林火扑救危险地带自动识别与提取方法研究*

连人豪 张河远

（1.广州市大岭山林场，广东 广州 510976； 2. 广州市林业和园林局，广东 广州 510060）

林火扑救危险地带自动识别与提取方法研究*

连人豪1张河远2

（1.广州市大岭山林场，广东 广州 510976； 2. 广州市林业和园林局，广东 广州 510060）

安全科学扑火是森林消防的重要工作，影响扑火安全的因素很多，其中地形是最基础的因素。一些特殊的地形对扑火人员的生命安全构成了极大的威胁，如陡坡、窄山谷、窄山脊、单口山谷（葫芦峪）、鞍部、悬崖等，如何高效地识别扑火危险地带，对于科学指挥、安全灭火至关重要。文章以广州市大岭山林场为例，采用GIS（地理信息系统）的栅格分析方法，基于DEM（数字高程模型）分析识别林火扑救危险地带的地形特征，建立ArcGIS可视化分析模型快速提取危险地带，与实际地形对比准确度很高，表明该方法科学有效。

森林火灾；林火扑救危险地带；识别提取；DEM

森林火灾是世界上破坏性最强、毁灭性最大的自然灾害之一，不仅破坏森林资源、生态环境，而且易造成重大的经济损失和人员伤亡[1-2]。森林火灾受气象、地形和可燃物三大自然因素的影响，极易形成复杂的林火蔓延行为，变化无常的火势严重威胁灭火队员的人身安全[3]。近年来我国森林火灾造成扑火人员伤亡的事故频频发生。据报道，2004年1月3日16:30时广西壮族自治区玉林市兴业县卖酒乡党州村太平自然村发生森林火灾，在三面环山狭长的葫芦峪局部产生了旋风、火势突然增大，火焰超过10 m高，导致11名扑火人员死亡；2010年12月5日四川省道孚县发生草原火灾，大风吹燃余火将扑火的战士和群众围在狭窄的沟谷中，造成22人死亡1人重伤；2016年2月14日云南省迪庆州香格里拉市上江乡良美村发生森林火灾，因地形复杂、火场风向突变，造成扑救人员1死6伤。

频频发生的林火扑救安全事故引发我国对扑火安全工作的高度重视，2009年1月1日修订颁布的《森林防火条例》大幅增加了人身安全方面的内容[4]。血的教训告诉我们，必须加大森林扑火安全研究，如果扑火指挥员对于危险地带及其林火蔓延变化不能正确识别与预判，就易导致指挥失误、使扑火队员陷入危险境地，极有可能发生人员伤亡，甚至发生群死群伤事件[5]。扑火危险地带主要包括陡坡、悬崖、窄山脊、窄山谷、鞍部和葫芦峪等常见特殊地形[3,5-7]，如窄山谷会增加热空气的对流速率，风速增大、林火蔓延速度加快，容易产生新火点和火爆，且火场燃烧耗费了大量的氧气，致使谷底空气含氧量下降，易使扑火人员窒息[5-6]。近年来许多研究为自动识别地形地貌提供了技术支持[8]，DEM逐步替代等高线成为地形描述与分析的主要信息载体，如何利用DEM快速高效地识别危险地带，对于科学指挥扑救路线、灭火方案、安全进入以及退出森林火场都非常有意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文以广州市大岭山林场为研究区，位于广东省广州市从化区温泉镇，同时与增城区和惠州市龙门县接壤（图1），地形东高西低、交通不便、森林防火设施偏少（图2）,每年9月至次年4月风干物燥，近年受季风和森林旅游影响、林火威胁较高，林区沟壑纵横、扑火安全隐患较大。

图1 广州市大岭山林场地理位置

1.2 研究方法

为识别林火扑救危险地带，采用数字高程模型（简称DEM）作为材料，基于栅格计算分析地形特征，识别出潜在危险的地形区域。下面以窄山脊、鞍部区和葫芦峪为例，研究基于DEM自动分析识别扑火危险地带的有效方法。

