應用GIS分析影響森林火災發(fā)生的因子和時空分布特征
——以美國加利福尼亞州為例

劉家暢 唐斌 鄒源

(成都理工大學，成都，610059)

森林火災具突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難的特點，對森林生態(tài)系統和人類生活都會造成極大損失，聯合國科教文組織已將大面積森林火災列為世界八大自然災害之一[1]。為了預防森林火災的發(fā)生，最大限度地減少火災發(fā)生和損失，了解森林火災的時空分布特征，對森林火災預防和資源配置具有重要作用。

以往對森林火災研究，主要使用主成分分析、聚類分析、相關性分析等統計方法分析森林火災時空分布特征，并對森林火災形勢進行評價。該方法主要對火災的分布情況進行了統計性描述，涉及火災的影響因素較少[3-5]；杜建華等[6]借助時間序列、皮爾遜相關分析及線性回歸分析等方法，分析了森林火災發(fā)生的特征及其氣候驅動因子，并建立了火災導致傷亡人數的預測模型；Julien et al.[7]研究了人類、土地覆蓋和天氣對地中海地區(qū)火災區(qū)域分布的相對影響；Pew et al.[8]使用GIS方法對造成的森林火災的空間分布情況進行可視化，使用邏輯回歸模型對人為森林火災的空間分布多樣性進行分析；王景華等[9]運用地理信息系統對四川省森林火災空間分布特征進行了分析；Jonathan et al.[10]使用細胞自動機來確定森林火災的模式，并對未來各區(qū)域森林火災發(fā)生的概率進行預測。

以1992—2015年美國加利福尼亞州森林火災數據為研究對象，在GIS空間分析和一般統計方法的基礎上，增加了反距離加權(IDW)空間統計制圖方法，對加利福尼亞州森林火災的時空分布特征與多種影響因子進行研究，為森林資源的合理配置和森林火災的預測、預報工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

加利福尼亞州位于美國西部太平洋沿岸，地理坐標為32°30′～42°N，114°8′～124°24′W?？偯娣e為411 013 km2，其中陸地面積為404 298 km2，水域面積為20 047 km2；最高海拔4 421 m，平均海拔884 m，最低海拔-86 m；森林面積為123 304 km2，覆蓋率高達30%，森林數量在全美洲排名第二；年平均氣溫16 ℃，降水量東西差異懸殊，西北部降水量為4 420 mm，東南部科羅拉多沙漠50～75 mm。

2 研究方法

2.1 數據來源

1992—2015年加利福尼亞州森林火災數據來源于Kaggle比賽數據集，具體包括發(fā)生時間、地點、森林受害面積、火災起因等屬性。另外，還從NOAA網站上搜集了加利福尼亞州不同站點天氣數據(包括各站點溫度、降水等數據)。

2.2 點密度法

研究使用ArcGIS的點密度分析工具，計算每個柵格像元周圍點要素的密度，輸出研究區(qū)森林火災密度分布圖，分析不同區(qū)域發(fā)生森林火災的密度的分布情況。其原理為在每個柵格像元周圍定義一個鄰域，將鄰域內點的數量相加，然后除以鄰域面積，即得到點要素的密度，假設某點要素密度為ρ，鄰域面積為S，鄰域內點的數量為N，則該點密度計算公式為：ρ=S/N。具體的值和所取鄰域面積有關，面積越大，計算彌渡時需要考慮的點的數量越多，會得到更加概化的輸出柵格，在研究中鄰域為以30 km為半徑的圓形區(qū)域。

2.3 反距離加權插值法

3 結果與分析

3.1 時空分布特征

由表1可知，從1992—2015年，加利福尼亞州森林火災的發(fā)生年均7 898起，年均火災規(guī)模66.76 km2。森林火災次數的變異系數較小，表明各年份森林火災發(fā)生次數總體無明顯的波動。而森林火災平均火災規(guī)模變異系數較大，森林火災的平均規(guī)?？傮w呈上升趨勢，在2000年以后，平均林火超過100 km2的火災發(fā)生的年份明顯增加，除2010和2012年火災規(guī)模較低外，其余年份火災規(guī)模都相對較大。1992年森林火災發(fā)生起數最多，但火災平均規(guī)模卻相對較小，說明該年份導致火災發(fā)生因素較多，不易擴散；2007年火災發(fā)生次數次之，且該年火災平均規(guī)模也較高；2010年為統計的所有年份中森林火災發(fā)生起數最少，火災規(guī)模也最小。

表1 美國加利福尼亞州1992—2015年森林火災數量和平均規(guī)模情況統計

利用ArcGIS字段計算器將加利福尼亞州森林火災數據按照火災規(guī)模從小到大分為A-G七個級別，使用分級繪圖的方式繪制1992—2015年加利福尼亞州森林火災不同規(guī)模級別的總體分布圖(見圖1)。

由圖1可知，研究區(qū)大規(guī)模森林火災的發(fā)生集中在西南和西北部的森林中，中部大規(guī)模森林火災情況相對較少，但多發(fā)生小到中等級別林火，而中部平原地區(qū)和東南部地區(qū)由于林地分布較少，火災發(fā)生的次數也較少。

