基于GIS的森林火灾时空特征分析

第 1 页 共 13 页 基于基于 GIS 的森林火灾时空特征分析的森林火灾时空特征分析 作 者 指导老师 摘要 对森林火灾的时空特征分析是总结森林火灾发生规律 进一步进行 林火预测的前提 本文通过对我国东北地区 2000 2009 年林火影像数据进行处 理 分析林火与居民地 交通干线之间的关系 探索林火空间分布与人类活动 的关系 进而总结出针对这种分布现象的解决意见 通过处理东北地区 DEM 数 据 分析林火分布与高程的关系 探寻林火分布受地形的影响程度 通过整理 十年森林过火面积的折线图 观察森林火灾发生的时间特征 然后分析这种特 征的形成原因 关键词 森林火灾 空间分布 过火面积 时间特征 森林作为陆地自然生态系统中重要的一环 它在整个自然界的 动态平衡中具有重要的作用 近几十年来 由于全球气候变化 世 界范围的人口膨胀 工业化进程加快 森林中人类的活动影响加剧 森林火灾发生的危险性提高 森林资源的持续稳定发展是世界各国 关注的焦点 防御和控制森林火灾也受到各国的普遍重视 1 森林火灾的发生有很深的自然因素和社会因素 分析森林火灾 的时间和空间分布特征 研究森林火灾的发生与各种因素之间的关 系 对于进一步开展林火预测有重要意义 本文通过分析我国东北地区十年间森林火灾的分布 以及林火 分布与居民点 道路 高程 地形 之间的关系 探索基于 GIS 的 森林火灾时空特征分析方法 以及森林火灾的分布规律 1 研究现状 1 1 利用多年林火统计资料进行分析 第 2 页 共 13 页 这种研究方法主要是针对某一地区开展小范围的研究 对时间特征的研究主要通过将多年的火灾次数 一年内各月份 火灾次数生成统计图 直观的观察分析火灾发生的时间特征 进而 分析各年份及季节火灾发生的可能性大小 得出火灾发生的时间规 律 而对空间特征的研究主要是将研究区域的下级单位区域林火 3 2 发生次数进行统计分析 进而得出哪些区域为轻灾区 哪些为重灾 区 1 2 结合气象 气候等因子分析 利用多年林火统计资料分析也会涉及到综合考虑气象 气候环 境 甚至太阳活动等因子的分析 如天地生遥相关法 张强等 19 Dr simard 详尽考虑了厄尔尼诺时与美国 48 个州的野地火活动的关 系 发现凡厄尔尼诺年美国 22 个州野地火活动明显下降 1990 年 陈正洪研究发现 重大天地现象与湖北省神农架林区林火活动严重 年相吻合 如太阳活动峰或谷值年 厄尔尼诺年 南方涛动指数中 两者或三者出现 当年或下年林火活动频繁 之后 王述洋在大兴 安岭发现了类似现象 并提出了区域高风险时段天地生预报理论 主要用遥相关法 选择若干 6 个 气象因子异常情况 研究灾害群 发性 并在此基础上 用相应的灾害群的异常预测未来一段时期内 的高风险时段 6 个因子是 ENSO 厄尔尼诺 南方涛动 SST 北太平 洋海温 太阳黑子 中国地震次数 地球自转变化及气象要素 对 每隔因此推出相应的特征函数 依其相关系数大小为权重建立总的 特征函数 据此做出季 年高风险时段预测 4 这种考虑多种因子的方法 更注重得出林火发生的时空规律 为林火预测提供依据 1 3 利用 3S 技术分析林火特征 首先将遥感获得的数据进行处理提取出火点 然后在 GIS 数据 库中结合地形 树种 气候 居民点 道路等因子进行空间分析得 出林火分布的时空特征 进而总结出规律 反演出各因子与林火发 生的相关程度 再结合 GPS 定位系统进行具体区划火险等级的划分 林火高发期进行高精度的火灾预测 3S 技术优点突出 如 RS 可以快速获得大范围地表信息 GIS 数 第 3 页 共 13 页 据处理功能强大 GPS 可以进行全球精确定位 但是三者结合仍有 技术难题有待解决 5 2 研究目的和意义 2 1 研究目的 通过分析森林火灾与交通干线分布及居民地位置的关系 探索 人类活动对森林火灾的影响 通过分析森林火灾与高程的关系 探 索地形对林火的影响 以我国东北地区为样本研究区 探索森林火 灾空间分布的普遍规律 利用东北地区十年间森林火灾的过火面积以及一年内各月份林 火过火面积的统计数据 分析森林火灾的时间特征 2 2 研究意义 我国森林面积大 森林覆盖率低 森林资源宝贵 同时我国人 口稠密 人类活动对森林火灾的影响较大 那么分析森林火灾的时 空特征 探索林火与人类活动的关系对林火的预测必然有重要意义 又因为林火发生与自然因素的关系密切 分析林火与地形的关系 林火的时间特征 对林火防控和预测也有重要意义 3 研究方案设计 3 1 研究区域概况 我国东北地区包括东北三省和内蒙古东部 这里是我国森林面 积最大的区域 大 小兴安岭和长白山呈马蹄形环绕在广阔富饶的 东北大平原的西 北 东部 南临黄 渤海 地处温带 气候温和 湿润 发育着黑龙江 乌苏里江 松花江 辽河 