森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估方法綜述

王睿琛，張文文，龍騰騰,2，王秋華,2

(1. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

森林火災(zāi)是世界多林國家共同面臨的災(zāi)害。作為一種自然災(zāi)害，其會造成嚴(yán)重的森林資源、生態(tài)和生命財(cái)產(chǎn)損失。與其他災(zāi)種相比，森林火災(zāi)具有更高的發(fā)生頻度，在特定天氣和環(huán)境條件下形成的規(guī)模和波及的范圍存在高度不確定性，正在持續(xù)不斷地向人類發(fā)出挑戰(zhàn)[1]。亞馬遜地區(qū)在2019年共記錄了48 339處火情，而2018年為24 467處火情，呈猛烈增長趨勢。該地區(qū)森林大火蔓延廣，時(shí)間長，強(qiáng)度大，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[2]。2019年11月澳大利亞森林發(fā)生大火，累計(jì)過火面積超過1 940萬hm2，受極端火行為影響，撲救極其困難，在澳大利亞乃至世界歷史上也屬罕見[3]。2020年3月30日，四川省涼山州西昌市瀘山發(fā)生森林火災(zāi)，火災(zāi)過火面積超1 000 hm2，毀壞面積超80 hm2[4]。為避免森林火災(zāi)給人民和國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，需要積極預(yù)防森林火災(zāi)，保護(hù)林業(yè)資源。森林可燃物可以是草本植物、干枯植株、倒木以及腐殖質(zhì)等一切有機(jī)質(zhì)[5]，作為森林燃燒物質(zhì)基礎(chǔ)，可通過森林可燃物管理，從根本上解決林火安全問題，使森林結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高森林健康水平[6]。因此，進(jìn)行可燃物普查，為森林可燃物管理提供依據(jù)，從而積極預(yù)防森林火災(zāi)十分必要。此外，了解火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)將最大程度地減少土地和森林火災(zāi)的潛在影響[7]。而森林管理中森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估是關(guān)鍵部分，也是最重要的一步，能夠合理劃分火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級，有目的地采取預(yù)防措施，最大程度地減少對生命、財(cái)產(chǎn)和自然資源的威脅[8]。森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估是對森林火災(zāi)潛在發(fā)生與蔓延風(fēng)險(xiǎn)及森林火災(zāi)潛在危害的綜合評估，通過風(fēng)險(xiǎn)評估確定森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)地點(diǎn)并估計(jì)其影響范圍，為森林消防組織提供決策支持。通過對中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science關(guān)于森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估的文獻(xiàn)匯總、整理和歸納分析，以比較、評價(jià)森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估方法。森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估方法對當(dāng)前的森林防火措施改進(jìn)和提高具有重要參考價(jià)值。

1 森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估方法

森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估是依據(jù)可能發(fā)生森林火災(zāi)區(qū)域因子之間的關(guān)聯(lián)性，做出合理、科學(xué)的評價(jià)，最終對森林火災(zāi)的可能性及危害性進(jìn)行研究，從而完成對森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性的評估[9]。森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估不僅是評估森林火災(zāi)潛在發(fā)生與蔓延風(fēng)險(xiǎn)，而且是對森林火災(zāi)潛在危害的綜合評估[10]。森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估與火災(zāi)隨機(jī)性具有聯(lián)系，可對完善森林火災(zāi)雙重性規(guī)律起到重要作用。同時(shí)，可依據(jù)森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估進(jìn)行森林防火規(guī)劃和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[11]。通過風(fēng)險(xiǎn)評估確定森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)地點(diǎn)并估計(jì)其影響范圍，為消防組織提供決策支持[12]。

2 現(xiàn)行主要森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估方法比較

目前，國內(nèi)外采用的森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法可概括為基于信息擴(kuò)散理論的評估、基于通用風(fēng)險(xiǎn)評估模型的評估、基于林火預(yù)報(bào)的評估、基于林火蔓延模型的評估和基于GIS、RS的評估。不同森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法的優(yōu)缺點(diǎn)具體見表1。

