基于GIS技術(shù)對(duì)西昌市森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分的研究

彭博

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢 430074

森林資源是重要的自然資源，是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中具有重要的作用。在眾多破壞森林的災(zāi)害中，森林火災(zāi)是破壞性最強(qiáng)、持續(xù)最為持久的一個(gè)。由于局部氣候、地表易燃物、人為因素等多方面因素的共同作用，使得森林火災(zāi)具有很大的隨機(jī)性，并且有發(fā)生頻率高、不易控制的特點(diǎn)[1]。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞森林火險(xiǎn)這一基礎(chǔ)概念做了許多工作，從利用氣象做簡(jiǎn)單的火險(xiǎn)天氣評(píng)估，到能夠進(jìn)行綜合性的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)。同時(shí)各個(gè)國(guó)家也建立了自己的火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)，如美國(guó)的NFDRS、加拿大的CFFDRS等等。[2-3]隨著對(duì)林火管理的深入研究，一些學(xué)者開始把可燃物、氣候、地形、火源距離等條件作為判別林分火險(xiǎn)等級(jí)的因子，作為短期森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。[4]同時(shí)，也開始利用遙感技術(shù)預(yù)測(cè)森林火險(xiǎn)。但大尺度區(qū)域的森林火險(xiǎn)區(qū)劃一直處在探索階段。[5-6]

本文結(jié)合遙感圖像，在眾多引發(fā)森林火災(zāi)的自然因子中，選取NDVI（歸一化植被指數(shù)）、大氣濕度、地表溫度和植被類型4個(gè)因子，對(duì)較大尺度（西昌市）區(qū)域的森林火險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。結(jié)合西昌市近年來(lái)發(fā)生森林火災(zāi)的次數(shù)與各因子的數(shù)值，采用熵值法獲取各個(gè)因子對(duì)西昌市引發(fā)森林火災(zāi)影響的權(quán)重，將西昌市的森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)。劃分結(jié)果可以對(duì)西昌市森林火災(zāi)的防治以及林區(qū)的管理工作提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文所選的研究區(qū)為四川省涼山彝族自治州西昌市。西昌市全境海拔在1500 m以上。地形以中山為主，占全市總面積的78.9%，高山、低山分別占1.1%和3.4%。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，干濕分明。大致是11—4月為干季，5—10月為雨季。[7]截至2020年10月，全市范圍內(nèi)森林覆蓋率達(dá)到51.5%。

本文使用的數(shù)據(jù)有西昌市DEM數(shù)據(jù)、Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)、2005—2016年四川省年鑒。

1.1 預(yù)處理

首先對(duì)分區(qū)塊的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理，得到西昌市的數(shù)據(jù)范圍（見圖1），并對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正的處理，為后續(xù)的分析研究做準(zhǔn)備。

圖1 西昌市DEM數(shù)據(jù)圖Fig.1 DEM data map of Xichang City

1.2 NDVI及大氣濕度

利用大氣校正后遙感影像中的第四波段（紅波段）和第五波段（近紅外波段），計(jì)算得到NDVI的值（見圖2）。

圖2 西昌市NDVI數(shù)據(jù)圖Fig.2 NDVIdata map of Xichang City

再對(duì)遙感圖像進(jìn)行纓帽變換，纓帽變換后的第三波段（Wetness）即為大氣濕度數(shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 西昌市濕度數(shù)據(jù)圖Fig.3 Humidity data map of Xichang City

1.3 地表溫度

利用第四波段（紅波段）圖像和第十波段（輻射亮度）圖像以及NDVI圖像，反演得到地表溫度數(shù)據(jù)（見圖4）。[8]

圖4 西昌市地表溫度反演圖Fig.4 Inversion map of land surface temperature in Xichang City

1.4 地表植被類型

由于西昌市海拔起伏較大，山地廣泛分布，使得該地的植被垂直地帶分異規(guī)律十分明顯。不同海拔有不同的植被類型，不同的植被類型，其中的含水量、可燃性等也不相同（見表1）。因此，通過(guò)DEM數(shù)據(jù)，獲得不同海拔范圍內(nèi)的植被類型，進(jìn)行森林火災(zāi)起火區(qū)的預(yù)測(cè)分析。

