森林可燃物负荷量测定方法研究

杨 光，黄 乔，卢 丹，邸雪颖，王海淇

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

森林可燃物负荷量是估计林火行为指标（林火蔓延速度、火强度、火焰高度和能量释放等）的重要的参数[1]，掌握可燃物负荷量的动态分布信息对于森林火险预报、林火发生预报、林火行为预报具有重要意义[2-3]。关于可燃物负荷量的研究工作始于20世纪初，当时针对森林某个类型进行了可燃物负荷量地面调查的探索性研究[2]。20世纪40年代对于森林火险的预报和管理的需求突显，许多研究工作围绕着预估可燃物负荷量和构建火行为模型展开[1]。20世纪60年代，开始考虑林分因子，利用数学模型来推断可燃物负荷量的研究[4]。20世纪70年代用时滞对可燃物进行分类，从而为可燃物负荷量测定方法研究注入了新的生机[5]。近年来，随着遥感数据估计林分因子精度关键问题的进一步解决，利用遥感技术来估测可燃物负荷量也成为研究的热点[6-8]。然而由于森林群落的多样性和复杂性，同时又存在着地域性差异，以及森林火灾发生次数及持续时间不同，从而导致了各种类型可燃物负荷量不是固定不变的，是随着各种相关因素的变化而变化[9-10]，因此衍生出的调查方法种类繁多、复杂，并且各种调查方法的结果准确程度以及调查的难易程度也存在着较大差异。本文对国内外可燃物负荷量测定方法的研究进展情况进行综述，可以对快速且准确地掌握森林地被可燃物的负荷量动态信息提供借鉴意见，以便后续研究的开展。

2 可燃物负荷量的概念及其划分

2.1 可燃物负荷量的概念

森林可燃物负荷量，也称森林可燃物载量，是指单位面积上可燃物的绝干重量，包括所有活的、死的有机物，单位是kg/m2或t/hm2[11]。可燃物负荷量计算公式由（1），（2）所示：

式中：AMC为绝对含水率（%）；WH为可燃物的湿重；WD为可燃物的干重；FMC为可燃物负荷量。

2.2 可燃物负荷量的划分

可燃物负荷量的划分方法主要有下面二种[12-13]：

（1）根据可燃物载床各层对森林火灾的作用的差别，可燃物负荷量分为树冠可燃物负荷量、死地被物负荷量和林下活地被物负荷量。

（2）按照可燃物在实际特定林火中的燃烧性，可燃物负荷量又可分为总可燃物负荷量、潜在可燃物负荷量和有效可燃物负荷量。

总可燃物负荷量，即从矿物土壤层以上，所有可以燃烧的有机质总量；

潜在可燃物负荷量，指在最大强度火烧中可以消耗的可燃物量，这是最大值，而实际上在森林火烧中烧掉的可燃物比它少得多；

有效可燃物负荷量，是指在特定的条件下被烧掉的可燃物量，它比潜在可燃物负荷量少。

3 可燃物负荷量测定方法

3.1 直接估测法

直接估测法即通过专业技术人员通过多年实践经验目测样地内可燃物负荷量，此法专业性较强，即使对于可燃物分类理论基础好且实践经验丰富的技术人员，要想做到准确直观估测可燃物负荷量都是非常困难的，目前基本不用。

3.2 标准地机械布点法

标准地机械布点法通常选择有代表性的可燃物类型，布设样地，记载样地树种组成、坡度、坡向等因子，具体测定分为如下两个过程[1,9,13]：①外业调查：在每块样地内对角线上机械设置几块小样方，对每个小样方内不同种类可燃物进行采集，野外称重；②内业计算：将样品带回实验室烘干，求每个样方内不同种类可燃物的含水率，并换算成可燃物负荷量。标准地机械布点法通过地面调查可获得艰难地段数据资料，可以比较准确地获得负荷量信息，在实际的调查中得到了很好的应用，由于是人为测量，存在费用高、耗时长而且数据获取工作量大的问题，此法可以在样地数量较少的研究或地面验证中使用[8]，不适合大范围作业以及发生火灾后快速调查。

3.3 样线截面法

样线截面法（planar intersection technique）具体测定可以概括为如下几个过程[1]：①选择代表性的可燃物类型；②在布设的样地内打出若干条平行样线；③确定样线方位；④查算枝条与样线交叉点数；⑤根据查找参数推算可燃物负荷量。此法的优点是简单易行，操作简单，野外不需称重，计算方便，缺点是只适用于地表枯死可燃物调查。目前此法在美国的可燃物负荷量调查中较常使用，在我国引用较少，如需引用，需适当进行改进。

