基于DEMATEL的森林火灾影响因素研究

刘蓉 段辉良 吴鑫

摘要 采用DEMATEL方法对森林火灾影响因素进行识别分析，结果表明：人为因素在森林火灾发生时起着核心作用;加强防火宣传，注重防火队伍建设，加强林区经济投入是做好森林防火最直接有效的措施;加快对气候因素和植被因素的科学研究，为森林火灾的预测提供科学依据，进而更好地保护生态环境。

关键词 森林火灾; DEMATEL;影响因素;生态环境

中图分类号 S762.1  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）04-0115-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.031

Analysis of Forest Fire Influencing Factors Based on DEMATEL

LIU Rong1，DUAN Hui-liang2，WU Xin3 （1.School of Computer and Information Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004;2.Information Center of Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004;3.College of Science，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004）

Abstract We used the method of DEMATEL to identify and analyze the influencing factors of forest fires.The results showed that human factors played a key role in the occurrence of forest fires.The most direct and effective measures for forest fires prevention are to strengthen fire prevention propaganda，pay attention to fire prevention team construction，and strengthen economic investment in forest areas.Accelerate the scientific research on climate factors and vegetation factors to provide scientific basis for forest fires prediction and better protect the ecological environment.

Key words Forest fire; DEMATEL;Influencing factors;Ecological environment

基金项目 国家自然科学基金项目（31570627）;湖南省教育厅项目（16C1671）;湖南省科技计划项目（2016SK2088）;2019年中南林业科技大学教学改革项目（2019-03）。

作者简介 刘蓉（1982—），女，河南周口人，讲师，硕士，从事森林防火、防灾减灾卫星应用工程等研究。

收稿日期 2020-06-30

人类文明进程中，火是重要发明之一，一旦有了火灾，便会酿成灾害，进而对人民生命财产安全、自然资源造成威胁和破坏，对森林生态系统也有着重要影响，因此对森林火灾的预测研究显得非常重要，国内外学者对森林火灾的影响因素一直在不断研究和探索。1988年，美国开发了“国家最新火险等级预报系统”，此系统是定性预报到定量预报的转折，考虑了气象、可燃物含水量以及地形等因子的影响[1]。 加拿大于1987年开发了“加拿大森林火险等级系统”，构建了森林可燃物含水率模型[2-3]。基于马卡什的野外火灾点示范试验，澳大利亚于1966年提出了可预测草原火灾的草地火险模型，以及可预测森林火灾的森林火灾风险等级标准[4-5]。我国森林火灾影响因素研究以及预测预报相对薄弱，主要在美国、加拿大等森林火灾风险研究基础上，根据我国的环境及气象等特征开展研究，多因子相关概率法主要应用在东北伊春林区[6-7]。综合指数法以及风速补正综合指标法，考虑的影响因素有气温、降水量、地表可燃物干燥程度、空气湿度、森林火灾蔓延指数。双指标法是中国科学院研究提出的林火预测模型，考虑了地表层可燃物含水率、气象因子这2个影响因子指标[8]，充分考虑了地表层可燃物含水率的重要作用。根据植被含水量和空气湿度之间的相互影响研究森林火灾预报的方法（被称为“实效湿度法”）也被使用。黑龙江省森林保护研究所提出“801”火险等级预测，考虑的主要气象因子是当日温度、相对湿度、风速、降水和前一天空气相对湿度。综上，在森林火灾研究过程中，因素分析一直是人们关注焦点。

鉴于国内外发展研究，这些影响因素之间存在一定相关性，但基于影响因素的决策与评价实验室（decision making trial and evaluation laboratory，简记DEMATEL法）方法来研究森林火灾从未尝试。借助此方法，將定性与定量分析相结合，找出影响森林火灾的关键因素，以便为进一步做好森林防火提供科学依据。

1 森林火灾各影响因素的DEMATEL分析方法及操作步骤

火灾发生一般包含多种影响因素，研究森林火灾的影响因素必须从多因素出发，研究主要因素和次要因素。

DEMATEL方法是在1971年由美国巴特尔纪念研究所为了解决现实世界中复杂而又困难的问题提出的方法论，该方法将图论和矩阵工具相结合，对系统因素之间的相互作用进行分析，不仅考虑了直接互相影响的两个因素之间的关系，而且还考虑了所有因素间接影响之间的关系。通过计算可以得出复杂问题的逻辑关系，将复杂问题简单化[9-12]。由于DEMATEL方法在研究影响因素方面的优越性，国内外学者相继开展了相关研究，根据相关文献总结归纳，基于DEMATEL方法的森林火灾影响因素分析的基本步骤如下。

