基于衛(wèi)星監(jiān)測的湖南省林火時空分布規(guī)律研究

（中南林業(yè)科技大學(xué) 數(shù)字洞庭湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是人類生存發(fā)展的根基。森林防火是生態(tài)文明建設(shè)的安全保障，是國家應(yīng)急管理的重要內(nèi)容。全球氣候變化框架下，極端性天氣增多，對森林防火極其不利；在我國，林業(yè)的地位和使命日趨強化，森林防火工作任務(wù)明顯加重。未來十年，既是加快推進生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵時期，也是林業(yè)發(fā)展和森林防火工作的重要戰(zhàn)略機遇期。

林火監(jiān)測是實現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，監(jiān)測預(yù)報和挖掘發(fā)現(xiàn)林火發(fā)生的時空規(guī)律是森林防火工作的基礎(chǔ)。近年來，我國有學(xué)者對不同空間區(qū)域尺度上的林火分布及發(fā)生規(guī)律研究剛剛起步[1-6]。湖南省森林覆蓋率高達59.68%，是全國木材戰(zhàn)略儲備生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)高效用材林培育基地，全省122個縣（市、區(qū)）中有95個縣（市、區(qū)）屬于國家森林火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)，屬南方森林防火重點區(qū)域，同時，氣候變化和社會發(fā)展加劇了森林火災(zāi)的影響程度[7]。本文以湖南省林火為研究對象，基于時空立方體熱點分析方法，研究發(fā)現(xiàn)了2007—2017年湖南省林火分布，并進行了林火的發(fā)生趨勢預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于我國中部、長江中游，因大部分區(qū)域處于洞庭湖以南而得名“湖南”，地處東經(jīng)108°47′～ 114°15′、北緯 24°38′～ 30°08′，湖南東以幕阜、武功諸山與江西交界，南枕南嶺與廣東、廣西為鄰，西以云貴高原東緣與貴州、重慶毗鄰，北以濱湖平原與湖北接壤，總面積21.18萬km2，湖南轄13個市1個自治州、122個縣（市、區(qū)），全省常住人口6 860.2萬人。湖南地貌類型多樣，以山地、丘陵為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16～18 ℃，年平均降水量1 200～1 800 mm，四季分明，熱量充足、雨季集中。湖南屬亞熱帶常綠闊葉林帶，植被豐茂，四季常青，截止2017年底，湖南省森林覆蓋率達到59.68%，森林蓄積量達到5.48億m3[8]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于中國森林防火網(wǎng)2007—2016年的衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及湖南省林業(yè)廳防火辦2016—2017年的衛(wèi)星火點監(jiān)測數(shù)據(jù)。林火數(shù)據(jù)包括火場區(qū)域名稱、經(jīng)緯度、接收衛(wèi)星名稱、接收時間、上報時間、快速反饋信息等。

2.2 研究方法

2.2.1 時空立方體模型

時空立方體起源于20世紀(jì)60年代中期，瑞典地理學(xué)家Torsten H?gerstrand在研究人類遷徙模式時所提出[9]。用于將地理對象的連續(xù)時空序列進行視覺展示，如圖1，時空立方體是由一個二維的水平面（地理平面）和一個垂直時間維度組成的三維空間。在任一時刻，都可以得到一個地理平面來反映現(xiàn)實中事物的狀態(tài)。時空立方體模型能直觀展示各種現(xiàn)象隨時間變化的過程。

圖1 地理事件時空分布Fig.1 Spatial-temporal distribution of geographical event

ArcGIS10.4中提供了時空立方體創(chuàng)建工具。該工具以離散點為輸入元素，將點聚合到時空條柱。所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)可被視為由多個同地區(qū)的二維平面堆疊起來的一個三維立方體（圖2），其中水平的x、y軸表示平面空間，垂直與x、y軸平面的t軸表示時間。

圖2 時空立方體模型Fig.2 Space-time cube

2.2.2 時空熱點分析

時空熱點是頻發(fā)事件發(fā)生在特定地理空間及時間內(nèi)的聚合，而時空冷點則是偶然發(fā)生在某時間的地理事件。時空熱點分析能有效發(fā)現(xiàn)時空中冷熱點隨時間遷移而產(chǎn)生的變化規(guī)律和發(fā)生趨勢。

時空熱點分析使用預(yù)先創(chuàng)建的時空立方體，通過設(shè)定鄰域距離和鄰域時間步長參數(shù)值來計算每個條柱的Getis-Ord Gi*統(tǒng)計[10]。時空熱點分析完成后，將時空立方體中的每個條柱的z得分、p值和已添加的熱點條柱分類使用Mann-Kendall趨勢測試來評估這些熱點和冷點趨勢。最后，可視化呈現(xiàn)研究目標(biāo)的空間變換類型，冷熱點的趨勢分類結(jié)果依據(jù)如表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 2007—2017年林火整體情況