分析表1結(jié)果可知，小尺度范圍評估方法在分析精確方面存在一定誤差，無法對大樣本進(jìn)行分析，適合分析數(shù)據(jù)少、不易整理和統(tǒng)計(jì)的小樣本事件；中尺度范圍評估方法受影響因素較多，如濕度、風(fēng)、降水、可燃物等；而大尺度范圍評估方法解決了數(shù)據(jù)獲取、分析和精準(zhǔn)度等方面的問題，可以完成林火監(jiān)測、預(yù)測、輔助決策、信息發(fā)布等功能，從而成為主流分析方法。

2.1 基于信息擴(kuò)散理論的評估

信息擴(kuò)散理論是為信息不足樣本進(jìn)行優(yōu)化的一種對樣本進(jìn)行集值化的模糊數(shù)學(xué)處理方法[14]。該方法可在不完備信息條件下進(jìn)行優(yōu)化處理，其優(yōu)勢在于能夠進(jìn)行小樣本風(fēng)險(xiǎn)評估，不需要額外的參數(shù)估計(jì)，避免了放大誤差的不足，適用于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析?；谛畔U(kuò)散理論的風(fēng)險(xiǎn)評估方法適用于目前森林火災(zāi)數(shù)據(jù)較少、信息量不足等小樣本事件[15]。

周雪等[15]基于信息擴(kuò)散理論，對中國森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估，得出全國森林火災(zāi)總次數(shù)在不斷變化，且指標(biāo)重大森林火災(zāi)次數(shù)與在總次數(shù)中比例波動幅度及頻率較為一致。金旭等[16]通過信息擴(kuò)散理論對福建省森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估，得出森林火災(zāi)受害面積相對分散，且近年來福建省森林火災(zāi)有明顯增加趨勢。目前此方法也是在可用災(zāi)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)少，且不易整理和統(tǒng)計(jì)等現(xiàn)實(shí)情況下相對適用的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析方法[17]。

2.2 基于通用風(fēng)險(xiǎn)評估模型的評估

通用風(fēng)險(xiǎn)評估模型適用于各種場景的風(fēng)險(xiǎn)評估。如層次分析法、灰色模糊綜合評價(jià)法等。?oban等[12]基于層次分析法為土耳其布卡克森林計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合GIS確定并繪制了布卡克一級火災(zāi)敏感的地中海森林生態(tài)系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)。Tong等[18]利用加權(quán)綜合評分法和層次分析法在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型的基礎(chǔ)上對吉林省西部草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。高明等[19]基于層次分析法，通過森林火災(zāi)危險(xiǎn)性、易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力等，對森林火災(zāi)的氣象風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估研究。楊建華等[20]根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程中某些影響因素的不確定性、模糊性和評價(jià)信息不完全、不充分等特點(diǎn)，利用灰色模糊理論對大興安嶺某片森林進(jìn)行綜合評價(jià)。

森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樯只馂?zāi)是一個(gè)復(fù)雜的事件，受眾多環(huán)境和人為因素及其相互作用的影響，且影響因素具有不確定性、模糊性和評價(jià)信息不完全、不充分等特點(diǎn)。因此，為保證評估結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，需對數(shù)據(jù)的采集和處理方法采取進(jìn)一步的修正和完善。而通用風(fēng)險(xiǎn)評估模型適用性高，可用于森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估。

2.3 基于林火預(yù)報(bào)的評估

林火預(yù)報(bào)是綜合氣象要素、地形、可燃物相關(guān)特征和火源等，對森林可燃物的燃燒危險(xiǎn)性進(jìn)行分析預(yù)測，林火預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性受天氣預(yù)報(bào)的直接影響。林火預(yù)測預(yù)報(bào)一般可分為3種：火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)、林火發(fā)生預(yù)報(bào)和林火行為預(yù)報(bào)[21]?？赏ㄟ^林火預(yù)報(bào)研究出適用于不同省、分區(qū)和各地、縣的森林火災(zāi)趨勢模型；利用模型進(jìn)行評估，為森林防火資金投入、設(shè)施建設(shè)、組織建設(shè)等決策服務(wù)，將森林防火工作從盲目性中解放出來[22]。

目前我國使用的多為火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)，逐漸向林火發(fā)生和林火行為預(yù)報(bào)方向發(fā)展，并開始研制全國性的林火預(yù)報(bào)系統(tǒng)。國內(nèi)外林火預(yù)報(bào)方法概括起來有經(jīng)驗(yàn)法、物理法、數(shù)學(xué)法、野外實(shí)驗(yàn)法和室內(nèi)測定法等[21]。

