地球科学前沿  >> Vol. 10 No. 12 (December 2020)

基于风云气象卫星对泸州市近十年森林火灾的分析
Analysis of Forest Fire in Luzhou City in Recent Ten Years Based on Fengyun Meteorological Satellite

DOI: 10.12677/AG.2020.1012111, PDF, HTML, XML, 下载: 69  浏览: 135  科研立项经费支持

作者: 杨思慧, 袁淑杰, 张 碧:成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都

关键词: 风云系列卫星遥感数据火险指数Fengyun Series Satellites Remote Sensing Data Fire Risk Index

摘要: 以泸州市2011~2020年的风云系列卫星数据为基础,通过FY-3B卫星的VIRR通道,对其3,4通道的亮温与3,4通道的背景亮温的差值设置阈值,利用固定阈值法,排除疑似火点,云体,水体等干扰,对泸州市近十年火点进行分析。结果表明:1) 合江为泸州市火灾高发区。2) 七八月份为泸州市火灾高发时期3) 泸州市每年火灾发生次数总体趋势在逐渐减少。4) 泸州市火灾发生的主要区域在28.7N~29N,105.2E~105.9E。
Abstract: Based on the data of Fengyun series satellites of Luzhou city from 2011 to 2020, the difference between the bright temperature of channel 3 and 4 and the background bright temperature of channel 3 and 4 was set as a threshold through the VIRR channel of FY-3B satellite. The fixed threshold method was used to eliminate the interference of suspected fire point, cloud body, wa-ter body and so on, and the fire point of Luzhou city in recent ten years was analyzed. The results show that: 1) Hejiang is a high incidence area of fire in Luzhou city. 2) In July and August, there is a high incidence of fire in Luzhou city. 3) The overall trend of the number of fire incidents in Luzhou city every year is gradually decreasing. 4) The main area of fire in Luzhou city is located at 28.7N - 29N, 105.2E - 105.9E.

文章引用: 杨思慧, 袁淑杰, 张碧. 基于风云气象卫星对泸州市近十年森林火灾的分析[J]. 地球科学前沿, 2020, 10(12): 1137-1145. https://doi.org/10.12677/AG.2020.1012111

1. 引言

国家统计局官网的相关统计数据显示,在2017年共有3223起火灾发生,总累计有2.45万公顷森林面积受到损害;在2018年共发生森林火灾2478起,受害森林面积1.6万公顷。2019年发生了森林火灾2345起,受灾的森林面积达1.4万公顷。近几年,我国森林火灾发生主要集中在了以下几个地方:东北北部、内蒙古西北、西南地区和江南中部等地。其中云南的西北部,保山、大理、丽江、迪庆等地区,四川西部,甘孜、阿坝地区是我国森林火灾的高发地区。目前我国3~5月份是全年森林突发性火灾的主要高发期,火灾发生的次数大约占到我国全年森林火灾发生总数的81.5%。

受全球气候变暖和人为因素的双重影响,森林火灾频繁地发生。因此,许多专家和学者对于森林火灾的预警和森林火灾监测的方法进行了大量的探索和研究,并在国际上取得了一定的研究进展。郑海清等(2003) [1] [2] 通过利用NOAA卫星遥感数据,结合当地相应的森林火灾危险度数据,对目前福建省的森林火灾智能危险度评估进行了智能评估,并对目前福建省的森林火灾智能危险度评估数据进行了空间分布。根据福建省森林火灾的高风险位置,利用地理信息系统对目前福建省发生森林火灾的高风险进行了预警。李红双等(2010) [3] 通过先进的DVB-S卫星模式自动准确地接收和分析处理了来自于中国的一系列风云卫星数据、美国的NOAA和EOS卫星数据,建立了东北森林火灾监测图像处理系统。基于DIS卫星技术,陈波(2018) [4] 通过利用美国的MODIS卫星数据(MODIS4热异常)分析研究了2001~2008年云南省发生森林火灾的时空分布,分析了对森林火灾的影响因素,研究了云南省森林火灾在不同时空的分布规律。高振(2012) [5] 在MSP430芯片应用技术的基础上研究森林火险,监测开发了一种低功耗的森林火险监测系统。储昌超(2014) [6] 利用信息扩散理论对森林火险进行分析。王圣洪,周长志(2014) [7] 利用GIS软件通过对温度,湿度和风速风向等气象因子的分析建立森林火险等级预警模型。彭光雄,陈云浩(2007) [8] 结合遥感数据和气象数据资料,利用火灾敏感指数对森林进行监测和评估。苏力化(2004) [9] 利用NOAA极轨卫星AVHRR第3通道资料,结合地面森林分布状况及当时天气条件对火灾进行监测。目前国内在森林火灾方面的研究主要以起火条件为主,如时空分布 [10] [11] [12] 和气候条件、气象因子方面 [13] [14] [15]。

