王明玉 李伟克 舒立福 司莉青 赵凤君 李 威 李笑笑
(中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所 国家林业和草原局森林保护学重点实验室 北京 100091)
森林火灾突发性强、破坏性大、处置救助十分困难,是当今世界最为严重的自然灾害和突发性公共危机事件之一(Deet al., 2019;李伟克等2020a;乔泽宇等,2020)。近年来,由于全球气候变暖加剧,特别是极端高温、持续干旱等恶劣天气不断增加,造成森林火灾呈多发、频发态势(苏佳佳等,2021;Farooqet al., 2022;Joneset al., 2022)。我国是世界上森林火灾较为严重的国家之一,据统计1950—2017 年我国共发生森林火灾814 655 次,年均11 980 次;总受害森林面积3 813.82 万hm2,年均56.09 万hm2;森林火灾伤亡总人数为4 686 人,造成的经济损失和社会影响不可估量(杜建华等,2019)。因此,森林火灾防控一直是我国各级应急管理部门、林草部门等相关单位高度重视的一项工作内容(李伟克等,2020b;张思玉,2022)。
加强火灾监测是森林火灾防控中的一个关键环节,这是及时发现火情并快速扑救火灾的重要前提(Kanwalet al., 2016;Banet al., 2020;冯炎等,2022)。当前,林火监测措施分为地面巡护、瞭望塔定点观测、空中飞机、无人机巡护和卫星遥感监测等(汪东等,2021;Mohapatraet al., 2022)。由于森林火灾的突发性和随机性,使得不同的林火监测手段在时空监测能力和通讯传递效率等方面存在差异(Martell, 2015;Zhanget al., 2020)。就呼中地区而言,90%以上的森林火灾为雷击火,多发生在偏远密林且人员难至处,加之雷击火多有“阴燃”的特性,航空巡查和卫星监测具有较大的滞后性,因此,当地最主要的监测手段是依靠瞭望塔(张媛等,2018;杜君等,2021)。瞭望塔视野较宽,覆盖面较大,可以昼夜不停连续监测,受天气影响较小,效果较好(Kucuket al., 2017;范续等,2020)。其不足是观察效果受地形限制,一些特殊山地常形成死角,存在监测盲区(Heynset al.,2019;孙思琦等,2020)。因此,如何优化布局瞭望塔建设分布,使监测范围尽可能大,特别是能有效覆盖重点火险区域,实现多点配合、联防联控,具有重要的意义。
可视性分析(visibility analysis)又称通视分析,是指以某一点为观察点,研究某一区域通视情况的地形分析(孙思琦等,2020;Fantiniet al., 2022)。可视性分析广泛应用于选址规划、路径规划、景观分析等(王明玉等,2013;靳海亮等,2018)。其中,基于可视性分析的森林防火监测点或瞭望塔布设是典型的应用案例,位置良好、布局合理的瞭望塔分布建设不仅可以用较少的塔台数量实现大范围的火情监控,同时不同塔台间协同互助、降低盲区,可及时发现火情,有效降低火灾损失(Zhanget al., 2019;Sakellariouet al.,2022)。例如,罗伟等(2018)基于GIS技术对庐山自然保护区森林防火视频监控系统进行可视性分析,研究结果为后期视频监控点布设提供了参考。王彦卷等(2020)基于地形要素对贺兰山自然保护区林火监测点进行可视性分析排序,确定了最优监测点布设位置和能监测到的研究区面积。孙思琦等(2020)基于吉林省林区瞭望塔地理信息数据,利用ArcGIS 技术对瞭望塔的布局配备和林地可视性进行分析,为吉林省瞭望塔的管理优化提供参考。Zhang 等(2020)基于研究区火灾风险地图,综合可视性分析、空间位置分配和监测范围交叉覆盖等多因素,优化瞭望塔的配置布署以提高火灾监测水平。赖晨曦等(2021)基于林火强度分析了宁波市溪口镇森林防火监测点的可视性,对备选监测站点进行了优先级布设,提高了溪口镇森林防火监测的准确性。