表1 各植被類型可燃率表Tab.1 Combustiblerate of different vegetation types

西昌市的森林垂直分布為：干熱河谷稀樹草叢→山地常綠闊葉林→山地暗針葉林→亞高山暗針葉林→高山灌叢草甸。干熱河谷稀樹草叢主要分布在海拔500～1500 m的河谷地帶；山地常綠闊葉林林帶分布在海拔1500～2600 m的山地；山地暗針葉林主要分布在海拔2600～3200 m；亞高山暗針葉林分布在海拔3200～4000 m的亞高山地區(qū)；高山灌叢草甸分布在海拔4000 m以上。[9]

2 劃分結(jié)果及分析

對(duì)大氣濕度、地表溫度、NDVI以及可燃率數(shù)據(jù)賦予相應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行運(yùn)算，得到森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布圖。為獲得各個(gè)因子的權(quán)重，對(duì)2006年至2015年四川省的年鑒進(jìn)行了查詢，匯總了這十年中，森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)以及各年的平均氣溫、平均濕度以及植被覆蓋率（見表2）。

表2 2006—2015年森林火災(zāi)次數(shù)及各因子數(shù)據(jù)表Tab.2 Number of forest firesand environmental factorsfrom 2006 to 2015

地表溫度越高，森林火災(zāi)發(fā)生的可能性越大。一方面，隨著地表溫度升高，會(huì)使得可燃物自身溫度升高、內(nèi)部水分蒸發(fā)加劇，更易接近可燃物的燃點(diǎn)；另一方面，溫度越高森林火災(zāi)的火勢(shì)會(huì)更加猛烈[10]。當(dāng)?shù)乇頊囟?0℃以下時(shí)發(fā)生森林火災(zāi)概率最??；在10～20℃時(shí)，發(fā)生森林火災(zāi)的概率較大；而溫度在20℃以上時(shí)，森林火災(zāi)發(fā)生的概率最大，造成的危害也最重。[11]

大氣濕度越高，森林火災(zāi)發(fā)生的可能性越小。濕度的大小會(huì)直接影響可燃物的含水率。當(dāng)相對(duì)濕度在75%?55%時(shí)，可能會(huì)發(fā)生森林火災(zāi)；當(dāng)相對(duì)濕度在55%以下時(shí)，容易發(fā)生森林火災(zāi)；當(dāng)相對(duì)濕度在30%以下時(shí)，極易引發(fā)森林火災(zāi)。[10]

植被覆蓋率越高，森林中可燃及易燃物就越多，引發(fā)森林火災(zāi)發(fā)生的可能性也就越大。但植被覆蓋率對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的影響要小于地表溫度的影響。

利用熵值法對(duì)上表中十年的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)因子的權(quán)重。

計(jì)算公式：(0.7032×溫度+0.4243×NDVI?0.1275×大氣濕度)×可燃率

對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行重分類，將起火風(fēng)險(xiǎn)重分類為“高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”“中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”“中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”“中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”和“低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”五個(gè)類別（見圖5）。

圖5 西昌市森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布圖Fig.5 Distribution map of forest fire risk in Xichang City

3 討論

利用遙感衛(wèi)星實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，結(jié)合衛(wèi)星拍攝的遙感影像，提取相應(yīng)的因子，進(jìn)行森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分（見表3）。劃分出的森林火險(xiǎn)等級(jí)可以作為一個(gè)量化指標(biāo)，為西昌市森林火災(zāi)的防治工作提供理論依據(jù)。

表3 各火險(xiǎn)等級(jí)面積表Tab.3 Fire area of each firerisk level

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)是最易發(fā)生森林火災(zāi)的區(qū)域。主要集中在西昌市東北部和西南部，以及東南部部分地區(qū)。這部分地區(qū)植被覆蓋率很高，絕大部分地區(qū)的NDVI值大于0.6；植被類型以山地常綠闊葉林和山地暗針葉林為主，可燃率較高；且地表溫度在20℃以上。是造成該地區(qū)易發(fā)生森林火災(zāi)的主要原因。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在西昌市西北地區(qū)和東部地區(qū)。這兩類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所占的面積最大，分布較為集中。這部分地區(qū)的森林覆蓋率相對(duì)較低，NDVI值在0～0.6的范圍內(nèi)；地表溫度在15～20℃左右。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在西昌市中面積占比最小，分布十分集中。幾乎全部分布在邛海及西部河流處。可視為不會(huì)發(fā)生森林火災(zāi)的地區(qū)。

根據(jù)森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分的情況，對(duì)森林火險(xiǎn)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)防控，對(duì)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行合理的林火預(yù)防。以控制森林火災(zāi)的發(fā)生，降低森林火災(zāi)造成的損失。