基于时空立方体的蒙古高原草原火高频区时空演变特征

昙 娜，阿拉腾图娅，包玉龙，高彦哲，敖日格乐

（内蒙古师范大学地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022）

火作为一种自然生态因子，对草地生态系统具有积极或消极的影响，不仅影响着草地生态系统发展、演替和消亡过程[1]，具有偶然发生、迅速发展、难以控制的特点，对防范能力弱的草原牧区生命与财产带来非常严重的威胁，给畜牧业为主的草原地区经济发展、社会安定带来巨大影响。蒙古高原草原区是欧亚大陆温带草原的主要组成部分，也是火行为极为活跃的地区[2-3]，特别是东部区。据统计，1994 年春，锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗发生3 起特大火灾，烧死大小牲畜共0.93 万头，造成直接经济损失5 330万元，间接经济损失 82.5 万元[4]。1996 年和1997 年的2 月—6 月，蒙古国发生大面积的森林草原火灾，共计29 人死亡，82 人受伤，1.17 万头牲畜死亡，多处基础设施、以及0.23 万hm2牧场和森林被烧毁，财产损失总计172.29 万元[5]。因此，探究蒙古高原东部草原火的时空演变模式，以此为据制定草原火灾管理对策、减灾规划，部署防灾、抗灾、救灾工作和草原发展规划是学术界和管理部门的迫切任务。

关于蒙古高原草原火分布研究已有较多成果，分布在新巴尔虎地区[6]、中蒙边境地区[7]、蒙古高原[8]、呼伦贝尔地区[9-10]、锡林郭勒盟地区[11]、内蒙古自治区东部和牧区[12-14]。上述草原火的时空分布研究均采用时间序列和空间统计分析法，即使用过程线表达某一区域草原火发生时间变化特征，用地理信息系统空间统计法研究某个时间断面上的草原火发生区域差异特征。对草原火的空间特征与时间因素有效融合考虑方面不够充分，将草原火的空间分布与随时间变化特征割裂开来，不能有效地挖掘草原火的时空分布演变趋势。然而，草原火是在特定条件下才发生。满足草原火发生的各种条件不仅不同地区有差异，同一地区不同时间段也有很大差异，随机性、复杂性非常突出。因此，要想精确了解各点位的草原火发生模式则需要将空间点位和时间序列一一对应寻找规律。同时，其他突发性灾难事件也警示着需要用网格化管理方式精准把握突发事件的发生发展规律，采取精准的防范措施。Purwanto 等[15]和Mo 等[16]分别以印度尼西亚东爪哇和中国为研究区，基于时空立方体分析技术，识别新型冠状病毒感染的时空聚类格局，确定冷、热点趋势，并展示疫情可视化输出结果，以直观观察疫情高发区和低风险区，为下一步防控策略提供依据。这一技术可将整个区域划分成多个网格，大区域火事件碎化成小网格火事件，同时发现每个网格点位时间上的历史规律性，强调各网格不同警种间的联合、以及空间上相邻点位之间的关联，实现草原火研究更进一步精细化，竭力化危为零、化危为机提供新的思路。