本研究基于数字高程模型,借助ArcGIS 可视性分析方法,综合评价呼中地区现有瞭望塔的空间配置和可视性能力,并结合呼中地区历史森林火灾发生数据,评价瞭望塔体系在林火监测方面的能力水平,以期为呼中地区森林火灾防控尤其是提升瞭望塔系统在火灾监测方面的作用提供理论参考。
呼中地区(122°39′30″—124°21′20″E,51°14′40″—52°25′00″N)位于黑龙江大兴安岭伊勒呼里山北坡,东与新林区相连,西与内蒙古相邻,北接漠河县和塔河县。
研究区由碧水、呼中、呼源3 个林场和呼中国家级自然保护区组成,属高纬度寒温带,大陆性季风气候,平均海拔812 m,具有明显的山地气候特征。当地夏季短暂,冬季受西伯利亚蒙古高压气团的影响寒冷而漫长,年均气温为-4.4 ℃,极端最低气温-49.2 ℃,年均降水量481.6 mm,主要集中在6—8 月,无霜期80~100 天(李明泽等,2017)。地带性植被类型为寒温性针叶林,以兴安落叶松(Larix gmelinii) 为单优势种的针叶林(图1)。主要针叶乔木树种有兴安落叶松、樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica) 和红皮云杉(Picea koraiensis) 。主要阔叶乔木树种有白桦(Betula platyphylla) 、 山杨 (Populus davidiana) 、 钻天柳(Chosenia arbutifolia) 。偃松(Pinus pumila) 分布于海拔较高的地带,构成了亚高山的特有景观和山地寒温带针叶疏林的林下灌木,该树种对涵养水源、保护珍稀濒危野生动植物物种具有重要作用(刘志华等,2011)。研究区森林火灾发生较为严重,近20 年共发生上百起森林火灾,其中绝大多数是雷击火,起火区域常位于高纬度的原始森林中,扑救难度极大,对森林危害十分严重(杜君等,2021)。
图1 研究区植被类型组成和瞭望塔分布Fig. 1 Vegetation type composition and lookout towers distribution in study area
火灾信息包括1990—2020 年研究区森林火灾的发生位置(经纬度)、起火时间、灭火时间、火场面积、火因等。瞭望塔信息包括位置(经纬度)、所属林场、海拔、瞭望半径等(附表1)。植被类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),空间分辨率为30 m。
数据经过Excel 2016 和SPSS 19.0 整理后,利用Origin 2021 和 ArcGIS 10.2 进行分析制图。其中火灾空间分布统计使用ArcGIS 核密度分析(kernel density)工具进行计算(陈建明等,2022)。整体瞭望塔可视性分析采用ArcGIS 软件中的视域分析(viewshed)工具计算,本研究中只将视域分析结果分为2 大类,即不可见区域(赋值为0 的区域)和可见区域(赋值为非0的区域)(罗伟等,2018)。单体瞭望塔可视性分析采用ArcGIS 软件中的视点分析(observer points)工具计算,本研究中以林场为单位,计算每个林场中每个瞭望塔的可视性,对单个瞭望塔的监测能力进行评价(赖晨曦等,2021)。
研究区瞭望塔有效监测半径为15~20 km,本研究统一以20 km 半径进行可视性计算。平均塔高24 m,考虑观测人身高,以距地面25 m 高度进行计算,其他参数在分析过程中均为默认值。
