 楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

Automatic Identification and Extraction of Danger Zones in Forest Firefighting

LIAN Renhao1ZHANG Heyuan2

（1.Dalingshan Forestry Centre of Guangzhou，Guangzhou，Guangdong 510976，China;2.Administration of Forestry and Gardening of Guangzhou Municipality, Guangzhou，Guangdong 510060，China）

Safety and scientific extinguishment of the fire is the first concern for the forest fire control. There are many factors that affected the safety of firefighting, in which the terrain is the most basic factor. Especially some special terrains are the great threat to the life safety of forest firefighters, such as abrupt slopes, narrow valleys, narrow ridges, gourd-shaped valleys, saddle, cliff and etc. How to efficiently identify the danger zone is very important to the firefighting safety and the scientific command. Taking Guangzhou Dalingshan Forest Farm as an example, the paper uses the method of GIS (Geographic Information System) to identify the terrain features of danger zone in the forest firefighting based on DEM (Digital Elevation Model), and establishes the visual analysis model of ArcGIS to quickly extract the danger zone, which is very accurate compared with the actual terrain. It shows that the method is scientific and effective.

forest fire；danger zones in forest firefighting；identification and extraction；DEM (digital elevation model)

S762.3

A

2096-2053（2017）05-0083-06

*第一作者：連人豪（1973—），男，助理工程師，主要從事森林培育、森林防火研究，E-mail：2258013929@qq.com。

張河遠(yuǎn)（1973—），男，高級工程師，主要從事林業(yè)信息化、森林防火研究，E-mail：799448146@qq.com。