1.2.1 山脊识别提取 山脊是整个山脉当中贯穿山顶、山背，能够反映山脉走势的凸棱部分，窄山脊(拱脊)处易产生热辐射和热传导，温度极高且林火瞬息万变、难以预测，极易造成扑火人员伤亡[3]。识别提取窄山脊的第一种方法是利用山脊分水和山谷汇水特征，采用水文分析方法识别提取，山脊和山谷的识别实质变成分水线和汇水线的提取[9]。对于山脊而言，通过地表径流模拟计算之后，这些栅格的水流方向都应该具有流出方向而不存在流入方向，即栅格汇流累积量为零，识别提取零值栅格，就可得到分水线，即为山脊。第二种提取方法首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正、负地形，然后取正地形上平面曲率的大值为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。作为林火扑救危险地带，窄山脊往往指宽度较小（如小于10 m）的山脊，可在前一步山脊栅格的基础上进一步过滤得到，这里采用第一种方法。针对山谷而言，可以利用反地形计算，即利用研究区最大高程值（常数）减原始DEM数据，得到与原始DEM相反的地形数据，使得原始DEM的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM的山谷在反地形中变成了山脊，再利用类似山脊的方法识别提取山谷。应用ArcGIS软件空间分析图解建模如图3。

1.2.2 鞍部识别提取 鞍部是指位于相邻两山峰之间呈马鞍形的低凹部位，通常是山脊与山谷交汇区域。当风越过山脊鞍形场时，容易形成水平和垂直旋风，出现温度极高和浓烟滚滚的险地，易引发扑火人员伤亡。鞍部是重要的地形控制区，可将前一步求解得到山脊和山谷相交，获取鞍部区域，基于DEM分析提取模型如图4。

图2 广州市大岭山林场地形及防火设施

图3 基于DEM分析提取山脊模型

图4 基于DEM分析自动提取鞍部模型

1.2.3 葫芦峪识别提取方法 葫芦峪为只有一个进出口且三面环山的山谷区域, 易聚烟、易产生乱流，风向变化易堵住谷口逃生路线，是非常危险的扑火地带。根据葫芦峪地形特征，这里先明确量化的指标：（1）谷深与谷宽之比≥1/4，谷深是谷底至两侧山脊的最大高度差，谷宽是谷底至两侧山脊最大距离；（2）谷口宽与谷腹最宽处的值之比≤1/3。首先要提取山谷，相当于两条山脊（分水岭）之间的汇水区，可根据DEM水文分析方法获得微观的汇水区；然后分别通过分区几何统计获得山谷区的谷宽和谷深,计算得到谷深与谷宽之比。谷口宽难以直接自动获取，用山谷口（出水口）距离制图分析，结合坡度分析提取大于45°的陡坡，近似得到谷口的宽度，再计算谷口宽与谷腹最宽处的比值。两个结果的栅格（其值为0或1）相乘即相当于相交，得到的栅格转换为面可自动提取葫芦峪的地形区域，分析提取模型见图5。

图5 基于DEM分析自动提取葫芦峪模型

2 结果与分析

采用上述方法模型进行林火扑救危险地带自动识别与提取。本研究从万分之一比例尺的基础地形图上提取了等高线、高程点和道路等数据，生成10 m分辨率DEM作为素材，以窄山脊、鞍部区和葫芦峪3种典型的扑火危险地带为例，应用图3～5所示的模型基于ArcGIS软件运行，自动识别提取的结果可制成专题图，供扑火指挥参考以保护灭火人员的人身安全。

在ArcGIS软件中运行图3所示的模型，输入DEM文件，运行约2 min后可得到宽度小于10 m的窄山脊栅格，叠加于等高线图层之上，可看到图6中的红色窄山脊与实际地形吻合度很高。

运行模型4得到图7中的鞍部区与实际地形非常吻合，可在扑火训练与调度指挥中避开此类危险区域。

运行模型5先计算山脊组成的分水岭得到每个主要山谷所在的汇水区，在每个汇水区范围内进行谷深/谷宽、谷口宽/谷腹宽两个比值计算，同时符合条件的栅格转面，过滤得到主要山谷的葫芦峪（图8），其大致范围与真实地形90%以上相符，说明该方法识别的准确性很高。