3.1.1 呼中地区森林火灾时间发生规律 1990—2020年,研究区共发生森林火灾165 起,总面积为34 855 hm2,其中2000 年和2010 年火灾较为严重,火灾面积分别为13 527 hm2和16 391 hm2。整体看研究区森林火灾次数呈波动增加趋势,其中2010 年火灾次数最多,共计36 起(图2a)。从季节分布上看,5—8 月是研究区森林火灾高发期,98%以上的火灾发生在该时期,特别是6 月发生总数(71 次),相当于7、8 月之和(73 次)(图2b)。从发生时段上看,超过90%的火灾发生在10:00—19:00,20:00—凌晨02:00 无火灾发生(图2c)。研究区的森林火灾大多为雷击火,占比高达96.97%,仅个别人为火和过界火(图2d)。
图2 1990—2020 年研究区森林火灾逐年(a)、逐月(b)、逐小时(c)发生和火因(d)统计Fig. 2 Annual (a), monthly (b), time (c) and fire causes (d) statistics of forest fires in study area from 1990 to 2020
3.1.2 呼中地区森林火灾空间发生规律 研究区森林火灾在空间上呈一定程度的聚集性分布,分析结果显示,有5 个较集中的火灾高发区,分别为呼中国家级自然保护区的南部、呼源林场中东部、呼中林场西部、呼中林场中部、碧水林场南部与呼中林场北部的交界处。上述区域为火灾高发地带,但从火灾面积空间分布来看,仍有多场重大、特大森林火灾不在上述区域之中,火灾次数和火灾面积的空间分布规律存在一定的差异性(图3)。
图3 1990—2020 年研究区森林火灾次数和面积等级分布统计Fig. 3 Statistics on the number and area grade distribution of forest fires in study area from 1990 to 2020
基于DEM 和植被类型数据,对火灾发生地点的海拔、坡度、坡向和植被类型信息进行提取分析。其中,火灾发生的海拔范围在400~1 400 m 之间呈正态分布,多集中在海拔700~1 100 m 之间,占比74.55%(图4a);火灾发生的坡度范围在0~35°之间呈右偏态分布,有70.91%的火灾发生在0~15°的坡度上,即相对较缓的坡度地带(图4b);从坡向分布来看,火灾多发生在东南坡和南坡,而西坡、西北坡和北坡处的火灾数量明显较少(图4c)。研究区森林火灾多发生于针叶林,占比高达83.03%;其次为草甸,为12.12%;阔叶林和栽培植被区很少,不足5%(图4d)。
图4 1990—2020 年呼中地区森林火灾海拔(a)、坡度(b)、坡向(c)和发生地植被类型(d)统计Fig. 4 Statistics on the altitude (a), slope (b), slope aspect (c) and vegetation type (d) of forest fires in Huzhong area from 1990 to 2020
3.2.1 整体瞭望塔可视性分析 研究区现有瞭望塔36 座,其中碧水林场、呼源林场和呼中国家级自然保护区各7 座,呼中林场15 座。瞭望塔海拔分布范围在640~1 528 m,平均海拔1 137 m,塔高平均值为24 m,监测半径为15~20 km。对瞭望塔整体进行可视性分析,结果显示,可见区域总面积为603 234.5 hm2,占比64.45%;不可见区域总面积为332 683.94 hm2,占比35.55%(图5)。其中碧水、呼中、呼源林场和呼中国家级自然保护区内瞭望塔可见区域面积占各自总面积的比例分别为63.68%、66.56%、62.43%和63.64%,不可见区域比例分别为36.32%、33.44%、37.57%和36.36%。整体来看,各林场内瞭望塔可视性能力基本相当,可见区域和不可见区域面积比例基本在2∶1左右。
