基于遥感和gis的森林火险预测模式研究.pdf

基于遥感和 G I S的森林火险预测模式研究 衷 金国 ① 刘 湘南 ② 周占 鳌 ② 〔 ①河北师范大学资源与 环境科学学院; ②东北师范大学城市与环境科学学院) 摘要通过对森林火险空间变量进行全面的 系统分析 和综合研究， 建立了 遥 感信息与森林 火险因子的关系摸式和森林火险遥感顶测信息系统，结合试验区建立了森林火险指数棋型 并生成了火险分布图 、引言 森林是全球生态系统的重要组成部分，近年来由于气候变暖等原因，森林火灾的发生频 率日 益增大森林火灾不仅可以造成巨大的经济损失，而且还会导致生态和灾害链后果因 此进行准确的森林火险预报，为森林火灾管理提供科学决策信息， 具有重要的理论意义及生 产实用价值然而，目前世界各国对于林火的研究， 大多围绕火险天气等级预报、林火实时 监 测、 林火行为 或灾后损失评估等方面〔 1 ,2 ,3 ,s] ， 而在森林火险预报方面的研究相对薄弱， 多数此类研究考虑因子不全面， 也没有把各变量统一在一个火险指数中 本研究拟在借鉴国内外同 类研究的基础上， 运用遥感信息和G I S 技术， 来实时获取森林 状况、 气象条件及地面特征等林火孕灾因 素， 建立森林火险遥感预测模型， 并在G I S 支持下 输出火险分级图。

二、林火灾害孕育因子分析 森林火灾的孕育环境复杂， 致灾因子多样，经过综合分析， 表明森林火险是森林自然生 态因素与人文因素相互作用的 产物自 然生态因素包括森林特性、气象状况和地形条件， 而 人文因素则体现了与人类活动有关的潜在火源分布 1 . 自然生态因寮与森林火险 森 林 特 性 影响 森 林火 险， 主 要 与 植 被 类型、 水 分 含 量、 郁闭 度、 林麟 等 密 切相关 [[ 6 ] 针 叶 林、 针阔 混交 林、 落叶 阔叶 林、 常 绿阔 叶 林耐 火 能 力 逐渐 增强， 易 嫌性 依次 降低 [，] 可 嫩 物湿 度 直 接影 响 着 火的 难易 程 度， 如 引 l,:: 概 率、 引 燃 时间 [[ 8 ] 等， 它 具 有冷 却效 应 郁闭 度 直 接影响林下可燃物的数量及林内小气候的变化随着郁闭度的增加，林内温度降低，湿度增 大， 发生火灾的可能性减小 不同龄级的森林耐火性不同， 随着林龄增加， 林分抗火性相应 增强 幼龄林、 老龄林、 成熟林、 中 龄林的 林火发 生率依 次递减， 并接近幕函 数分布[[ 9 ]降 水量、 气温、 相对湿度、 风等气象因子与森林火灾的发生蔓延有很大关系。

降水可直接增大 空气湿度及可燎物含水t,因而降低森林火灾的危险性气温越高，相对湿度越小，可嫩物 含水率越少， 森林火险性就越高风不但能加速林地水分蒸发， 而且较高的风速能给然烧点 一8 9 一 - . -. 一 ， ， 份， ， ， ， ~种 种 种 种 种种 种 . . 口. . . . .. . . . .. 种 . . ，. . 供应大量的氧气，具有增强辐射传输和扩展火势的作用地形是制约水热条件再分配的重要 因素海拔高度升高气温下降，不易发生火灾坡度较陡时， 降水径流排泄快，可燃物易干 燥， 提高林火的蔓延率，因而火险等级较高坡向不同，可引起各方位的水热状况的差异， 从而影响可燃物干燥度及林火英延趋势，不同坡向上的森林火灾发生频率由大到小依次为 南、西、东、平地、北 2 . 人文因紊与森林火险 我们选取人文因素中的路网密度与人口密度来代表潜在火源状况森林内道路一般较 窄，群众经此行走或野营， 是人为火源造成火灾的潜在路线，由于人类活动频繁，火险等级 较高人口密度决定了居民点和生产作业地点的分布及人类活动强度，人口密度大的地区， 森林火灾发生风险大。