时空立方体作为一种时空数据模型，能够融合处理地理现象的时间、空间与属性信息，实现数据的历史状态重建、时空变化跟踪及发展态势预测[17]，可以保证时空数据的连续性[18]。基于空间自相关理论和时间序列分析方法可以有效挖掘地理现象的空间依赖关系及时间依赖关系[19]。综上，本研究输入蒙古高原草原火高频区2001—2020 年每次发生的草原火的空间数据，获得时空立方体，利用相邻空间上火点发生次数的关联获得草原火异常值与集聚强度，借助趋势分析方法对立方体每个网格时间条柱上的火点集聚强度获得草原火时空分布的热点、冷点趋势评估可为具有科学的理论逻辑、深厚的历史逻辑与直观的实践逻辑草原火灾网格化管理和集中力量精准防范提供辅助决策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蒙古高原地处欧亚大陆腹地，位于37°46′～53°08′ N，87°40′～122°15′ E。东起大兴安岭、西至阿尔泰山，北界为萨彦岭、雅布洛诺夫山脉，南界为阴山山脉[20]。因东西跨度大，自然条件差异悬殊而草原火发生面积和频率也不同。按蒙古国的各省和内蒙古的盟市统计结果，近20 年各行政单位平均每年过火次数32 次，其中蒙古国3 个省、内蒙古2 个市(盟)的平均每年过火次数高达184 次，明显高于其他地区的频次。因此，本研究选中国内蒙古自治区呼伦贝尔市、锡林郭勒盟和蒙古国东方省、苏赫巴托尔省和肯特省为研究区(图1)，总面积73.92 万km2。研究区整体地势自西向东逐渐降低，平均海拔1 200～1 500 m。植被类型以草原为主，从东北向西南依次按草甸草原、典型草原和荒漠草原演替，呈明显的地带性。属温带大陆性气候，干燥、风大，降水量少且集中于夏季。处于东亚季风边缘区，同时受西风带环流的影响，春季干旱多风，夏季高温多雨[21]。每年10 月左右植被开始枯萎凋落，可燃物量增多，冬季被雪覆盖，次年的5 月初草原植被返青期前枯草存量较丰富而秋季和春季易引发草原火灾[22]。

图1 研究区地理位置图Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 数据来源及处理

采用的遥感卫星数据为2001—2020 年MCD64A1火烧迹地产品数据集，该数据集由NASA 网站提供(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)。MCD64A1 是MODIS月尺度火烧迹地数据，其空间分辨率为500 m，Sinusoidal 投影，数据格式为HDF。数据由燃烧日期、不确定的燃烧日期、质量评估、开始日期和结束日期等信息组成。本研究中利用MRT 工具，对MCD64A1 数据进行预处理(数据拼接、投影转换、数据格式转换)，再利用ArcGIS 软件按研究区范围进行裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1 时空立方体模型

Hagerstrand[23]将时间概念引入空间数据中，并首先提出使用时空立方体模型来表示地理现象随时间的变化。时空立方体模型在使用二维空间表达地理对象的传统方法基础上，增加了一维时间轴，用于表达地理实体或现象随着时间的变化(图2)。本研究中的草原火时空立方体模型采用二维坐标轴来表示草原火的平面位置，再加一维纵向的时间轴表示平面位置上草原火点数量随时间的变化，从而构建一个由平面空间和时间轴组成的时空融合草原火立方体。通过统计各时空立方体中包含的草原火点数目，将草原火点聚合到每个空间网格的时空条柱中。这样则可运用时间维的几何特性来表达研究区内各空间点位上的草原火随时间的变化过程。

图2 时空立方体模型Figure 2 Space-time cube model

利用 ArcGIS Pro 软件提供的时空立方体创建工具，将草原火点聚合到时空条柱中，众多的时空条柱组成一个三维的时空立方体，使用网络公用数据格式(network common data format, NetCDF)存储。构建时空立方体时需要确定时间步长和空间步长。本研究中采用控制变量法对空间步长5、10、15、20 km和时间步长1、3、6、9、12 个月进行试验探究，发现以较小的空间步长，较大的时间步长聚合火点，会挖掘出更多的冷热点(表1)。并通过对火烧迹地面积的统计发现平均面积为27.90 km2；以周期长度为时间间隔创建时空立方体，能够排除周期性变化对时空演变模式中趋势分析的干扰。从按月统计的蒙古高原草原火发生时间序列发现以一年为周期的规律性变化很明显(图3)。因此，将空间步长设置为5 km × 5 km，时间步长设置为1 年(12 个月)。

表1 蒙古高原高频区不同时间步长、空间步长的探索性结果Table 1 Exploratory analysis results of different time and space steps in the high-frequency area of Mongolian Plateau

图3 蒙古高原高频区草原火2001—2020 年月平均频率图Figure 3 Monthly average frequency of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

1.3.2 局部异常值分析

局部异常值分析可确定数据中的显著聚类和异常值。在时空立方体中查找显著聚类和异常值时通过局部空间自相关统计[24]来实现每个时空条柱时间与空间上与其邻域间存在的统计差异分。即选择时空模式挖掘功能模块按邻域距离和邻域时间步长参数估计各立方体条柱的局部空间自相关统计量，检测局部异常值，以无显著性模式、高值—高值聚类模式、高值—低值异常模式、低值—低值聚类模式、低值—高值异常模式、多种类型模式6 种模式展示结果。