图5 研究区瞭望塔可视性分析Fig. 5 Visibility analysis of lookout towers in study area
3.2.2 单个瞭望塔可视性分析 在研究区瞭望塔整体可视性分析的基础上,进一步对每个瞭望塔的单塔可视性进行分析。以林场为单位,对各个林场内的瞭望塔进行编号,并逐一分析。其中碧水林场中2 号瞭望塔可视面积最高,可见区域占本林场面积的19.85%;5 号瞭望塔可视面积最低,占比7.87%;碧水林场单塔平均可视面积比例为13.30%。呼中林场中7 号瞭望塔可视面积最高,占比14.59%;14 号瞭望塔可视面积最低,占比4.60%;呼中林场单塔平均可视面积比例为9.22%。呼源林场中4 号瞭望塔可视面积最高,占比25.70%;5 号瞭望塔可视面积最低,占比4.44%;呼源林场单塔平均可视面积比例为11.81%。呼中国家级自然保护区中5 号瞭望塔可视面积最高,占比16.94%;4 号瞭望塔可视面积最低,占比11.73%;呼中国家级自然保护区单塔平均可视面积比例为14.35%(图6;附表2)。整体看,呼中国家级自然保护区内的单塔可视性较为平均且处于较高水平,而其他3 个林场内的单塔可视性水平差异较大,部分瞭望塔的可视面积比例远低于平均水平,需要进一步加强布局建设,协助提升监测能力。
图6 单瞭望塔可视性分析Fig. 6 Visibility analysis of single lookout tower
3.2.3 基于火灾发生的瞭望塔可视性分析 将研究区历史森林火灾发生数据与瞭望塔可视性分析结果进行叠加,其中165 起火灾中有120 起是落在瞭望塔可见区域内,占比为72.73%,其中碧水林场19 起、呼中林场43 起(包括1 场特大森林火灾)、呼源林场37起(包括4 场特大森林火灾)、呼中国家级自然保护区21 起(包括3 场特大森林火灾);45 起落在不可见区域中,其中碧水林场8 起、呼中林场20 起、呼源林场12 起(包括1 场重大森林火灾)、呼中国家级自然保护区5 起(包括2 场重大森林火灾),无特大森林火灾(附表3)。
从空间分布来看,落在瞭望塔可见区域内的火灾多集中在以下区域:呼中国家级自然保护区南部,附近有呼中国家级自然保护区1、6、7 号瞭望塔和呼源林场3 号瞭望塔;呼源林场中部,附近主要有呼源林场4、6 号瞭望塔;呼中林场中部,附近有呼中林场1、5 号瞭望塔;呼中林场北部的10、9、15 号瞭望塔周围;呼中和碧水林场交界处,附近有碧水林场2、6 号瞭望塔和呼中林场2 号瞭望塔(图7a)。此外,虽然有多起重、特大森林火灾的位置未在上述集中区域,但其附近也都有瞭望塔分布,如呼源林场的1 号瞭望塔,呼中国家级自然保护区的2、3、4 号瞭望塔,呼中林场的14 号瞭望塔,碧水林场的4 号瞭望塔等均距离重、特大森林火灾的位置较近,可有效进行火情监测(图7a)。
图7 1990—2020 年间落在瞭望塔可见区域(a)和不可见区域(b)内的森林火灾Fig. 7 Forest fires in the visible (a) and invisible (b) area of lookout towers from 1990 to 2020 in Huzhong area
落在瞭望塔不可见区域内的火灾主要集中在呼中林场的西南部和碧水林场的东南部,这2 个区域的周边分别有呼中林场4、11、7、3 号和呼中国家级自然保护区4 号瞭望塔,以及碧水林场2、6、1 号和呼中林场的13 号瞭望塔,但区域的中心位置附近均无瞭望塔,处于多个瞭望塔的共同监测盲区之内(图7b)。此外,有3 起重大森林火灾位于监测盲区内,其中2起位于呼中国家级自然保护区的核心区,周围无瞭望塔布设;还有1 起位于呼源林场的6 号瞭望塔附近,虽然距离瞭望塔较近,但也处于监测盲区内(图7b)。