研究借鉴其他学者的研究成果的基础上,基于FY-3B卫星的遥感资料对泸州市近十年森林火灾进行分析。

泸州市的林业用地为46.31万hm2,占泸州市总面积的37.81%。其中有林地34.09万hm2,占林地用地总面积的73.61%。合江福宝和古蔺黄荆两大林区,是亚热带地区至今保存得比较完好的常绿天然阔叶林,有丰富的物种资源,被专家称为地球上罕见的“亚热带阔叶林天然植物园”。如此丰富和珍贵的植物资源为泸州市开展生态旅游和行业科研提供了坚实的条件。因此,进行泸州市近十年来的森林火灾的研究对保护森林资源有着现实意义。

2. 资料与方法

2.1. 研究区域概况

2.1.1. 研究区地理位置介绍

泸州市位于四川盆地的东南,东临重庆市永川,南接云南威信和贵州的赤水、习水。西接宜宾,北连隆昌、自贡。泸州市有辖四县三区,即泸县、合江县、叙永县、古蔺县和江阳区、纳溪区、龙马潭区,面积为12,247 hm2,人口为459万左右其中森林资源主要集中在合江县、叙永县、古蔺县和纳溪区。泸州市地质构造复杂,为四川盆地向云贵高原过渡褶皱发育地带,兼有盆中丘陵的盆周山地的地貌类型,地势南高北低,最高海拔1902 m,最低海拔203 m,有中山、低山、丘陵、河谷、平坝等地貌类型。

2.1.2. 研究区的气候特征

泸州气候温和,四季分明。北部为准南亚热带季风湿润气候;南部山区气候有中亚热带、北亚热带、南温带和北温带气候之分,具有山区立体气候的特点。年平均气温17.1℃~18.5℃,年平均降雨量748.4毫米~1184.2毫米,日照1200小时~1400小时,无霜期300天~358天。土地肥饶,物产富庶。泸州热量丰富,降水充沛,光照充足,光热水资源组合好,作物生长季节长,积温有效性高,给农、林、牧、副、渔各业的全面发展提供良好的生态条件,农业生产潜力大。

2.2. 资料概况

利用中国气象局卫星气象中心提供的2011年1月1日~2020年5月30日风云气象卫星扫描辐射仪(FengYun 3B/the Visible and Infrared Radiometer, FY-3B/VIRR)的L1级数据资料。选取包括泸州市的局地数据资料。经度范围为105˚26'36''~105˚37'33''E,纬度范围是28˚1'34''~28˚30'4''N。网格点之间的距离为0.01˚,即地面分辨率为1 KM2

2.3. 研究方法

FY-3B号卫星的VIRR辐射计共有10个遥感红外辐射通道,包括7个具有高灵敏度的可见光辐射通道和3个红外大气窗辐射通道,能获取全球,全天候,三维,多光谱的卫星遥感资料(表1)。可见光遥感红外扫描辐射计的主要功能和目的之一就是通过监测覆盖全球的云量,确定全球云层的高度、类型和相位的状态,探测全球海洋的表面温度,监测海洋植被的正常生长状态和其类型,监测全球高温下的火山热点,识别全球地表的积雪,探测全球海水的颜色等。

Table 1. Spectral features of visible infrared scanning radiometer

表1. 可见光红外扫描辐射计光谱特征

高温热源在中红外通道混合像元也就是第三通道,引起亮温急速升高的特点可知。判断火点的条件不是中红外通道值本身。而是中红外亮温通道值和其背景亮温的差异。如荒漠地区亮温高达330 k,可能不是火点。

通过日常火点观测经验以及人工火场同步实验结果得知:当中红外通道亮温值与背景亮温相差8 k且中红外与远红外亮温差异大于背景的中红外和远红外亮温差异8以上时。一般可以认定为是由明火引发的异常增温。判别条件为 [16]:

T 3 T 3 b g > 8 and ( T 3 T 4 ) ( T 3 b g T 4 b g ) > 8 (1)

T3,T4为判识像元中红亮温值和远红外亮温值,T3bg,T4bg为背景中红外亮温值和背景远红外亮温值。

为保证其精确度在背景亮温计算是应该除去云像元,水体,以及疑似火点像元的影响。即在计算平均温度前将邻域中的水体,云以及疑似火点排除。仅使用晴空条件下像元做计算。云的判识 [16]:

T 1 20 and T 4 275 (2)

水体的判识 [16]:

0 T 2 14 (3)

疑似火点像元的判识 [16]:

T 3 T 3 a > 8 and ( T 3 T 4 ) ( T 3 a T 4 a ) > 8 (4)

其中T1判识像元可见光通道值,T2为判识像元近红外亮温值,T3a,T4a为邻域内排除云区、水体像元后,亮温小于315 k的通道3、通道4的平均值。

在排除这些条件下云,水体,疑似火点的条件在第三通道值上的异常增温就是火点。

3. 火点监测分析

3.1. 泸州近十年火点监测结果

图1表示通过风云卫星数据计算的各个地区近十年来火灾发生情况。泸州市在2011~2020年期间发生火灾73次,明火覆盖面积达到12.64公顷。其中合江县火灾发生最为严重达到27次,占近十年总火灾次数的36.9%。合江县总明火覆盖面积达到2.35公顷。其次为泸县地区,火灾发生次数达到18次,占近十年总火灾次数的24.6%。其中泸州市市辖区发生火灾次数最少。