1.3.3 时空热点分析

时空热点分析方法以空间热点分析和时间序列分析为基础，利用时空立方体模型将时空关系纳入到空间热点分析中，探测时空中存在的热点和冷点。基于时间序列分析的方法评估这些热点和冷点随时间的变化趋势，分辨出新增、连续、加强、持续、逐渐减少、分散、震荡、历史以及无显著性等不同变化趋势的热点或冷点。时空热点分析使用Getis-Ord G*i统计[25]探测要素空间分布的热点和冷点，检测热点或冷点的时间序列变化趋势则是基于Mann-Kendall[26]趋势分析法来实现。

2 结果与分析

2.1 草原火时空分布特征

2.1.1 时间分布特征

在2001—2020 年间，蒙古高原草原火高频区过火次数及过火面积存在明显的年际变化，表现为峰谷交替，每隔 3～4 年出现一次草原火发生的高峰，但总体呈现出波动中下降趋势(图4)。2001—2020年蒙古高原草原火高频区共发生草原火18 138 起，累积过火面积达20.00 万 km2。草原火过火次数较高的年份为2003、2006、2008、2014、2015 年。其中，2006 年过火次数最多，达0.18 万次；过火次数最少的年份为2001 年，为417 次。2003、2007、2011、2012、2015 年是草原火过火面积较大的年份，其中，2003 年的草原火过火面积最大，达2.13 万 km2；2018年的过火面积最小，仅为0.11 万 km2。

图4 2001—2020 年蒙古高原高频区草原火年际变化Figure 4 Interannual variation of grassland fires in highfrequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.1.2 空间分布特征

从2001—2020 年蒙古高原草原火高频区燃烧面积统计结果看(图5)，蒙古国草原火烧迹地明显多于中国内蒙古自治区。在蒙古国，东方省是研究区内草原火过火面积最大的省，在研究时段内过火面积达13.81 万 km2，占整个研究区总过火面积的69%；苏和巴托尔省和肯特省过火面积分别达2.53 万和1.31 万 km2。在中国内蒙古自治区，火烧迹地主要分布在呼伦贝尔市、锡林郭勒盟东北部等地区。呼伦贝尔市是中国内蒙古自治区内草原火过火面积最大的市，过火面积达1.97 万 km2。锡林郭勒盟过火面积达3.21 万 km2。

图5 2001—2020 年蒙古高原高频区草原火烧迹地分布图Figure 5 Distribution of burned grassland in high-frequency areas of Mongolian Plateau from 2001 to 2020

2.2 草原火时空立方体创建

以12 个月为时间步长、5 km 为空间步长创建的草原火时空立方体模型如图6 所示，时空立方体在20 个时间步长间隔内将 160.53 万点聚合到 6.65万格网位置。每个位置均是5 km × 5 km 的方形。整个时空立方体由西向东跨越0.12 万 km ，由南向北跨越0.13 万 km 的区域。时间轴上每个时段步长间隔为12 个月，因此时空立方体覆盖的整个时间段为240 个月。

图6 蒙古高原高频区草原火时空立方体Figure 6 Space-time cube of grassland fires in highfrequency areas of Mongolian Plateau

2.3 草原火局部异常值分析

由于目前对时空立方体模型中的最优邻域时间和邻域距离尚未形成明确的标准和依据，因此本研究采用控制变量法对不同的邻域时间和邻域距离进行试验。通过分析生成时空演变模式的数量和种类，并以生成时空演变模式的占比和数量，对比选择出邻域时间和邻域距离[27]。对邻域时间24～60个月和邻域距离5～20 km 进行试验，发现当邻域时间为24 个月且邻域距离为20 km 时，时空演变模式占比最高，且生成的时空聚类模式数量最多(图7)。这一时空邻域也符合当年的草原火通过可燃物的消耗和植物的生长来影响次年的火发生概率，再往后滞后作用不大以及草原火以其发生网格为中心向各方向影响周围最邻近网格位置点的可能性最大的实际情况。因此，选择邻域时间为24 个月(邻域时间步长为1)，邻域距离为20 km。从草原火局部异常值格网统计结果来看(图8)，主要为多种类型模式，其次为低—低聚类模式和无显著性模式以及少量的高—高聚类模式、高—低异常模式和低—高异常模式。