鸭绿江等水系 资源丰富 虽然地理条件复杂 但其内部具有相对一致性和相似性 而与周围地区又具有一定的独特性和差异性 因而东北区形成了一 个完整的自然地理区域 6 本区植被按区系组成 大致可分为三大部分 即达乌里区系 长白区系和蒙古区系 它们分别和寒温带针叶林 温带针阔叶混交 林和温带草原三种植被类型相适应 在现阶段的地形 气候等因素 第 4 页 共 13 页 影响下 东北植被的区域分异也相当明显 山地形成森林植被 平 原出现森林草原和草原植被 6 3 2 主要研究内容及技术路线 3 2 1 主要研究内容 本文在处理了我国东北地区 2000 年到 2009 年森林火灾影像数 据的基础上 利用 ArcGIS 软件分析了东北地区公路主干线 县级及 县级以上居民地 以及东北地区的 DEM 数据 主要进行以下研究 1 2000 2009 年东北地区森林火灾空间分布情况 2 2000 2009 年东北地区森林火灾空间分布与公路主干线 县级及 县级以上居民地的关系 3 2000 2009 年东北地区森林火灾空间分布与地表高程的关系 4 2000 2009 年东北地区森林火灾时间特征分析 3 2 2 技术路线 将东北地区十年的火点分布影像数据进行叠加 得出该区域火 灾发生地点 次数 范围的图像 对东北地区铁路 公路主干线 县级及县级以上居民地进行缓冲区分析 观察林火发生与以上要素 的关系 将该区域火点图像与 DEM 数据进行叠加操作 得出不同高 程范围林火发生的几率 分析林火空间分布高程特征 将十年间林 火过火面积生成折线图 得出该区域十年间林火发生的时间特征 第 5 页 共 13 页 图 1 林火时空特征分析技术路线图 4 林火空间分布特征分析 4 1 林火空间分布图 第 6 页 共 13 页 图 2 东北地区十年间林火空间分布图 从大范围影像图中裁剪出研究区域影像图 使用监督分类方法 提取出火点 将 2000 2009 年的过火区域赋值为 1 进行栅格计算 将十年的火点影像相加得出如上图的十年森林火灾次数与分布图 可以直接算出历年过火面积和不同程度易燃范围面积 区域过火次 数值为 1 的总面积为 47318 13KM 值为 2 的总面积为 2914 30 KM 2 值为 3 的面积为 438 03 KM 值为 4 的面积为 81 54 KM 值 222 为 5 的面积为 4 18 KM 2 4 2 林火分布与居民地关系 取东北地区县级及县级以上居民地做缓冲区分析 若以居民地为中心做半径为 50KM 的缓冲区 用缓冲区对火点影 像做掩膜提取 如图 3 4 可得在该缓冲区内包含了该区域发生 5 次林火的全部区域 发生 4 次林火的 91 的区域 发生 3 次林火的 84 的区域 发生 2 次林火的 58 的区域 发生 1 次林火的 32 的 区域 说明靠近居民点的林区发生森林火灾的几率更大 第 7 页 共 13 页 居民地缓冲距50km的火点分布 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 12345 次数 面积 平方千米 图 3 东北地区距居民地 50KM 范围内火点分布 图 4 东北地区距居民地 50KM 范围内过火面积 以居民点为中心做半径为 100KM 的缓冲区 以该缓冲区做掩膜 提取 如图 5 6 可知该范围包含了发生 5 次和 4 次林火的全部区 域 发生 3 次林火的 99 的区域 发生 2 次林火的 92 的区域 发 生 1 次林火的 85 的区域 第 8 页 共 13 页 居民地缓冲距为100km的火点分布情况 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 12345 次数 面 积 平 方 千 米 图 5 东北地区距居民地 100KM 范围内火点分布 图 6 东北地区距居民地 100KM 范围内林火面积 4 3 林火分布与交通干线关系 以东北地区公路干线为中心做半径为 50KM 的线缓冲区 可得出 第 9 页 共 13 页 道路缓冲距为50km的火点分布情况 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 12345 次数 面积 平方千米 缓冲区内火点分布如图 7 缓冲区内森林过火面积统计如图 8 图 7 东北地区距主干道路 50KM 范围内林火分布 图 8 东北地区距主干道路 50KM 范围内林火面积 以公路为中心做半径为 100KM 的线缓冲区 得出缓冲区内林火 分布情况如图 9 缓冲区范围内森林过火面积统计图如图 10 第 10 页 共 13 页 道路缓冲区100km的火点分布 0 5000 10000 15000 20000 25000 12345 次数 面积 平方千米 图 9 东北地区距主干道路 