黑龙江省森林火灾时空模型与火险区划
【摘要】：森林火灾是一项经常性的全球环境和经济危急事件,很多国际项目针对林火及其影响展开了大量研究。我国是一个林火多发国家,林火造成的经济损失居高不下,而林火研究的现状却不尽如人意。黑龙江省是我国的林业大省,是欧亚大陆北方森林带的重要组成部分,其年均森林过火面积居全国之首,是森林火灾危害最严重的地区。本文以黑龙江省森林火灾为研究对象,以广义3S技术为支撑,以基础地理数据、MODIS、TM等遥感数据、历史火场记录等为数据基础,采用数理统计分析方法、空间数据挖掘方法、ANN-CA模型法、时空模型分析等方法,研究黑龙江省林火发生时空分异规律,构建典型重特大森林火灾林火蔓延时空模型,建立黑龙江省域林火风险模型,并进行黑龙江省森林火险空间等级区划,为林火研究提供新方法、新思路,为林火预报提供前提和基础,为森林防火宏观决策和分类指导提供科学依据,以极大提高森林防火工作效率,减少森林火灾的发生,实施高效的林火扑救,降低森林火灾损失。主要取得以下研究成果：
(1)基于1980-2005年森林火灾历史统计数据的时空规律研究结果表明：黑龙江省森林火灾年际间波动较大,20世纪80年代早、中期是火灾的多发期,20世纪80年代末和90年代初期是火灾的少发期,20世纪90年代末期和2000年以后火灾发生次数又有所增加,但较80年代早期发生次数少。在大部分年份中,森林火警发生次数多,火灾次数相对少得多,反映出多数情况下对森林火警能够做到及时发现和扑救。年际间过火面积与火灾总次数呈弱相关关系,过火面积受特大森林火灾的影响特别显著。存季火灾季节长达3-4个月,集中了火灾次数的85.51%和单位时间过火面积的67.23%,夏季火灾次数与过火面积都较少,秋季火灾季节只有1-2个月,但在特定条件下也可能引发森林大火。按连续5天过火面积达到100 hm2的标准计算,春防期为第59天至第180天,秋防期为第258天到第303天,共170天的林火预防期。平原区少有林火发生,山地区随海拔高度上升而呈现减少的趋势,由于坡度起伏和缓,林火的坡度分布规律不明显,而阳坡比阴坡更易发生火灾,也更容易蔓延。
(2)基于2000-2010年MOD14A1/MYD14A1、MCD45A1对森林火灾时空分异规律的研究表明：从MOD14A1/MYD14A1火掩膜数据产品中提取出的“8+9”数据集最适合于黑龙江省的森林活动火点检测,它与森林火灾历史记录火点的吻合度达到0.83。黑龙江省在2000-2010年间MCD45A1火烧迹地的空间分布和时间变化差异非常明显,年际间和月际间迹地面积呈大幅波动。超过一半的火烧迹地分布于北温带落叶针叶林区,其面积比例达53.689%,约有44.00%的火烧迹地分布于中温带针阔混交林区,温带草原区的火烧迹地面积仅占2.32%：中海拔(200m≤H≤500rn)、低坡度(小于5°)地区森林火烧迹地面积和燃烧率都远远大于其它区域。
(3)利用MOD14A1/MYD14A1及其验证数据对典型历史火场的林火蔓延实例进行了研究,获得林火蔓延的动态变化情况。利用典型历史火场的林火蔓延实例数据和林火蔓延影响因子数据,研建基于神经网络的元胞自动机(ANN-CA)林火蔓延模型,并从已经发生在黑龙江省的重特大森林火灾中随机选取了2003年发生在黑河市爱辉区泉山地营子的“5·20”特大森林火灾利大兴安岭富拉罕册支线2003年“5·17”特大森林火灾,对模型模拟进行实例分析及精度评价,模型的总体精度分别为84.13%和83.01%。
(4)利用黑龙江省2000-2010年MODIS火烧迹地数据集MCD45A1,在GIS技术支持下,以包括气候、地物类型、地形因子和人类活动等在内的12个林火风险影响因子,采用逐步回归方法作为风险影响因子筛选方法,构建空间Logistic林火风险模型,在较大时间间度和省域空间尺度上进行了森林火险区划研究。模型拟合效果较好,在显著性水平为0.05的情况下,通过模型系数的混合检验：相对运行特征(Relative operating characteristic,ROC)曲线分析的ROC值为0.753;在0.05的显著水平上各林火影响因子相应的Sig.值均小于0.05,也顺利通过Wald检验。在模型运算得到森林火险概率分布图的基础上,按照概率等间距方法将黑龙汀省分为无火险区、低火险区、中火险区、高火险区和极高火险区五类森林火险区：大兴安岭山地寒温带针叶林区域集中了极高火险区和高火险区；小兴安岭温带针阔叶混交林区域基本上属于高火险区和中火险区：东部山地温带针阔叶混交林区域小部分地区属于中火险区;三江平原和松嫩平原属于低火险区和无火险区。
综上,探明林火发生时空分异规律、研建林火蔓延时空模型和林火风险模型可为森林防火宏观决策、分类指导、高效扑救提供科学参考。但林火的发生仍有其随机性和不确定型,因而不能对森林火灾放松警惕。开展森林防火宣传教育工作,提高全民森林防火意识；严格控制和管理野外火源,规范生产、生活用火行为：加强对高火险时段和危险区域检查监督,消除各类火险隐患;开设防火隔离带：加强森林防火基础设施建设,全面提.高预防森林火灾的综合能力,才能保证林区长治久安。
【关键词】：森林火灾 林火蔓延 火险区划 神经网络 元胞自动机 空间逻辑回归模型 黑龙江省 【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S762
【目录】：