图7 蒙古高原高频区不同邻域时间、邻域距离局部异常值分布图Figure 7 Distribution of local outliers with different neighborhood times and neighborhood distances in high-frequency areas of Mongolian Plateau

图8 蒙古高原高频区草原火局部异常值格网统计图Figure 8 Grid statistics of local outliers of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau

从草原火聚类与异常值的空间分布来看(图7)，呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗红彦镇、哈达阳镇、额尔和乡、腾克镇和登特科镇出现高—高聚类模式，说明周围邻近地区是草原火高发区，其中该网点是高发区中的高发点。呼伦贝尔市中西部、东北部及东南部，锡林郭勒盟东北部、东部及东南角，东方省中部，肯特省西北部、中部及东南部，苏赫巴托尔省北部部分地区出现低—低聚类模式，说明草原火发生一直维持在相对较低的水平，没有出现异常点。东方省巴彦东县和色楞格县，肯特省宾代尔县、德勒格尔汗县、达尔罕县和巴彦塔格县，呼伦贝尔市鄂伦春自治旗克一河镇、额尔古纳市恩和哈达镇及恩和俄罗斯族民族乡、鄂温克族自治旗锡尼河西苏木、新巴尔虎左旗乌布尔宝力格苏木和新巴尔虎右旗呼伦镇，锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗乌里雅斯太镇和呼热图淖尔苏木、西乌珠穆沁旗吉仁高勒镇、锡林浩特市宝力根苏木出现高—低异常模式，出现的高频发生的异常点主要是沿公路人口集聚地，与周围地区相比草原火发生频率明显高。东方省哈马尔达板县，苏赫巴托尔省蒙赫汗县和阿斯嘎特县，呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗红彦镇、奎勒河镇、塔温敖宝镇、登特科镇、巴彦鄂温克民族乡和额尔和乡，锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗满都胡宝拉格镇和呼热图淖尔苏木、阿巴嘎旗吉尔嘎朗图苏木出现低—高异常模式，说明这些点为防火系统较完善的人口聚集区，而周围地区多为森林草原火高发区。除此之外，20 年间草原火发生面积最大、最集中连片的区域呈现出多种类型模式的特征，主要包括呼伦贝尔市中西部和东部，东方省大部分地区、肯特省北部、苏赫巴托省北部和东北部，锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗等地区，说明这些网格小区域和周围相邻地区出现过草原火发生频率均高或均低的聚类模式，也出现过网格小区域草原火发生频率高于或低于相邻地区的个别异常点，因此该点在总体上会表现出多种类型模式。

2.4 草原火时空热点分析

与局部异常值分析相同，采用控制变量法对邻域距离5～20 km 和邻域时间24～60 个月进行试验，发现当邻域距离为20 km 且邻域时间为48 个月时，时空演变模式占比最高且生成的时空热点模式数量最多(图9)。这一邻域时间也符合每隔 3～4 年出现一次草原火发生高峰的时间周期。因此，选择邻域时间为48 个月(邻域时间步长为3)，邻域距离为20 km。从草原火时空热点格网统计结果来看(图10)，热点演变模式的类别主要是振荡热点、新增热点和分散热点，还有个别的连续热点。主要的冷点演变模式类别是振荡冷点和分散冷点，此外还有连续冷点以及少量的新增冷点、加强冷点和持续冷点。无加强热点、持续热点、逐渐减少冷/热点和历史冷/热点等模式类别。

图9 蒙古高原高频区不同邻域时间、邻域距离时空热点分布图Figure 9 Spatiotemporal distribution of hot spots with different neighborhood times and neighborhood distances in high-frequency areas of Mongolian Plateau

