基于GIS格网的重庆合川区森林火险等级区划

安佳怡，冯仲科，2，马天天，高可可

（1.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083；2.海南大学 a.林学院；b.热带特色林木花卉遗传与种质创新教育部重点实验室，海南 海口 570228）

我国是森林大国，从历次全国森林资源清查数据可以看出，森林面积以及森林覆盖率稳步上升。第九次全国森林资源清查（2014—2018年）的数据显示，我国森林覆盖率达22.96%，森林面积位居世界第五位[1]。森林火灾是影响森林资源的主要灾害之一，也给国家经济带来了巨大的损失。2008年之前，我国森林火灾频发，次数高达14 144次；2009年至今，虽然森林防火情况转好，趋势上火灾次数和受灾面积持续下降，但基数仍然较大，可见我国森林防火形势依然严峻。国家颁布了《全国森林火险区划等级》[2]标准和《森林火险气象等级》[3]标准，主要针对大区域的宏观预测，但对于小区域如区县级或林场的指导意义不够[4]。森林火险区划是一项十分重要的工作，对保障我国的森林资源具有重要意义，通过对可燃物数据的获取及其理化性质的分析，可弥补原先火险区划研究的不足，提高火险指数的预测精度，更好地预测分析林火的发生。

森林火灾高发涉及多方面的因素，如可燃物的理化性质、地形地貌、人为因素等信息。通过合理地分析与评价，能够为火险区划提供科学合理的支撑[5]。森林可燃物（森林中的所有有机物质都属于森林可燃物）是引起森林燃烧的主要因子之一[6-8]，林地中的枯枝落叶积累越多，林火发生后火的蔓延和火强度就越大，这是发生森林火灾的一大隐患。可燃物的自身属性中，可燃物的载量[9]和含水率最为重要[10]。可燃物的增长速度越快，载量越大，火的强度越高[9]。森林可燃物的含水率直接影响着火的难易程度[11]。可燃物的燃点高低是决定树种燃烧性的一个首要条件[12]，对外界火源的温度要求越高或加热时间越长，越难以被引燃，抗火性越强。

不同的地形地势也会影响到林火的发生，坡度大小、方向直接影响可燃物含水率的变化，坡度越陡，水分停留时间越短，可燃物易干燥[13-14]，林火发生概率也就越大。坡度越平缓，水分停留时间越长，林地越潮湿，可燃物含水率也就越大，林火发生概率相对也越小。坡向不同，植被接受阳光的照射时间和程度也不相同，温湿度、土壤和植被都有差异，一般南坡更容易发生火灾，火灾发生后蔓延速度较快，其余依次为西坡、东坡和北坡。海拔对森林火险的影响是十分明显的，在一定程度上，海拔升高，森林火灾发生的可能性显著降低。当海拔更高，进入亚高山地带或分水岭附近，一般不易发生森林火灾。同时，人类活动会随着海拔的升高而减少[15]，林火发生的概率也就随之减小。

森林火灾的发生原因很多，目前发生的森林火灾绝大多数是人为火引起的。根据数据显示，2010—2019年已经查明火源的森林火灾中，主要是祭祀用火、焚烧秸秆、野外吸烟和炼山造林[16]。人为因子在林火发生中占有非常重要的位置。道路是表征人类活动对火险影响的重要因子，是人为火灾发生的潜在影响因素。道路的存在一方面增加火灾发生的危险；另一方面，又为发现火情后人员和扑火设备能够及时到达火场，为火灾的积极扑救创造了条件，较宽的道路又为火场隔离起到积极作用。火点频次随着居民地距离的接近而增加，距离居住区越近越易遭受火灾干扰。居民点密度影响着人口的空间分布格局，在居民点人口规模相差不大的前提下，居民点密度大的地方相应的人口密度也大[17-18]。人口密度越低，该地区的人为干扰越小，其森林火险指数也相应降低。

现有火险区划研究主要针对大范围尺度，落地实施困难，小区域没有明确的研究方法。本研究以重庆市合川区为研究区域，选取可燃物、地形地势、人为因素三个方面的研究因子作为火险区划指标，并将其全部插值到公里级栅格，获取栅格尺度的火险因子数据，根据不同因子对林火发生的重要程度赋予不同的权重指标，采用层次分析法，生成合川区火险区划图，为辖区防火工作提供参考。

1 研究区概况

合川区位于长江上游地区，重庆西北部，距重庆主城九区56 km，地理位置位于105.58′37″～106.40′37″E、29.51′02″～30.22′24″N。高程在185～1 284.2 m之间，东西宽69 km，南北距58 km，合川区占地面积2 356.21 km2。

合川区地处亚热带季风气候区，夏季高温多雨，冬季温暖干燥。冬季平均气温高于0℃，年降水量在800 mm以上。森林资源丰富，森林覆盖率达41%。植被基本类型有阔叶林、针叶林、竹林和灌丛。虽然植被的种类繁多，但自然组合比较单纯[19]。