利用ArcGIS的點密度分析工具，以5 a為尺度，繪制加利福尼亞州從1995—2015年每5 a森林火災發(fā)生的空間分布情況示意圖(見圖2)。

由圖2可知，從1995—2015年，加利福尼亞州的森林火災普遍分布于西南部和中部森林，雖然發(fā)生的主要位置并未發(fā)生明顯變化，但可明顯看出，從1995年到2005年，中部火災已有向周邊蔓延的趨勢，2005年到2015年，火災向周邊蔓延趨勢更加顯著，其余區(qū)域也能看出明顯的擴展趨勢。但從發(fā)生頻次上看，南部森林火災頻次有微小減弱的趨勢，中部火災的發(fā)生頻次也有減弱的趨勢，唯有西北部森林的一小塊區(qū)域發(fā)生火災的頻次有逐年增長的情況。

3.2 火災因子

3.2.1 地形因子

通過ArcGIS重分類工具和匯總統計工具統計出的高程由低到高5個級別的森林火災數量。結合圖2可知，加利福尼亞州森林火災主要分布于靠近東部山脈的平原森林和西南部丘陵地貌的森林，西部靠近海岸且無較高地形的阻擋，極易受到海風的影響，極易導致火災的發(fā)生和蔓延；加利福尼亞州森林火災受高程變化影響明顯，火災多發(fā)于高程較低的平原地區(qū)，由于低海拔地區(qū)森林植物分布較高海拔地區(qū)植物分布更為集中，且低海拔地區(qū)人口分布密集，引發(fā)森林火災的可能性更大。

3.2.2 氣候因子

使用反距離權重插值方法(IDW)，利用ArcGIS軟件，以30 m的空間分辨率分別繪制加利福尼亞州四季降水、溫度和森林火災頻次分布圖，并通過匯總統計工具分別統計出每月加利福尼亞州平均降水、平均溫度和森林火災頻次的變化情況，分別得到該區(qū)域森林火災隨降水和溫度變化的示意圖(見圖3)和1992—2015年美國加利福尼亞州溫度、降水、森林火災數量按月變化統計表(見表2)。

由圖3和表2可知，加州的天氣為夏季高溫干旱，冬季低溫濕潤。而森林火災的發(fā)生與溫度呈正相關，與降水量呈負相關，因此，加利福尼亞州森林火災的發(fā)生有較強的季節(jié)性。夏季高溫干旱，非常適合林火的產生與蔓延，夏季火災的頻次最高，而冬季則相反。加利福尼亞州森林火災的空間分布隨季節(jié)變化較為顯著。冬季加利福尼亞州東北部地區(qū)溫度較低，接近冰點，且降水量豐富，北部森林火災發(fā)生的頻次較少，而西南部森林由于相對較高溫度和較低的降水量，森林火災的發(fā)生的頻次最高；春季加利福尼亞州中部和南部溫度較高，除了西北與少部分東部森林，其余地區(qū)降水量都相對較少，因此，北部森林少有林火發(fā)生，林火發(fā)生基本集中于中部和南部森林；夏季中部到南部溫度較高，且極少降水，因此，整個研究區(qū)域火災頻次除了南部和中部幾個全年火災高發(fā)地區(qū)以外，其他部分也都有較高的發(fā)生頻率；秋季和春季降水與溫度相當，因此，林火的發(fā)生與春季較為接近。

4 結論與討論

根據加利福尼亞州1992—2015年森林火災數據，應用GIS空間分析中的點密度分析、空間插值(IDW插值)、空間統計方法，利用地理信息系統軟件，對加利福尼亞州森林火災的時空分布特征和影響因子進行研究，結論如下：①在時間分布上，從1992—2015年，加利福尼亞州森林火災發(fā)生次數無明顯趨勢，但火災平均規(guī)?？傮w上有顯著的增長趨勢。②在空間分布上，研究區(qū)大規(guī)模森林火災的發(fā)生集中在西南地區(qū)和北部的森林，從1995—2015年，加利福尼亞州南部與中部森林火災有微小減弱的趨勢，但西北部森林的一小塊區(qū)域發(fā)生火災的頻率有逐年增長的情況。③地形因子上，加利福尼亞州森林火災受高程變化影響明顯，火災多發(fā)于高程較低的平原地區(qū)。④氣候因子上，加利福尼亞州森林火災的發(fā)生有較強的季節(jié)性，受溫度與降水影響較大。冬季加利福尼亞州北部森林火災發(fā)生的次數較少，西南部森林火災的發(fā)生的頻次最高；春季加利福尼亞州北部林火發(fā)生較少，林火主要集中在中部和南部；夏季中部到南部溫度較高，極少有降水，整個研究區(qū)森林火災頻次較高；秋季林火情況與春季季相近。

表2 1992—2015年美國加利福尼亞州溫度、降水、森林火災數量按月變化統計

整體來說，加利福尼亞州地形復雜，各區(qū)域氣候多變，植物種類、森林類型多樣性較強，導致森林火災分布復雜，并且過火面積較大。因此，對該區(qū)域森林火災的時空分布、影響因子進行分析，對我國相似地形、氣候林區(qū)的森林火災的防治和管理具有參考作用。