3.2.4 不同可视性区域内森林火灾时空属性分析对落在瞭望塔可见区域和不可见区域内火灾的时间属性进行分析,其中2 个区域内不同年际间的火灾数量和火灾面积均呈波动变化,尤其火灾面积的年际间差异较大。在火灾发生月份上,可见区域内火灾在4—10 月中均有分布,6 月最多;不可见区域内火灾只分布在5—8 月,以6—8 月占比最多,且这3 个月内的火灾数量较为平均。在发生时间上,可见区域内除08:00 时段没有火灾外,其他时段均有火灾,其中凌晨时段火灾数量较少,从10:00 开始逐渐增多,以中午至傍晚时段多发。而不可见区域内的火灾是从08:00 开始逐渐增多至18:00 结束,整体也是集中在下午时段。2 个区域内的火灾类型都以雷击火为主,其他类型火灾数量很少(附图1、附图2)。
对落在瞭望塔可见区域和不可见区域内的火灾空间信息进行分析,从海拔分布上看,不可见区域内火灾集中在海拔900 m 以下(75.56%),而可见区域内火灾分布在海拔900 m 以上的占多数(59.17%),两者略有差异。在坡度分布上,不可见区域和可见区域内火灾都多分布在小坡度(0~15°)范围内(62.22%和74.17%),但相对来说不可见区域内火灾分布在较大坡度(>15°)范围内的比例更高(37.78%);坡向是2 个区域内火灾差异较为明显的一个属性,不可见区域内火灾多分布在北、东北、东 3 个坡向内,而可见区域内的火灾分布最多的是在东南和南 2 个坡向,整体来看阳坡和半阳坡内的火灾更容易被发现,而阴坡和半阴坡的火灾落在瞭望塔盲区的概率更大一些(附图3、附图4)。
瞭望塔监测作为森林火灾防控的一项重要手段,在及时发现火情,扑灭火灾于初发期具有关键作用(李伟等,2015)。尤其是在呼中地区雷击火多发,起火地点大多在偏远密林中,交通不便,航空监测、卫星监测等手段作用有限,主要就是依靠瞭望塔进行监测防控(张媛等,2018;杜君等,2021)。因此,综合评价呼中地区现有瞭望塔的监测能力,查明瞭望塔的监测盲区,特别是对重特大森林火灾的监测缺失情况,对于完善呼中瞭望塔的建设布局以及监测能力的有效提升具有重要应用价值。
整体来看,研究区瞭望塔可视域面积占比超过60%,高于全国重点火险区瞭望塔监测水平的平均值(43.6%)(孙思琦等,2020)。但由于瞭望塔的空间布局、位置选取及地形起伏等多种因素影响,导致不同瞭望塔之间可视性差异较大,存在监测盲区。基于呼中地区森林火灾发生规律,对当地瞭望塔配置建设及监测能力提升进行如下讨论并提出建议。
1)完善重点区域瞭望塔增设,有效消除监测盲区。结合历史火灾时空分布规律,在火灾高发区和主要监测盲区新增建设瞭望塔台,如在呼中林场的4、11、3 号和呼中国家级自然保护区的4 号瞭望塔中间择址增设一座瞭望塔,以及在呼中林场的7、10、9、15 号瞭望塔之间,碧水林场南部的1、2、6 号和呼中林场的13 号瞭望塔之间等重点区域增设瞭望塔,可有效减少监测盲区,从而大幅提升瞭望塔对区域森林火灾的监测能力。另一方面,对于重特大森林火灾应高度关注,如在呼中国家级自然保护区核心区的南部缺少瞭望塔分布区域已发生2 起重大森林火灾,应考虑增设瞭望塔以加强重点区域防控。
2)综合考量瞭望塔监测能力,有针对性补强监测短板。整体来看,呼中地区各个瞭望塔之间的监测能力存在较大差异,个别瞭望塔可视面积占比低于5%,监测范围十分有限。针对这些瞭望塔一方面应深入分析监测能力低下的具体原因,或改址再建择优布局,若不可移动则建议再因地制宜增设新塔,加强区域配合,扩大监测范围;另一方面可补充辅助监测手段,如增加无人机监测配合,特别是微型无人机,具有小巧轻便、操作简单、机动灵活、费用较少等优点,可大幅提升瞭望塔监测范围,从而有效提升监测能力(何诚等,2015)。