2 研究方法

2.1 数据来源

地形数据来自于地理空间数据云的GDEMV2 30 m分辨率数字高程数据；植被、居民点以及路网数据来自于合川区森林资源二类调查数据。可燃物数据来自外业实地调查以及内业试验计算获取的实测数据。火点数据来自中国科学院遥感与数字地球研究所下载的年度火点数据（http://satsee.radi.ac.cn/）。

在合川区布设19个具有代表性的森林可燃物标准地，标准地设置为666.67 m2的方形样地。根据气候要素和植被分布特征，综合立地类型，以已有森林资源调查数据为基础，结合高分辨率遥感数据，分析调查区域森林可燃物植被特征和分布情况，形成可燃物调查分层基础信息数据，作为可燃物标准地布设和调查的基础，并通过可燃物试验测定其含水率、燃点等燃烧属性因子[20-21]。

2.2 研究方法

根据各因子对林火的灵敏度，经过综合分析，给予不同的火险等级分值，赋予各个火险因子适当权重，确定森林火险等级，完成区划[22]。从森林资源二类调查资料小班数据、可燃物数据、地形图、DEM数据中提取地物类型、地形因子和人文因子等的值并将其进行重分类划分至公里格网尺度[23-24]，将各个因子的火险等级分值和权重进行加权计算，求得森林火险指数。根据计算的各小班的森林火险指数，确定其森林火险等级，绘制合川区的火险等级区划图[25]。

2.3 数据分析及处理

影响森林火险发生和发展的因素是非常复杂的，其中可燃物、气象气候、火源、地形地势、人文因子都是非常重要的因素，森林火灾是在上述影响因子的综合作用下发生的。在进行火险等级评估与区划的过程中，将全部因子都作为评估指标存在一定的困难，因此需要根据评估的目的和数据特征选择具有代表性的评估指标。研究针对合川小区域展开，该地区可获得的气象数据比较少，覆盖合川全域的气象站只有一座国家基本气象站，对合川全区的气象数据进行插值处理无法体现气象数据的分布差别，故本研究不选取气象数据指标开展研究。

图1 火险区划技术路线Fig.1 Technology roadmap of fire risk zoning

1）可燃物因子处理

本研究通过外业调查，划定标准样地以及大样地，收集林分中的可燃物，并测定可燃物的载量、含水率以及燃点，并建立关系模型，获取全区的公里级格网可燃物数据，结果见表1。

表1 可燃物数据测定结果统计Table 1 Statistical table of combustible determination results

选取合川区乔木标准样地17块，细小可燃物（灌木、草本、枯落物、腐殖质）标准样地21块，获取灌木样品68份，草本样品95份，枯落物层样品99份，腐殖质层样品35份。样地位置选取见图2。

图2 可燃物样地点位置Fig.2 Location of combustibles

可燃物载量计算以标准样地样木株数作为林分密度的衡量指标，根据样地面积、树种比例计算得出单位面积蓄积量[26]。

式中：M表示可燃物载量（t/hm2）；j表示树种；cj、gj、fj为树种j的蓄积参数[27]；为j树种的平均胸径（cm）；为j树种的平均树高（m）；N为样地林分密度；kj为j树种所占树种比例。

可燃物燃点测定选用XTRD-5燃点测定仪进行，可燃物平衡含水率测定采用烘干法测定混合采样的枯落物、腐殖质样品干质量，与通过浸水饱和实验获取的鲜质量通过平衡含水率公式获得，平均平衡含水率为每个样地样品平衡含水率的平均值。

平衡含水率的计算公式为：

式中：FW为鲜质量；DW为干质量。

平均平衡含水率的计算公式为：

式中：Pw为平均平衡含水率；Pwi为第i样品平衡含水率；n为测定的样品数。

2）地形因子处理

对合川区的DEM影像数据进行处理，提取该地区的坡向、坡度以及海拔信息，并按照对林火影响程度的不同进行分类赋值（图3）。

图3 地形因子专题图Fig.3 Thematic map of topography factors

3）人文因子处理

对建筑物和道路划分缓冲区，按照不同的距离尺度划定缓冲区，靠近建筑物和道路中心位置的火险等级高，结果见图4。

图4 道路建筑物因子专题图Fig.4 Thematic map of road building factors

2.4 林火影响因子的选取与处理

为方便小区域森林火险等级区划，根据现场踏查和走访，结合现有森林结构、林火发生特点，充分征求相关人员意见，查阅有关资料，选择可燃物因子、地形地势以及人文因子三类影响因子共10个指标（乔木层可燃物载量、林下可燃物载量、可燃物燃点、可燃物含水率、地物类型、坡度、坡向、坡位、海拔、居民点缓冲区、道路缓冲区）作为火险区划指标，咨询专家建议进行权重计算并打分[28-30]，结果见表2。