根據(jù)衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)，湖南省2007—2017年共發(fā)生林火15 536起，其中已查明原因13 315起。火災(zāi)主要發(fā)生在10月至次年4月，如圖3，林火發(fā)生的季節(jié)性特征明顯。主要發(fā)生在冬末以及春季，累計13 541起，占總數(shù)的87.2%。其中2月林火發(fā)生頻率最高，累計3 565起；1月和3月次之，分別累計2 978起和3 286起；春末至秋初林火發(fā)生頻率明顯減少。就年際變化而言，如圖4，2007年至2017年平均每年發(fā)生1 412起，同時林火發(fā)生頻率總體呈下降的趨勢。

表1 趨勢分類結(jié)果含義Table 1 The meaning of trend classification

圖3 林火按月累計統(tǒng)計圖Fig.3 Monthly accumulative statistics of forest fi re

圖4 林火按年累計統(tǒng)計圖Fig.4 Annual accumulative statistics of forest fi re

3.2 2007—2017年林火分布時空立方體構(gòu)建

利用2007—2017年湖南省衛(wèi)星監(jiān)測火情數(shù)據(jù)創(chuàng)建時空立方體。如圖5，構(gòu)建的湖南省時空立方體在UTM_49N投影帶下，水平面上從西到東跨越區(qū)域525 km，從北到南跨越區(qū)域580 km，垂直于水平面的豎軸包括11個時間步長。每個點表示一個條柱，這些點均表示水平面面積為5 km×5 km，豎軸時間跨度持續(xù)時間為1年的條柱，因此這個時空立方體共有用有12 180個點（條柱）。在12 180個條柱中，4 531（37.20%）個條柱包含至少一個時間步長間隔的至少一個事件點。在4 531個位置由49 841個時空條柱組成，其中10 320（20.71%）擁有的事件點計數(shù)大于零。如圖6，將時空立方體按照時間展開，由圖可見隨著時間推移，火災(zāi)點具有顯著性的減少。

3.3 林火時空熱點分析

導(dǎo)入3.2中建立的時空立方體，統(tǒng)計分析條柱的z得分，按照表1不同模式對趨勢進行歸類，可視化結(jié)果如圖6。歸類結(jié)果中，冷色區(qū)域8 799個、暖色區(qū)域6 660個，各不同歸類匯總結(jié)果如表2，從整體情況看，湖南省2007—2017年來火災(zāi)發(fā)生情況大多數(shù)為冷色即整體林火發(fā)生情況呈下降趨勢。從圖7空間分布可看出，環(huán)洞庭湖區(qū)域林火發(fā)生頻率很低，湘西、張家界地區(qū)火災(zāi)發(fā)生頻率逐漸減少，懷化地區(qū)偶有發(fā)生，林火頻發(fā)地區(qū)主要集中在湘中以及湘南地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

（1）根據(jù)2007—2017年衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計湖南省共發(fā)生林火15 536起，平均每年發(fā)生1 412起，林火發(fā)生的時間規(guī)律明顯，主要分布在冬末及來年的春季；重點森林防火期內(nèi)，其中2月林火發(fā)生頻率最高，累計3 565起；1月和3月次之，分別累計2 978起和3 286起；是林火預(yù)防、撲救和處置任務(wù)的重點時段。

（2）利用時空立方體的熱點分析功能，以發(fā)現(xiàn)湖南省2007—2017年林火時空規(guī)律，結(jié)果表明湖南省2007—2017年林火發(fā)生頻率整體呈下降趨勢，林火熱點區(qū)域集中在衡陽南部、郴州東北部以及永州中南部地區(qū)。對比學(xué)者孫玉榮等在“湖南森林火災(zāi)的災(zāi)情區(qū)域分異研究”得出的2001—2008年各市州林火時空據(jù)點分布規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)常德市石門縣區(qū)域、湘西州以及張家界市的熱點明顯減少，森林防火管理水平有顯著提高。

圖5 構(gòu)建的時空立方體Fig.5 Constructed space-time cube

圖6 時空立方展開時序圖Fig.6 Time series graph of space-time cubic expansion

圖7 時空熱點分布Fig.7 Hot spot distribution

表2 時空熱點分析結(jié)果匯總Tabel 2 The result of hot spot analysis

（3）時空立方體熱點分析所采用衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅發(fā)現(xiàn)林火的發(fā)生時空規(guī)律，尚未考慮到人類活動因素，沒有排除計劃用火，要實現(xiàn)森林消防撲救力量的精準(zhǔn)配置，還需考慮林業(yè)生產(chǎn)和森林經(jīng)營的計劃火干擾，以更好地為森林消防管理提供參考。

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[7]國家林業(yè)局.全國森林防火規(guī)劃（2016-2025）[Z], 2016.

[8]湖南省林業(yè)廳.湖南每年義務(wù)植樹1.2億株 全省森林覆蓋率達 到59.68%[EB/OL].2018-3-13.http://lyt.hunan.gov.cn/ztzl/lshn_77586/201803/t20180313_4970884.html.

[9]Bo L.Time-geography – at the End of Its Beginning[J].Geojournal, 1999, 48(3): 155-158.

[10]Getis A, Ord JK.The Analysis of Spatial Association By Use of Distance Statistics[J].Geographical Analysis, 1992, 24(3): 189.