图2表明2011~2020年泸州市每月发生火灾次数。泸州市7月是最容易发生火灾的月份,在2011~2020年期间,仅7月份就发生火灾24次占总近十年总火灾次数的32.9%。八月份发生火灾11次占近十年总火灾次数的15%。因为七八月份是泸州市最热的时候,天干物燥,容易引发自然火灾。七月份的日均最高气温达到33℃,日均最低气温达到25℃,日平均气温29℃,日最高气温能达到42℃。八月份的日均最高气温达到33℃,日均最低气温达到24℃,日平均气温28℃,日最高气温能达到43℃。在七八月份泸州少雨,火灾容易发生。1月和12月天气寒冷多雨,不容易发生火灾。

Figure 1. The fire frequency chart of various regions in Luzhou city from 2011 to 2020

图1. 泸州市各地区2011~2020年火灾发生频次图

Figure 2. Chart of monthly fire incidents in Luzhou city from 2011 to 2020

图2. 2011~2020年泸州市每月发生火灾次数图

图3是泸州市2011~2020年每年火灾频次图。2011~2020年泸州市不同年份的森林火灾数量。火灾数量自2011年来总体处于先下降后上升的趋势,且火灾在2015年处在事故数量的最高峰。2015年的火灾发生明显高于近十年的平均。分析其原因2015年的四川平均气温处于近十年的小峰值。2008年泸州市从2008年开始就启动创建国家森林城市的工作,把创建国家森林城市作为建设城市森林的主要载体,在2011年泸州被命名为“国家森林城市”。更加加强对泸州市火灾的监控和预警。近十年来泸州市火灾发生次数总体上呈现下降趋势。在2015年期间达到峰值,发生火灾次数最多达到14起,2016年最少达2起。

Figure 3. Annual fire frequency chart of Luzhou city from 2011 to 2020

图3. 泸州市2011~2020年每年火灾频次图

3.2. 泸州市近十年受灾面积分析

图4是近十年泸州火灾受害面积图。对2011~2019年期间泸州市森林火灾事故中火场总面积的数据进行分析,计算涉火总面积与受灾害的森林面积的比重,从而分析在具体火灾发生年份里森林火灾的严重程度。从图4中可以看出火场面积在2013年达到最高总体都是呈下降趋势,但也有起伏波动的状态,2013年仅泸州市火场总面积一度达到约6.1公顷,是近10年火灾面积的最高点,随后4年里,即2014~2019年间,火场总面积处在急速下减状态,2016年火场总面积为近10年最低值0.14万公顷,相比2013年下降幅度高达97.7%。

Figure 4. A map of the area affected by fire in Luzhou city in recent ten years

图4. 近十年泸州火灾受害面积图

图5是泸州市各个地区的火灾受害面积图中,我们可以看看出受灾面积最严重的泸县地区,在2011~2019年间受灾面积达到7.02公顷。最小的是泸州市辖区,受灾面积仅有0.14公顷。

Figure 5. Fire damage area map of each district in Luzhou city

图5. 泸州市各个地区的火灾受害面积图

3.3. 泸州市火灾地理位置分析

图6是近十年的火点时空分布图,我们可以看出泸州市火灾发生的主要区域28.7N~29N,105.2E~105.9E。这些区域正好是泸州市多植被区域如图7。泸州市在夏季高温少雨,在植被区域,天气干燥,湿度低太阳光强烈,很容易就引发了森林火灾。

Figure 6. The temporal and spatial distribution map of fire points in Luzhou city from 2011 to 2020

图6. 泸州市2011~2020火点时空分布图

Figure 7. NDVI vegetation index map of Luzhou city

图7. 泸州市NDVI植被指数图

4. 结论

本文以泸州市2011~2020年的风云系列卫星数据为基础,利用固定阈值法,排除疑似火点,云体,水体等干扰,对泸州市近十年火点进行分析,对各地区,各月份的火灾发生情况进行总结,并结合地理区域、气候条件、重点分析了泸州市的林火频发地区。从这些年森林火灾统计数据分析得出:

1) 泸州市的森林火灾事故无论是在发生规模还是对人员和财产的损害上都有少量波动,但是总体上都是呈下降趋势。但合江县的森林火灾发生率仍是较高。这与其所处地理位置以及环境因素有关,合江县植被覆盖面积较高,夏季干燥少雨。当地居住环境与林木相邻,使用明火数量较多。

2) 泸县在近十年的火灾发生频次不多,但受灾面积居泸州市第一。

3) 对泸州市近十年火灾分布的月份进行分析得出:泸州市火灾高发期主要是在4,5月和7月。祭祀用火导致的火灾常发生在4,5月份。7月份是泸州市的高温时期,高温少雨。植被区域,天气干燥,湿度低,太阳光强烈,很容易就引发了森林火灾。

4) 泸州市火灾发生的主要区域在28.7N~29N,105.2E~105.9E。这是泸州市的多植被区。

基金项目

基于风云气象卫星的泸州市森林火灾监测与火险预警技术研究。

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