图10 蒙古高原高频区草原火时空热点格网统计图Figure 10 Grid statistics of spatiotemporal hot spots of grassland fires in high-frequency areas of Mongolian Plateau

蒙古高原高频区草原火时空冷热点演变模式中(图9)，草原火的热点主要分布在呼伦贝尔市东部、陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗国境线附近，肯特省北部，东方省西南角、东北部、东南部以及与呼伦贝尔市新巴尔虎左旗接壤处。其中，在呼伦贝尔市鄂伦春自治旗北部和阿荣旗东部与莫力达瓦达斡尔族自治旗南部交界处出现新增热点，说明研究时段前期草原火发生较少但在最近草原火发生频率较高。连续热点主要分布在莫力达瓦达斡尔族自治旗额尔和乡西南部和新巴尔虎左旗北部，说明草原火发生频率较高且连续发生。分散热点主要分布在莫力达瓦达斡尔族自治旗北部、陈巴尔虎旗国境线附近和东方省西南部国境线附近，说明草原火频繁发生，特点为断断续续不连续出现。振荡热点的覆盖范围较广，主要分布在呼伦贝尔市鄂伦春自治旗西南部，陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗国境线附近，东方省乔巴山县东部、巴彦乌拉县与巴彦东县交界处、哈马尔达板县西南角、南部与锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗交界处和东北部与呼伦贝尔市新巴尔虎左旗交界处，说明在研究时段内交替出现高频危险时期和低频相对安全时期，研究期间内近期草原火发生频率较高。

草原火发生频率低的冷点模式分布范围较广泛。其中，新增冷点主要分布在东方省哈马尔达板县中东部和东部与呼伦贝尔市新巴尔虎左旗接壤的国境线附近，说明草原火发生频率在最近时间段内显著下降。在呼伦贝尔市鄂伦春自治旗北部国境线附近、额尔古纳市北部、陈巴尔虎旗中北部、新巴尔虎左旗东南部与鄂温克自治旗南部交界处，锡林郭勒盟正蓝旗东南部与多伦县西部交界处、太仆寺旗东南部呈连续冷点趋势，说明草原火发生频率较低，未曾间断。加强冷点主要分布在呼伦贝尔市阿荣旗东南部，说明草原火发生频率一直较低，近期进一步降低呈强化趋势。在呼伦贝尔市陈巴尔虎旗巴彦哈达苏木东部、阿荣旗南部，锡林郭勒盟多伦县蔡木山乡西部呈持续冷点趋势，说明在90%的研究时段内草原火发生频率较低。分散冷点主要分布在呼伦贝尔市中西部和东部部分地区，肯特省西北角和东部与苏赫巴托尔省西北部交界处，苏赫巴托尔省东部部分地区，锡林郭勒盟东南角，说明以上地区的草原火断断续续的偶尔发生，时序上冷点出现的规律性较差。在东方省大部分地区、肯特省北部、苏赫巴托省东部和北部、呼伦贝尔市东部和锡林郭勒盟东北部部分地区呈振荡冷点趋势，说明以上地区草原火低频发生时期具有周期性特点。

3 讨论

已有关于蒙古高原草原火的研究成果较多，如曲炤鹏等[8]基于地理信息系统空间分析方法研究了2000—2007 年蒙古高原草原火行为的时空分布规律，研究者认为蒙古国草原火多发地带主要分布在东部与内蒙古自治区交界处的草甸草原和苏赫巴托尔省内；内蒙古自治区草原火多发区主要分布在呼伦贝尔地区和锡林郭勒盟中部和东北部地区。包刚[28]等采用时间序列和空间统计分析方法对蒙古高原火行为时空变化趋势进行了研究，发现2001—2012 年蒙古国多发地带主要分布在东方省、苏赫巴托尔省和肯特省等地区，在内蒙古自治区呼伦贝尔草原区具有较集中的过火迹地，并且在锡林郭勒草原也有较频繁发生的过火迹地。徐书兴[29]等采用空间统计分析方法研究了2001—2017 年蒙古东部野火时空动态，结果显示17 年间蒙古东部野火主要发生在蒙古东北部地区，特别是在蒙古国—中国沿边地区。野火发生区域主要集中在东方省、肯特省和苏赫巴托尔省。本研究中也得到了与采用传统时空分布方法研究结果相同的蒙古高原草原火高频区空间分布和随时间变化的区域特征，但传统时空分布方法仅考虑宏观特征，未考虑时空积聚性和时空演变动态模式，对精准管理还不能提供有效信息。