2.4 基于林火蔓延模型的評估

林火蔓延數(shù)學(xué)模型在1946年由W. R. Fons首先提出，隨著時(shí)間的推移，世界上許多國家都提出了自己的林火蔓延模型[25]，主要有美國的羅森邁爾模型、澳大利亞的麥克阿瑟模型、加拿大的勞森和斯托克斯模型、歐洲的普羅米修斯模型、中國的王正非林火蔓延模型等，以及在這些模型基礎(chǔ)上的修正模型[26]。

林火蔓延模型通過相關(guān)數(shù)學(xué)處理，得出林火行為與各種影響因素間的定量關(guān)系式。可利用關(guān)系式去評估將要發(fā)生或正在發(fā)生的林火行為，為滅火及日常林火管理提供依據(jù)[27]。目前使用較多的有Behaveplus、Farsite、Firefamilyplus、Landis等林火蔓延模型。

2.5 基于GIS、RS的評估

采用GIS、RS收集信息，處理和分析具有結(jié)構(gòu)和功能組件的空間數(shù)據(jù)，以確定研究區(qū)域的火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域，支持空間決策過程[28]。盡管其通常用于檢查空間數(shù)據(jù)的學(xué)科，但許多林業(yè)部門的用戶更喜歡，GIS的交互結(jié)構(gòu)是關(guān)于森林火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)識別的一個(gè)強(qiáng)大來源[29]。Bulgarian等[30]將GIS用于分析森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合不同的致災(zāi)因子創(chuàng)建各種主題地圖，并通過GIS將保加利亞森林地區(qū)森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的圖形和非圖形數(shù)據(jù)可視化。

國內(nèi)外關(guān)于遙感估計(jì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的大多數(shù)文獻(xiàn)均基于NDVI(歸一化植被指數(shù))的使用，NDVI值在特定區(qū)域的減小已被認(rèn)為是植被壓力的指標(biāo)，并且與高火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[31]。林志強(qiáng)等[32]通過GIS與NDVI等植被因子相結(jié)合，將西藏地區(qū)森林火險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分以獲取森林火險(xiǎn)的動態(tài)變化情況。European Assoc Remote Sensing Labs[33]通過RS和GIS來評估土耳其安塔利亞市附近森林火災(zāi)前后的情況并形成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖，根據(jù)NDVI比較火災(zāi)前后的分類圖像。Wenliang Liu等[34]通過RS和GIS技術(shù)提取大量的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)，以遙感數(shù)據(jù)中檢索到的NDVI作為評估大興安嶺森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級的一個(gè)因素進(jìn)行森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估。

3 結(jié)論與展望

在森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估過程中，每種評估模型均有其自身的特點(diǎn)和適用范圍，面對不同的森林火災(zāi)類型和起火原因，沒有一種評估方法是完全適用的。森林火災(zāi)會阻礙地區(qū)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境發(fā)展，因此，進(jìn)行森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。結(jié)合我國森林火災(zāi)特點(diǎn)，立足于森林資源基礎(chǔ)，森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法有利于開展全國性的森林可燃物普查，從而更科學(xué)、合理地劃分森林火險(xiǎn)，突出重點(diǎn)，集中力量，實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主的目標(biāo)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多系統(tǒng)都應(yīng)用了先進(jìn)的通信工具、遙感設(shè)備和現(xiàn)代理論，尤其是GIS、RS的概念和技術(shù)的引入，使得在空間數(shù)據(jù)的處理和分析方面又有了長足的進(jìn)展。解決了目前森林火災(zāi)數(shù)據(jù)較少、信息量不足等問題，使森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估更加精確化、動態(tài)化。以GIS、RS為主，其他一種或者幾種方法為輔，綜合評估、長期評估、聯(lián)合評估以及定量精準(zhǔn)評價(jià)，結(jié)果更具科學(xué)性和實(shí)用性，將是未來研究的重點(diǎn)和方向。研究多種森林影響因子與森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，如NDVI、森林可燃物等。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科交叉，學(xué)科融合，探尋更多的綜合評估方法進(jìn)行森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評估，對森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，為森林火災(zāi)防治政策及采取相應(yīng)技術(shù)措施提供借鑒和決策參考。