三、G I S 支持下森林火险因子遥感获取方法 1 . 植被类型的遥感判别 最早的植被分类采用人工目视解译，之后计算机自 动分类比目视解译前进了一步，但由 于各树种相互搀杂， 且受土壤湿度， 地形阴影， 异物同谱的影响， 单纯对遥感数据进行监督 或非 监督分类的结果精度不高章杨清、靳文戟等， 采用分维向盆和多层神经网络对遥感 图 像分类[ 10 , 11 ] 本文采用E R D A S I M A G I N E 软 件提供的工 具对植被指数进行植被分类因为 由 可见光红波段 ( 0 . 6 3 一 .691m)和近 红 外波 段 (( 0 . 7 6 - 0 . 9 0 Fe m )的植被冠层波 谱反射率经 过一定的线性或非线性组合形成的植被指数， 与植被叶面积指数 ( L A I ) ， 有效光合吸收辐射 ( A F A R )和覆盖度等有很好的相关关系， 反映了植物光合作用强度和生活力的大小， 是森林 植被类型差异的一种表现 根据长春净月潭地区植被冠层反射率T M 4 , T M 3 的实测值以及土壤线方程 N I R 二1 . 5 0 6 11 + 0 . 0 0 7 8 6 计算的各植被指数见表 t o 表1 不同树种的植被指数 植被指数 蒙古栋落叶松 棒子松 ID溺叻菊料 10众20 9 . 8 1 0 . 8 1 0. 3 7 0 . 9 1 0 . 3 5 1 . 8 1 1 . 1 5 0 . 8 0 0 . 7 1 3. 1 3 7 . 3 2 。

7 6 0 . 2 3 0 . 8 8 0 刀 0. 1 2 1 . 1 2 0 . 3 3 0 . 4 5 2 . 7 1 盯 红松 5 . 乃 0 . 7 0 0. 1 9 0 . 8 5 0 . 1 7 0 〔 旧 5 . 1 3 0 . 6 7 0 . 1 7 0 . 8 4 0 . 1 5 0 . 0 8 1 . 0 8 0 . 3 4 0 . 3 1 2 . 2 6 0 . 8 2 A T c . 为最优土坡湿度条件下蒸散的冠层的温度; T c 为冠 层温度 ( 2 )对多时相植被指数 ( 如N D V I ) 序列进行分析，建立植被指数与含水A相关的模型 ( 3 )用冠层与空气的温差来估算植被水分本文采用这种方法冠层温度对植物和土奥 水分状况的敏感度主要与蒸散和蒸腾的热t损失有关当 土壤水分充足时， 通过林木蒸腾作 用维持体内正常生理活动， 冠层温度降低; 水分缺乏时， 树木气孔会自 动关闭，蒸腾作用减 弱导 致生 理活动受到抑制， 冠层温度升高 在此， 我们引人V T r 梯形[1 14 1 对于一定范围的 实际蒸散，当N D V I 升高， T c 一 T a 下降。

产生一个植被指数一温度 ( V r T )梯形， 如图1 裸 土辐射表面温度的变化与表面水含量的变化高度相关， A , B 分别代表湿裸土和干裸土当 阵 10始助Q’ 多0名 植被理盖率增加，冠层温度下降，导致 T c 一 T a 与 N D V I 负相关点C 代表对蒸散高阻抗的连续植被 冠层 ( 如由于低土壤水分供应) ;点D对应对蒸散 低阻抗的连续植被冠层 ( 水分充足冠层) ;B C 代表 低蒸散线 ( 如干早条件) ;A D代表潜在蒸散线 ( 湿条件) ， 数据值分布在T c 一 T a -N D V I 空间的这 四个极点之间水分亏损指数W D I = E F / E G 其取 值在0〔 充足水分)到 I( 极度水分胁迫)之间 5 . 商度、坡度、坡向 高程模型由 I : 飞 万地形图获得先清绘等高 线， 再用手扶跟踪数字化仪输人高程， 利用A R C / INF O T I N功能生成D E M ，并生成坡度，坡向图 ‘ . 气象数据 研究区气象数据 ( 主要是气温、相对湿度、 风等)由地面台站提供，并辅以必要的实地观测， 四、森林火险遥感预测信息系统的建立 1 . 系统设计 o t o 加匆 T o- T o m 图 1 植被指数一 沮度关系梯形 A — 湿裸土， 最大熟徽; B — 干裸土， 无燕傲; C - 一 水分胁迫植被， 无燕琦; D —水分充足植 被。