传统的空间统计分析是以区域化变量为信息，通过空间统计手段，研究地理现象的空间变异与空间结构[30]，输入分析的是某个时间断面或平均值数据。而时空立方体模型在传统的统计方法上加入时间维度的考量，整合时空信息和时空关系，进一步将“邻近度”概念从“空间临近”扩展为“时空邻近”[31]，研究整个地理现象随时空的推移所表现出的复杂趋势变化。与传统的空间统计方法相比局部异常值分析和新兴时空热点分析类别增多，并且根据设定的邻域距离和邻域时间步长参数值在每个条柱上进行分析，其精确度提高。为此，本研究基于时空立方体模型进一步深入分析草原火点的时空分布特点，将时空数据挖掘的方法应用到草原火点变化分析研究中，弥补了传统空间统计将空间、时间或者属性分开分析的不足，实现了空间、时间和属性信息的完整表达，有效揭示了草原火现象的时空特征和规律。这可为准确、快速、精细地识别草原火多发点位及其时空演变特性，网格化管理草原火，管护员分配巡查调度、草原火预测、降低火灾发生频率等提供辅助决策，也可推广应用到其他领域。

草原火行为是一种受自然条件和人文因素共同影响的危害性事件。中国内蒙古自治区和蒙古国草原火发生面积的差异悬殊特点表明，植被状况可能是主要原因。人类活动也已成为影响草原火行为的重要因素。研究证明，放牧对草原火发生具有一定抑制作用[32]。中国内蒙古自治区牧民生活方式已实现由游牧向定居转变，牲畜数量增加，使得草地实际承载力加大，枯落物减少；而蒙古国仍保持着传统的游牧方式，草原植被休养时间长，草原退化相对较轻[33]，地表覆盖的枯落物丰富，为草原火的发生提供了丰富的燃料。另外，中国内蒙古自治区严格的管制措施和扑救力度，使得该地区草原火行为受到强烈抑制；而蒙古国人口密度低，人力和财力有限，火灾扑救和管理措施相对落后[32]，当地人民对草原火的发生多采取放任的态度，导致该地区草原火蔓延迅速，过火面积大且频率高。本研究虽然利用时空立方体、局部异常值分析和时空冷热点分析挖掘蒙古高原草原火高频区时空演变模式，也发现了些人口聚集相关的个别热点和冷点，但未能全面揭示草原火时空分布的影响机制。从网格化精细管理视角，重视历史逻辑性和空间自相关性的基础上，有待进一步深入研究各因素对于草原火发生点和波及区的具体影响程度。

4 结论

利用蒙古高原草原火高频区2001—2020 年MCD64A1 火烧迹地数据，挖掘分析研究区草原火的时空分布模式，得出以下结论：

1) 蒙古高原草原火高频区整体上呈从西南向东北草原火发生频率与面积逐渐增多的趋势，蒙古国和中国内蒙古自治区境内的草原火发生面积差异悬殊，草原火主要分布在蒙古国境内。时间上，年际波动较大，整体呈波动中下降的趋势。

2) 研究区草原火发生面积最大区的空间和时间自相关关系比较复杂，规律性差，高—高聚类、高—低异常、低—低聚类、低—高异常各模式均出现过，防火减灾难度大。而草原火发生频率显著高或低的个别点主要分布在人口聚集的乡镇所在地，这表明着草原火发生和防范与人口密度和行为有关。

3) 草原火发生面积最大区各网格上虽然草原火发生频率低，但不连续、不定期地发生火，波及面广。呼伦贝尔市东部、西部国境线附近，肯特省北部，东方省西南角、东北部、东南部以及与呼伦贝尔市新巴尔虎左旗交界处草原火虽也不连续或不定期发生，但近期发生频率较高，需引起关注。呼伦贝尔市东部是草原火频繁发生区域，需要高度警惕。