1.1 确定森林火灾的影响因素

根据研究对象森林火灾的信息，找出其影响因素指标体系，记为I1，I2，I3，…，In。依据系统论、森林经营、气象学有关理论，将森林火灾系统分为人为因素、社會经济因素、气候因素和植被因素4个部分。

1.2 确定两两因素间的影响关系

在查阅并收集相关森林火灾的基础上，得出森林火灾中不同影响因素间直接影响程度以及相互制约关系，确定有无直接关系的有向图。若Ii对Ij有直接影响，有向图中则有一条边，由Ii指向Ij，因素间影响程度的强弱用若干评价等级来表示，一般按照5个等级来划分，用0～4来标度，0表示没有直接影响，数字越大，影响强度越大。

1.3 建立直接影响矩阵

采用调查问卷和德尔菲法对影响因素之间的直接关系进行定量，由此可得一个n×n的直接影响矩阵X，则直接影响矩阵如下：

X=0x12…x1n

x210…x2n

xn1xn2…0=（xij）n×n（1）

式中，1≤i≤n，1≤j≤n，并且当i=j时，xij=0，表示因素Ii对于因素Ij没有直接影响。如果因素Ii对于因素Ij有直接影响，则表示为xij。

1.4 正规化直接影响矩阵

为使运算结果收敛，需要对直接影响矩阵进行正规化。正规化过程是将矩阵各行元素求和并取最大值，记为max，则正规化矩阵记为Z=Iij/max。

1.5 计算影响因素间的综合影响矩阵T

为分析各因素间接影响关系，需要求出综合影响矩阵T，T=Z（1-Z）-1=tij，其中I为单位阵，（I-Z）-1是I-Z的逆。

1.6 计算各影响因素的影响度P、被影响度Q、中心度M和原因度N

Pi=nj=1Tij （1≤i≤n，1≤j≤n） （2）

Qj=ni=1Tij （1≤i≤n，1≤j≤n） （3）

Mi=Pi+Qj （i=j）（4）

Nj=Pi-Qj （i=j）（5）

矩阵Pi各行元素之和表示各行对应因素对其他因素的综合影响值，称作影响度。矩阵Qj表明各列对应因素受到所有其他各要素的综合影响值，称作被影响度。中心Pi+Qj度表示该因素在系统中的重要性程度，用Mi表示。原因度Pi-Qj表示该因素对其他因素的影响程度Nj，结果Nj为正，则是原因因素，该因素对其他因素的影响大;结果Nj为负，则是结果因素，该因素受其他因素的影响大。

1.7 以中心度和原因度绘制因果关系图

中心度为横坐标，原因度为纵坐标，标出各因素坐标系所处位置，可直观分析各因素的重要性。

经过以上分析，影响度和被影响度可以用于分析每一影响因素对森林火灾的影响程度，由中心度可分析出森林火灾发生时各影响因素的重要程度，由原因度大小分析各因素间的相互影响关系，进而为森林防火管理等决策问题提供理论依据。

2 构建森林火灾影响因素指标体系

根据文献及分析结果[13-15]，将森林火灾影响因素分为人为因素、社会经济因素、气候因素和植被因素4部分16个指标（表1）。

2.1 人为因素

在森林火灾众多的影响因素中，人为因素是最基本的构成，人为因素主要有：①森林防火责任体系。做好森林防火最根本的就是从责任体系和制度优化角度来进行。②防火宣传与指导。采用形式多样的方式使防火宣传进入林区、校园和生活社区，从根本上提升人们防火意识和防火观念。③森林防火预警与应急机制。为最大限度减少破坏面积和影响范围，提前做好森林防火物资、防火设备及通信设施非常有必要。④防火队伍建设。森林消防队伍是森林防火体系重要的组成部分。

2.2 社会经济因素 社会经济因素包括：①经营林区的投入。加大资金投入配备国防林防火设施，可充分发挥森林防火预警监测系统的作用。②当地教育水平。经济发展水平相当水平下，人们的受教育程度越高。③传统节日。在清明节前后，气温回升，风干物燥，是火灾多发期。④林区经济发展水平。林区经济发展水平决定着森林资源的具体利用方式及利用程度。⑤林业产业结构。林业产业结构决定着我国森林资源的利用方向，在一定程度上可减少林火发生。

2.3 气候因素

气候因素包括：①日最高气温。气候因素中，空气温度越高，森林植被水分容易蒸发，干燥环境下林火发生概率就会比较高。②最大风速。在森林火险预测中，火灾蔓延速度以及火灾扩散面积的直接影响因素就是风速。③降水量。多日连续无降水，提高可燃物干燥程度，植被越干燥，林火风险就越大。④空气日最小相对湿度。研究表明，日最小相对湿度小于30%时，发生重大森林火灾的概率会有所提高。