3.4 模型推测法

模型预估法是将可燃物负荷量作为独立因子与林分因子进行相关分析，对不同种类的可燃物负荷量与相关性显著的因子进行回归分析，建立数学模型，从而通过林分因子推测可燃物负荷量。此法在国外起步较早，Olson导出了计算细小可燃物负荷量的公式，成为自然条件下对细小可燃物量化的第一人[4]。Rothermel和FhiPot提出了可燃物动态模型，使人为估计可燃物负荷量更精确[14]。Brender等提出火炬松人工林中地被物负荷量公式。Brown对林分中小径木、灌木和草本的负荷量进行了估测[15]。Vanvilgen建立了灌木总负荷量、灌木大枝负荷量随灌木直径变化的数学模型。Raison等对桉树属6种可燃物类型做了研究，建立了细小可燃物负荷量的动态模型。Conroy在Olson的模型基础上对悉尼植物类型的可燃物负荷量进行了预测，导出了估测可燃物负荷量的公式[3]。在国内，许多学者也做了相关研究，邸雪颖等研究了大兴安岭樟子松林和落叶松林地表可燃物生物量与林分因子的关系，采用一元和多元回归的方法，建立了利用林分因子估算1 h、10 h、100 h时滞的地表可燃物数量模型[11]。刘晓东等利用回归分析方法建立了大兴安岭兴安落叶松林的易燃物负荷量和总可燃物负荷量模型[16]。袁春明等利用林分因子，采用多元回归的方法建立了低山丘陵马尾松人工幼龄林及中龄林可燃物类型的可燃物负荷量模型[17]。邓湘雯等采用多模型选优的方法，分别建立了不同组分可燃物负荷量预测模型[14]。张国防等应用回归分析法，建立了福建省杉檫混交林地表可燃物负荷量与郁闭度、树高、林分平均年龄等主要林分因子动态关系的数学模型[18]。单延龙等采用向后逐步线性回归的方法，利用数学模型对大兴安岭地区樟子松林地表的各类可燃物负荷量进行了预测[19]。由于林分因子调查方便，可以从森林资源档案直接查到，因此模型预估法为可燃物负荷量计算提供了一个简便快捷可行的算法。但是目前建立的模型多为线性回归，数学线性模型不一定适合所有情况，存在一定的片面性，目前大多数模型建立方面仅选择某一地区或者单一可燃物类型建立可燃物负荷量模型，同一可燃物模型不同地区的模拟精度有待进一步验证，另外这种方法预估的可燃物负荷量专业化比较强，非专业人士不易操作。

3.5 照片推测法

照片推测法是按照不同类型的可燃物进行照相存档，并测定其可燃物负荷量作为参数，建立照片库，通过照片查找比对，推测可燃物负荷量的方法。此法是植物群落和可燃物模型两种分类方法的结合。Anderson提出了13种各径级可燃物负荷量的图片识别方法，给出了图片实例和其对应的各径级可燃物负荷量值[20]。Robert等提出照片可燃物负荷量采样技术，估计了6种可燃物类型相同的可燃物负荷量（1 h、10 h、100 h、1000 h 时滞，死地被物，木本，灌木，草本植物的负荷量），照片可燃物负荷量采样方法中照片的排列顺序可按时滞序列[21]，见图1。

照片推测法是指把可燃物按照可燃物分类标准进行分类管理，可以使管理人员需要更好的估计可燃物负荷量。但作为可燃物的每一种类型，需要有多幅照片及其相应的可燃物负荷量参数才能达到分类的目的[15]，因此该法的缺点是费时且费用高。

3.6 圆盘地面调查法

图1 照片推测

圆盘地面调查法是利用圆盘尺为工具（图2），通过在野外调查中圆盘尺测定可燃物的高度和拍摄的圆盘高度照片，通过查找已建立的圆盘高度和可燃物负荷量的关系表和参考已建立的圆盘照片指南，以便估算可燃物负荷量。此法是地面调查法、模型法和照片法的综合。Baxter等利用圆盘尺在加拿大亚伯达省的中部和北部开展了关于草地可燃物负荷量的调查，通过野外调查，建立圆盘高度和可燃物负荷量的关系表，将样地拍摄照片用作照片指南，根据关系表和照片指南预估亚伯达省春季、秋季防火期的可燃物负荷量[22]。此法优点是圆盘取样简单方便，照片参考指南直观呈现，可以快速预估可燃物负荷量，特别是对于火场现场测量具有重要的实际应用价值，缺点是关系表和照片参考指南需要根据当地实地的检验校正。