最大燕肠 一并输人G I S 数据库中 森林火灾的孕育环境复杂，致灾因子多样. 其危险评价需借助G I s 工具， 因为G I s 具有 存储和处理大容量空间数据的能力， 可更新和检索空间信息，以 及以 不同的方式， 通过综合 一9 2 一 数据库中的信息层得到火险制图模型建立森林火险遥感预测信息系统应发挥遥感手段快 速、准确、宏观、 动态的优势， 在空间信息技术支持下借助遥感信息， 实现对森林火险预测 因子的动态监测及火险指数的计算 以便进行森林火险预报， 为火源控制决策提供科学依 据森林火险遥感预测信息系统是一个从数据源开始，经过空间数据管理系统到系统用户这 一完整过程的信息处理系统其中空间数据管理系统由数据处理和数据分析两个子系统组 成系统硬件配置为P e n t i u m II 5 8 6 微机、数字化仪、扫描仪、打印机、绘图仪等空间数据输 人设备、 输出设备 GS 软件为A R C / IN F O 7 . 1 , M a p l n f o 及遥感图像处理系统E R D A S I M A G - I N E 此系 统的功能在于森林火险的快速信息服务及进行动态研究。

该系统可以使影响森林 火险的各因子的时空分布、 数量、属性等便于查询、检索; 并且可利用遥感技术实时更新信 息;同时利于灵活运用不同的方式进行分析、评价和分类分级;以及火险模型结果的输出 最终以 迅速简洁的方式为用户提供多因子、 多层次、动态的空间型决策支持信息 2 . 数据获取与建库 数据源包括: ①林区遥感数据; ②当地气象台或林区气象站的现势观侧气象数据: 气 温， 降 水， 风， 相对湿度等; ③专题背 景图 件: 林相图， 道路图 行政区 划图， 人口 密 度图 等; ④数字地形模型D E M ， 来自1 : 1 万地形图图 形特征的输人是通过A R C / I N F O 软件和数 字化仪来实现， 属性数据可通过增加C o v e r a g e 中P A T . D B F 文件或A A T . D B F 文件的数据项输 人 五、森林火险遥感预测模型的构建 1 . 研究区地理特性 本 文选择长春净月潭遥感试验场作为研究区， 地 理位置1 2 5 0 2 6 1 5 " - 3 0 0 0 E , 4 3 0 4 5 0 0 " 一 4 7 3 0 N ， 本区属温带半温润大陆性季风气候， 年均气温4 . 7 C , 平均最高气温和最低气温 分别为2 8 . 3 ℃和一 2 2 . 4 `C ， 平均相对湿度6 9 %， 年均降水蚤6 4 5 . 3 m m ，雨季主要集中于七、 八两月， 其蒸发量为3 9 2 . 5 m m 。

本区地貌属吉林省东部山 地与松辽平原过渡地带，区内植被 属长白山夏绿阔叶林向松嫩平原的温带草原过渡的森林草原带，主要为油松、 樟子松、落叶 松、 红松等人工针叶林， 现有森林面积5 0 0 6 公顷， 森林班盖率达5 4 . 3 6 %， 本区1 9 5 0 一 1 9 8 4 年共发生火情、火警8 0 次， 烧毁林地1 3 . 8 公顷，近年来虽未发生火情， 但目前林火等级较 高 2 . 火险预测模型的构建 选取影响林火的主要因子作为森林火险预测因子 ，每一因子看作是综合分析的不同的 信息层，它们的叠置可定义火险区模型建立的方法如下 :第一， 根据每个数据层对火险 大小的影响赋予权重， 权重的确定主要考虑每个变量 ( 层)对于森林火险的相对重要性; 第 二，参考国内外研究成果及实验区环境特性，把每个数据层再。