2.4 植被因素

植被因素主要有：①植被覆盖度。代表研究区域内可燃物疏密程度，植被覆盖度越大，在草木生长期间林火不易发生;在积雪期，积雪覆盖度越大，植被覆盖度越小，林火发生的概率越低。②可燃物含水率。可燃物含水率越高，火险等级就越低;可燃物含水率越低，火险等级就越高，容易引发森林火灾。③地形特征。地形特征中高程、坡度、地形起伏度都是森林火灾发生的因素，对于高程低、地形起伏不大的区域，林火发生的概率较高。

3 DEMATEL方法在森林火灾影响因素分析中的应用及相关分析

3.1 方法应用

根据上述分析及模型，首先建立森林火灾影响因素之间的直接影响矩阵，使用0～4标度法作为评判规则进行评判。其中定义0、1、2、3、4分别表示2个影响因素间“没有影响”“较弱的影响”“弱的影响”“强的影响”“很强的影响”。基于向森林火灾领域专家发放问卷，对森林火灾影响因素进行打分。通过对问卷进行整理，建立直接影响矩阵（图1）。然后利用上述直接矩阵及DEMATEL方法计算出各影响因素之间的综合影响矩阵，计算出各影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度，结果如表2所示。

从表2可以看出，森林火灾影响因素中，原因度大于0的影响因素共有12个，森林火灾原因度小于0的因素共有4个。

3.2 结果分析

在应用DEMATEL方法对森林防火影响因素进行识别时，若只考虑原因度和中心度大小来进行分析，可能会造成对某些影響因素的错误判断。该研究综合考虑了影响度R和被影响度D的计算结果并进行分析。

3.2.1 森林火灾影响因素原因因素分析。

原因度M大于0，说明此影响因素可以影响其他影响因素，被称为原因因素。由表2可知，引起森林火灾的影响因素中，社会因素中传统节日引起的森林火灾占主导，同时气象条件也对林火发生起着决定作用。另外，社会因素I6（教育水平）、I7（林区经济发展水平）和气象因素I14（植被因素）对森林火灾发生的作用也很显著。I1（森林防火责任体系）的影响度和被影响度得分较高，但原因度得分很低，这说明森林防火责任体系对其他因素的影响较大，与此同时其他因素对它的干扰作用也大。

3.2.2 森林火灾影响因素结果因素分析。

原因度M小于0，说明此影响因素会受到其他影响因素的影响，被称为结果因素，结果因素会因其他因素的变化影响而产生变化。由表2可知，结果因素主要有I2、I4、I4、I9共4个因素。其中，防火宣传与指导、经营林区的投入、林业产业结构是最容易受影响的因素。这说明在森林防火中，比较有效的途径是增加林区的经济投入，同时调整林业产业结构、加强防火宣传与指导等积极措施。另外，防火队伍建设的被影响度得分不低，所以提高防火队伍水平和业务能力也是做好森林防火的直接有效措施。

3.2.3 影响因素中心度分析。

中心度的值越大，此因素越靠近核心因素位置，则该因素对其他影响因素的影响作用越大，相反影响则越小。由表2可知，在森林火灾的影响中，有较大中心度的因素有I2、I5、I15、I8、I10、I11、I1、I13、I12，这9个因素处于影响因素中的核心位置。其中I10、I8、I11、I15不仅具有很高的中心度，而且具有较高的原因度，表明这4个因素是森林火灾的核心关键影响因素，在森林防火中应当将其放在首要考虑的位置。另外，I10的原因度居于首位，I15的影响度居于首位，I8的中心度最大，I11的中心度和原因度居于中间位置。由此看出，在森林火灾中，人为因素处于核心位置，气候因素和植被因素属于驱动因素，因此在森林防火过程中，对人的行为进行有效控制与引导，可有效避免森林火灾的发生。同时要加强对气候因素和植被因素的科学研究，进而为森林火灾的预测提供更加科学的依据，对保护人类居住的生态环境具有重要的积极意义。

4 结论

该研究构建了森林火灾影响因素指标体系，利用DEMATEL方法对森林火灾影响因素进行了定量分析，包括每个影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度，并进行相关分析。探讨了影响森林火灾的关键因素，其中人为因素在森林火灾发生时起着核心作用，因此在预防森林火灾发生时要充分发挥人的积极主动作用。通过对原因度值小于0的结果因素分析，加强防火宣传，注重防火队伍建设，加强林区经济投入，调整林业产业结构，是做好森林防火的直接有效措施。研究表明，为避免林火发生，一方面控制人的行为，另一方面，还要加强对气候因素和植被因素的科学研究，为森林火灾的预测提供更加科学的依据，进而保护人类居住的生态环境。

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