图2 圆盘尺地面调查

3.7 遥感图像法

遥感图像法是以GIS等技术为基础从遥感数字图像中提取像素值参与建模估测森林可燃物负荷量的方法。该法核心问题是确定像元的可燃物负荷量，根据对像元负荷量的分配方法，对现有方法分为两种[8]：①直接分配法。该法根据像素的光谱数据和地面抽样调查所得的可燃物模型，对遥感图像直接进行分类，建立可燃物模型，然后对图像中的像素分配可燃物负荷量。Oswald等根据地面调查数据和图像特征，建立不同可燃物类型的判别函数[8]。直接分配法是遥感图像法早先使用的方法，目前已较少使用。②间接分配法。该法是从遥感图像上判读与可燃物负荷量相关联的中间特征，并建立特征与可燃物负荷量关系模型，为各像元分配可燃物负荷量，从而解决了林冠的遮挡效应的影响。在国外，Scott等以美国新墨西哥州的针叶混交林、西黄松（Pinus ponderosa）林和杜松（Juniperus rigida）林为研究对象，以树冠覆盖比率、胸高断面积为中间特征，通过建立可燃物负荷量和这些中间特征的线性回归方程，实现了利用航空照片推测可燃物负荷量[23]。Robert创造性地提出要综合运用GIS、遥感信息和生态模型相结合的方式研究可燃物特征，方法是通过对遥感图像分析，得到林分特征，基于数学方法建立林分特征与可燃物特征之间关系，完成了由遥感图像研究可燃物特征的目的[8]。Brandis提出了运用遥感图像结合火灾历史资料、地理信息系统估算可燃物负荷量的方法，并利用LandsatTM图像对南威尔士州国家公园进行了可燃物负荷量估算，取得了良好的效果[24]。在国内，已有学者利用航天遥感数据和少量地面样地信息进行森林可燃物负荷量定量估测。赵宪文、游先样等从林分模型，地物反射亮度值，以及反映林木生物量的波谱密度值之比等途径研究估测森林可燃物负荷量的可行性[3]。王强利用TM图像以图像像素的光谱数据和地面的坡向和海拔为自变量，分别利用多元线性回归和人工神经网络的方法，分别建立了从遥感图像上估测我国东北的次生阔叶林的地表可燃物负荷量的预测方程[7]。王强等在东北林业大学帽儿山实验林场，以对应的遥感信息和GIS信息为基础，采用岭回归分析方法对影响森林可燃物负荷量的估测因子和GIS因子进行了筛选优化，建立以像元为单位的森林可燃物负荷量估测模型[25]。利用遥感图像分类方法进行可燃物负荷量的预估是一种全新、快速发展的和不断完善的可燃物负荷量的预估方法，遥感图像法相对于其他方法的优点是速度快、耗费低；缺点是从资源卫星上获得的信息还不够丰富、不够精确，从遥感图像上获取可燃物负荷量还具有一定的局限性，目前我国的研究工作甚少。

4 展望

综上所述，经过近几十年的开展，可燃物负荷量的研究产生了较好的效果，其间产生了许多可行的可燃物负荷量的测定方法，为可燃物管理和林火管理提供了有力的支持，但是现有的可燃物负荷量测定方法各有优劣，显然还没有一种快速、完善的方法，特别是一些细节上还需要深入分析探讨才能更好地运用。

（1）在模型推测法中模型因子的引入上应考虑从林分这一单因子向地形、土壤、气象等多因子发展，同时应考虑对各因子之间的相互作用的研究；模型类型上除了考虑数学线性模型，还有待进一步探讨人工神经网络等非线性方法在森林可燃物负荷量估测中的应用；模型应用范围上应深入进行不同立地条件、不同林型、不同可燃物类型的可燃物负荷量模型的研究，从分散的地区性研究向建立区域可燃物模型、全国通用的可燃物负荷量模型过渡。

（2）照片推测法和圆盘地面调查法在国外使用较多、适用性较好，在我国的研究尚属空白，未来可燃物负荷量的研究应结合我国可燃物负荷量研究实际发展情况，对照片推测法和圆盘地面调查法进行深入研究与引进，并进一步适当改进，使其适合我国国情、林情。

（3）遥感图像法应考虑使用更高分辨率的或新类型遥感图像，充分利用图像像素的邻域信息，控制像元和中间特征的匹配，提高中间特征的判别准确率，更好地揭示林分结构，可能会提高准确率；使用多种不同分辨率的图像，通过多图像融合，提高光谱分辨率和空间分辨率，提升可燃物负荷量估测的准确率；基于遥感技术探测和获取森林可燃物复杂的结构和地理多样性，建立完善和系统的中间特征以及它们与可燃物负荷量的关系模型；目前技术的发展使直接使用连续的可燃物描述成为可能，我国目前没有系统的可燃物模型体系，更需要使用连续变量来描述可燃物负荷量。

随着可燃物负荷量研究的不断深入，可燃物负荷量的测定方法会不断创新，从定性到定量，从静态到动态，从人工调查向遥感估测的方向深入发展，未来的工作需要对多种方法比较分析，通过地面调查与可燃物负荷量等特征的遥感估测研究工作相结合，不断提高估测的准确度。

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