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-12
- 1. 绪论12-34
- 1.1. 引言12-15
- 1.1.1. 研究背景12-14
- 1.1.2. 研究目的和意义14
- 1.1.3. 项目来源与经费支持14-15
- 1.2. 国内外研究现状与评述15-29
- 1.2.1. 国内外研究现状15-28
- 1.2.2. 国内外研究现状评述28-29
- 1.3. 研究目标与主要研究内容29-30
- 1.3.1. 研究目标29
- 1.3.2. 主要研究内容29-30
- 1.3.3. 拟解决的关键问题30
- 1.4. 研究方法与技术路线30-34
- 1.4.1. 研究方法30-31
- 1.4.2. 技术路线31-34
- 2. 研究区概况及研究数据34-50
- 2.1. 引言34
- 2.2. 研究区概况34-41
- 2.2.1. 自然条件35-41
- 2.2.2. 社会经济发展状况41
- 2.3. 数据来源41-47
- 2.3.1. 森林火灾历史记录数据简介41-42
- 2.3.2. MODIS温度异常/火产品及植被指数产品简介42-47
- 2.3.3. 其它数字化数据源简介47
- 2.4. 本章小结47-50
- 3. 基于历史记录数据的森林火灾时空分异规律50-60
- 3.1. 引言50
- 3.2. 数据来源及研究方法50-51
- 3.2.1. 数据来源50
- 3.2.2. 森林火灾时间分布规律研究方法50
- 3.2.3. 森林火灾空间分布规律研究方法50-51
- 3.3. 黑龙江森林火灾基本情况51-52
- 3.4. 森林火灾发生的时间变化规律52-55
- 3.4.1. 森林火灾的年际变化特征52-53
- 3.4.2. 森林火灾的季节变化特征53-54
- 3.4.3. 森林火灾的日分布特征54-55
- 3.5. 森林火灾发生的空间变化规律55-58
- 3.5.1. 行政区划分布特征55-56
- 3.5.2. 地貌区域分布特征56-57
- 3.5.3. 地形分布特征57-58
- 3.6. 本章小结58-60
- 4. 基于MODIS的林火数据集处理与分析60-76
- 4.1. 引言60-61
- 4.2. 数据来源及其简介61
- 4.2.1. MOD14A1/MYD14A1火掩膜数据集61
- 4.2.2. MCD45A1火烧迹地数据集61
- 4.2.3. MOD13 Q1植被指数数据集61
- 4.2.4. 其它数据源61
- 4.3. 数据处理与研究方法61-70
- 4.3.1. 数据预处理61-65
- 4.3.2. 森林火点数据及其验证65-66
- 4.3.3. 森林火烧迹地数据及其验证66-67
- 4.3.4. 基于MCD45A1森林火烧迹地数据的空间分析67-70
- 4.4. 数据处理结果及其分析70-73
- 4.4.1. MODIS森林火烧迹地面积年际变化特征70-71
- 4.4.2. MODIS森林火烧迹地面积月变化特征71-72
- 4.4.3. MODIS森林火烧迹地面积地形变化特征72-73
- 4.5. 结论与分析73-74
- 4.6. 本章小结74-76
- 5. 林火蔓延模型及ANN-CA林火蔓延模拟76-92
- 5.1. 引言76-77
- 5.2 林火蔓延机理及其影响因子77-79
- 5.2.1. 林火蔓延机理77
- 5.2.2. 林火蔓延影响因子77-79
- 5.3. 典型历史火场蔓延实例79-83
- 5.3.1. 大兴安岭地区呼中自然保护区2000年“6.17”特大森林火灾79-80
- 5.3.2. 黑河市爱辉区泉山地营子2003年“5.20”特大森林火灾80-81
- 5.3.3. 大兴安岭富拉罕册支线2003年“5.17”特大森林火灾81-83
- 5.4. BP神经网络原理83-84
- 5.4.1. 人工神经网络83
- 5.4.2. BP神经网络83-84
- 5.5. 基于神经网络的元胞自动机(ANN-CA)林火蔓延模拟84-90
- 5.5.1. 元胞自动机简介84-85
- 5.5.2. 元胞自动机模型与林火蔓延85
- 5.5.3. 基于ANN-CA的林火蔓延模拟85-90
- 5.6. 本章小结90-92
- 6. 空间Logistic林火风险模型与火险区划92-106
- 6.1. 引言92-93
- 6.2. 数据来源与研究方法93-94
- 6.2.1. 数据来源93
- 6.2.2. 研究方法93-94
- 6.3. 数据处理与结果分析94-103
- 6.3.1. 林火空间分布及其验证94-95
- 6.3.2. 林火风险影响因子选取与处理95-101
- 6.3.3. Logistic林火风险模型与检验101-103
- 6.4. 森林火险预测与空间等级区划103-104
- 6.5. 本章小结104-106
- 7. 主要结论于研究展望106-110
- 7.1. 主要结论106-108
- 7.2. 研究展望108-110
- 参考文献110-120
- 个人简介120-122
- 导师简介122-124
- 获得成果目录124-126
- 致谢126
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