100KM 范围内林火分布 图 10 东北地区距主干道路 100KM 范围内林火面积 由图 9 10 可知靠近公路的地区林火发生次数多 但是较偏远 地区林火面积也较大 第 11 页 共 13 页 4 4 林火分布与高程关系 在 ArcScene 中添加东北地区 DEM 数据 进行 100 倍拉伸显示 将该区林火分布显示在图上 可以直观的看出林火分布与地形的关 系 用林火分布区域对东北地区 DEM 图做掩膜提取 统计数据得出 全部十年间东北地区林火分布与高程关系的折线图 图 11 东北地区林火分布与地形关系图 图 12 东北地区林火分布高程情况图 第 12 页 共 13 页 由以图 11 12 可知 东北地区林火分布主要集中在 300 米到 550 米的低山 丘陵地区 另外又有低海拔的两个集中区 40 80 米和 141 160 米 由图可知 141 160 米的高程范围林火发生次数多 4 5 小结 由以上分析可得到森林火灾分布的特征 靠近人类活动区的林 区森林火灾发生概率高 但是面积不大 距离人类活动范围较远的 地区林火发生概率小 如十年内从未发生火灾或发生一次火灾 但 发生火灾的范围连续且较大 300 到 500 米的丘陵 低山地区林火 分布范围广 140 160 米的高程范围内林火发生次数多 受人类活动影响森林火灾发生较频繁地区 扑灭火灾也较容易 所以范围不大 那么就应该分析起火原因 加强防范 受人类影响 较小的地区森林火灾概率小 但是一旦起火 扑灭较为困难 燃烧 范围大 则造成的损失也较大 就应该加强灭火的基础设施建设 5 林火时间分布特征分析 5 1 森林过火面积年际变化分析 图 13 东北地区十年间森林过火面积统计图 由图可知 2003 年该区森林过火面积异常增大 其他年份则较 为稳定 分析 2003 年气候则发现该年份异常干燥 因此森林防火部 门应密切注意气候变化 针对性的加强森林防火工作 2000 2009森林过火面积统计 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 年份 过火面积 平方千米 第 13 页 共 13 页 5 2 林火季节分布分析 图 14 东北地区一年内森林过火面积统计图 由图可知该区域林火多发季节为春季和秋季 即 3 5 月和 8 10 月 此时段我国东北地区降水量较少 更易发生火灾 因此在这两 个时段则应加强监测 严格防范各种诱发因子 5 3 小结 通过图像分析历年森林过火面积和各月林火发生概率 再综合 其他因素分析林火发生原因 总结出林火预测预防的重点时段 有 针对性的进行下一步工作 6 结论 研究区域的森林火灾呈现以下特点 1 距离居民点 交通干线近的区域发生森林火灾的概率大 距离 较远的区域森林火灾的概率小 但发生火灾后燃烧范围会较大 2 低山 丘陵地区林火分布范围广 140 160 米的低缓丘陵地带 受人类影响频繁 火灾发生次数多 3 森林火灾年际分布较均匀 但干旱年份林火过火面积明显增大 4 森林火灾季节分布差异明显 林火高发期集中在春秋两季 使用遥感影像数据与地理信息系统空间分析相结合 可以开展 大范围 长时间 较精确的林火分析 结合影响森林火灾的各种因 子分析林火时空特征 对于总结林火发生的时空规律 进而进行林 一年内林火分布情况 0 1000 2000 3000 4000 5000 234568910 月份 火灾过火面积 平方千米 第 14 页 共 13 页 火预测有重要意义 参考文献 1 杨冰雨 黑河地区森林火灾发生规律的研究 D 东北林业大学 2010 2 林朝晖 宁德市森林火灾时空变化规律研究 J 宁德师专学报 自然科 学版 2010 8 258 260 3 杨陵 陕西省森林火灾发生规律及原因初探 J 西北林学院学报 1997 12 4 31 35 4 王健 火灾系统时空分布规律 D 中国科学技术大学 2009 5 于成龙 基于 GIS 和 RS 森林火险预测的研究 D 东北林业大学 2007 6 赵济 陈传康 中国地理 M 高等教育学院 1999 Analysis of forest fire characteristics of space and time based on GIS ZHANG Feng Abstract Abstract Analysis of forest fire characteristics of space and time is the premise of summary forest fire occurrence regularity and forest fire forecasts The article uses the northeast of China of 2000 to 2009 image data of fore