3)结合火灾时空分布规律,针对性开展火情监测。本研究发现,落在瞭望塔可见区域和不可见区域内的火灾具有一定的时空差异性,其中最主要的差异体现在坡向分布上。落在监测盲区内的火灾多分布在山的阴坡和半阴坡面,这可能与最初瞭望塔选址建设有关。一般情况下阳坡和半阳坡光照充足,温度较高,可燃物干燥,更容易发生火灾,因此人们更多关注阳坡和半阳坡的火情变化,在瞭望塔建设时也更多考虑阳坡和半阳坡的视野,容易忽略对阴坡和半阴坡的重视。但呼中地区森林火灾多为雷击火,其发生具有很强的随机性,同时阴坡虽然温度较低,可燃物较为潮湿,但雷击火“阴燃”现象十分普遍,而且“阴燃”的持续时间从数小时至数天不等,最长甚至可达十几天,在此期间一旦天气条件合适,“阴燃”很可能转变为明火燃烧并迅速蔓延,酿成大的火灾(舒洋等,2022)。因此,在后续瞭望塔布设中应慎重考虑对阴坡和半阴坡的有效覆盖,同时对于在阴坡和半阴坡上的落雷应高度重视并持续监测,防止疏忽大意酿成火灾。
基于研究区数字高程模型,利用地理信息技术分析了呼中地区瞭望塔的可视性,并结合研究区近30年森林火灾发生数据,评价瞭望塔的火灾监测能力。
1)研究区森林火灾多为雷击火,且近年来有多发的趋势。夏季尤其是6 月是雷击火最严重的时期,多发生在下午时段,傍晚至凌晨之间很少发生。从空间分布上看,雷击火主要分布在海拔700~1 100 m、坡度较缓(0~15°)、东南坡和南坡的针叶林中。
2)研究区瞭望塔整体可视面积占比为64.45%,各林场内的瞭望塔系统可视性能力大致相等,可视面积占比均在2/3 左右。单瞭望塔可视性分析表明,呼源林场的4 号瞭望塔可视性最高,呼源林场的5 号瞭望塔可视性最低,其中呼中国家级自然保护区内的各瞭望塔的整体可视性水平最高也最为平均。
3)叠加分析结果显示,研究区超过70%的森林火灾落在瞭望塔可视域范围内,另外45 起落在瞭望塔监测盲区的火灾主要集中在呼中林场的西南部和碧水林场的东南部。从时间分布上看落在瞭望塔可视域内的火灾在4—10 月均有分布,以6 月最多,而落在监测盲区内的火灾在6—8 月之间平均分布;从空间分布上看上述2 类火灾的坡向分布差异明显,前者多分布在东南坡和南坡,而后者多分布在北坡、东北坡、东坡。
附表 1 呼中瞭望塔基本信息Appendix Tab. 1 Basic information of lookout towers in Huzhong
附表 2 单瞭望塔可视性分析Appendix Tab. 2 Visibility analysis of single lookout tower
附图2 1990—2020 年呼中瞭望塔不可见区域内的森林火灾逐年(a)、逐月(b)、逐小时(c)发生和火因(d)统计Attached Fig. 2 Annual (a), monthly (b), time (c) and fire causes (d) statistics of forest fires in the invisible area of the lookout tower in Huzhong area from 1990 to 2020
附图3 1990—2020 年呼中地区瞭望塔可见区域内的森林火灾海拔(a)、坡度(b)、坡向(c)和发生地植被类型(d)统计Attached Fig. 3 Statistics on the altitude (a), slope (b), slope aspect (c) and vegetation type (d) of forest fires in the visible area of the lookout tower in Huzhong area from 1990 to 2020