图6 自动识别提取的大岭山林场窄山脊分布图

图7 自动识别提取的大岭山林场鞍部区分布图

图8 自动识别提取的大岭山林场葫芦峪分布图

3 结论与讨论

针对威胁森林消防员人身安全的地形因素，本文尝试采用数字高程模型分析广州市从化区大岭山林场地形特征，研究自动识别提取常见危险地带的方法。首先分析了林火扑救常见危险地带的地形特征，以窄山脊、鞍部和葫芦峪3种典型地形为例，采用DEM分析方法识别具有危险地形特征的区域，如窄山脊和窄山谷主要是通过水文分析的方法来识别，葫芦峪主要是通过水文分析和区域几何统计方法来识别，再利用ArcGIS软件的图解建模工具实现具有这些地形特征的危险地带提取过程自动化，提取结果与实际地形吻合度非常高，表明该方法科学有效。

扑火危险地带也可以通过坡度分析等方法来分析识别，只是需要人工判断与干预较多，识别提取的精度依赖于人为经验与对研究区地形的认知程度。基于DEM的地形分析与识别还受DEM数据精度和提取尺度影响，DEM精度过低，可能忽略一些微观的危险地带，精度过高可能会生成与实际扑火有差异的破碎微地形；另外鞍部与葫芦峪识别提取时，是在前面提取结果的基础上继续分析，结果的尺度可能会产生类似于DEM精度的不确定性，需要进一步深入研究。

[1] 刘喻娟, 周于琼, 赵瑟敏, 等. 森林火险高风险区综合治理——以潮州市为例[J]. 林业与环境科学, 2017, 33(3):70-73.

[2] 苏立娟, 何友均, 陈绍志. 1950—2010年中国森林火灾时空特征及风险分析[J]. 林业科学, 2015, 51(1): 88-96.

[3] 张惠莲. 林火行为与森林火灾扑救安全[J]. 森林防火,2013(4): 55-58.

[4] 韩焕金, 姚树人. 森林火灾扑救中有关安全问题的研究概述[J]. 陕西林业科技, 2012(5): 45-47.

[5] 李东斌. 扑救森林火灾安全技术研究[J]. 森林防火,2008(1): 43-44.

[6] 顾香凤, 李昂. 扑救森林火灾安全准则[J]. 林业劳动安全, 2010, 23(2): 34-36.

[7] 王明玉, 郑桂华, 田晓瑞, 等. 森林火灾扑救中扑火队员的安全防范[J]. 世界林业研究, 2006, 19(1): 31-33.

[8] 汤国安. 我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J]. 地理学报, 2014, 69(9): 1305-1325.

[9] 汤国安, 杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

Automatic Identification and Extraction of Danger Zones in Forest Firefighting

LIAN Renhao1ZHANG Heyuan2

（1.Dalingshan Forestry Centre of Guangzhou，Guangzhou，Guangdong 510976，China;2.Administration of Forestry and Gardening of Guangzhou Municipality, Guangzhou，Guangdong 510060，China）

Safety and scientific extinguishment of the fire is the first concern for the forest fire control. There are many factors that affected the safety of firefighting, in which the terrain is the most basic factor. Especially some special terrains are the great threat to the life safety of forest firefighters, such as abrupt slopes, narrow valleys, narrow ridges, gourd-shaped valleys, saddle, cliff and etc. How to efficiently identify the danger zone is very important to the firefighting safety and the scientific command. Taking Guangzhou Dalingshan Forest Farm as an example, the paper uses the method of GIS (Geographic Information System) to identify the terrain features of danger zone in the forest firefighting based on DEM (Digital Elevation Model), and establishes the visual analysis model of ArcGIS to quickly extract the danger zone, which is very accurate compared with the actual terrain. It shows that the method is scientific and effective.

forest fire；danger zones in forest firefighting；identification and extraction；DEM (digital elevation model)

S762.3

A

2096-2053（2017）05-0083-06

*第一作者：连人豪（1973—），男，助理工程师，主要从事森林培育、森林防火研究，E-mail：2258013929@qq.com。

张河远（1973—），男，高级工程师，主要从事林业信息化、森林防火研究，E-mail：799448146@qq.com。