表2 权重及等级打分Table 2 Weight and ranking table

2.5 火险综合评价

计算各个指标的权重，以及各个致灾因子对应分级的等级值，采用因子加权叠置分析法构建风险区划模型[31-32]，模型表达式为：

式中：FFR为森林火灾风险指数；xj为森林火灾致灾因子；wi为森林火灾致灾因子的权重。

3 结果与分析

3.1 火险等级的区划

通过上述火险综合评价模型，利用ArcGIS 10.2软件的空间建模功能，将各个森林火灾影响因子火险等级图进行加权叠加，得到合川区火险指数图（图5）。

图5 合川区火险指数Fig.5 Fire risk index of the Hechuan District

根据森林火险指数计算结果，采用自然断点法进行分类，将研究区分为5个级别，其中一级（0＜FFR＜2.28）表示该地区处于极低风险区，二级（2.28＜FFR＜2.77）表示该地区处于低风险区，三级（2.77＜FFR＜3.54）表示该地区处于中风险区，四级（3.54＜FFR＜4.41）表示该地区处于较高风险区，五级（2.77＜FFR＜3.54）表示该地区处于高风险区。分类结果见图6。

图6 合川区火险等级区划Fig.6 Fire risk zoning of the Hechuan District

根据火险区划结果（表3），统计不同火险区域的面积占比情况，可以看到五类火险区分别占合川区面积的20.37%、36.62%、17.13%、14.50%和11.39%。中等风险以上的火险区域占比43.02%，其中极高火险区和高火险区域占比25.89%。

表3 合川区各类火险区域面积占比Table 3 Proportion of all areas with fire risks in the Hechuan District

结果说明研究区的火险情况相对严峻，其中高风险区域主要在合川区东南部的清平镇、双凤镇、盐井街道以及三汇镇，这些地区道路和建筑物密集，植被覆盖度高，分布有较多的乔木林地，主要海拔介于350～500 m之间，可燃物载量较高，所以火险等级也相对较高。

3.2 森林火点验证

森林火险等级反映了火灾发生的可能性与蔓延的风险性，利用中国科学院遥感与数字地球研究所下载的2000—2019年的高温热点数据，筛选发生于合川区内的数据，通过对比火点数量以及该点位置的火险等级，对区划结果进行精度验证。结果（表4）显示位于合川区内2000—2019年火点数总计255个，其中在极低火险区域的火点数29个，低火险区域的火点数64个，中火险区域的火点数124个，高火险区域的火点数26个，极高火险区域的火点数12个，其中中等火险以上的火点数占火点总数的63.54%以上，满足研究要求，验证了火险区划的实用性。

表4 合川区各类火险区域火点数量占比Table 4 Proportion of the number of areas with fire risks in the Hechuan District

4 结论与讨论

4.1 结 论

本研究利用重庆合川区DEM数据、森林资源二类调查数据、可燃物数据，确定植被（可燃物类型、载量、燃点、含水率）、地形（坡度、坡向和高程）、人类活动（距居民的距离和路网）等指标作为火险影响因子，采用ArcGIS空间叠置分析方法，插值获取公里级格网尺度指标数据，生成林火发生的影响因子分布图，赋值获取各因子的权重指标与等级值。通过综合火险评价方法，计算出格网的森林火险指数，划分火险等级。统计近20年的高温热点数据对区划结果进行验证，分析区划结果的合理性，为区域森林防火提供参考依据。

1）可燃物数据是当前森林火险发生的重要影响因子，本研究通过插值与建模的方法获得全区的可燃物载量、含水率以及燃点数据，对进行火险区划工作具有重要的指导价值。

2）本文中选取了10个和林火发生关系密切的研究因子，将区划结果与历史火点数据进行时空分布上的对比，区划结果与历史火点有较高的相关性，火点落在3级以上区域的面积占到了63.54%以上，说明区划结果的准确性。

3）分析结果显示合川区东南部的清平镇、双凤镇、盐井街道以及三汇镇这些地区道路与建筑物分布密集，植被覆盖度高，海拔介于350～500 m之间，因此火险等级也相对较高。

4.2 讨 论

合川区属于城乡交错的典型小城市大农村，随着时间的推移，合川区的森林覆盖率、经济、人口、交通、防火能力等均有一定程度的变化，原有的森林火险区划不能准确反映目前的火险等级状况。本研究在利用层次分析法构建指标时，遵循科学性、独立性的原则，确保体系建立的合理性，及时更新合川区火险区划结果，有助于林业部门有针对性地部署防火设施，培养森林防火队伍，最大限度减少森林火灾带来的危害与损失。

在不同地区，影响森林火灾的因素不尽相同。考虑到合川区的实际情况，选取可燃物因子、地形地势，以及人文因子三类影响因子共10个指标（乔木层可燃物载量、林下可燃物载量、可燃物燃点、可燃物含水率、地物类型、坡度、坡向、坡位、海拔、居民点缓冲区、道路缓冲区）作为主要的影响因子进行分析，最终得到森林火险区划结果，但是影响合川区林火发生的因素还有很多，因为小区域气象站布设不足，无法对合川区全区的气象数据进行插值处理，以及缺少对其他相关情况的了解，诸如林内火源、重点防火物资布设等较为重要的因素，没有作为本次研究所考虑的火险因子，与实际情况可能还会存在一些差异。在接下来的研究中可以结合当地的野外火源点、针对重点防火区域以及可燃物样地密度数量，以及获取林内布设的气象站方面进行进一步提高，使得火险区划更具有说服力。火险区划结果能够为当地林业部门提供更加有价值的参考，使得防火工作真正做到防患于未然。