基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法

摘要

本发明公开了一种基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法，该方法根据各地森林火灾专项预案指引，采用关键词匹配等方法提取上述因素对应的指标数据归类到P(压力)类指标，S(状态)类指标，R(响应)类指标，构建一套可为森林城市交接地区森林火灾风险评估计算公式对森领火灾进行有效评估，评估结果为事前预防与感知提供重要技术支撑,便于应急部门及时掌控周边潜在群众和火灾可能的发展趋势，并为平时巡查提供参考指引；使相关部门及人员能够及时有效地了解森林城市交接区森林火灾风险，能及时作出有效地防治，有效减少火灾的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及城市公共安全领域，特别涉及一种基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法。

背景技术

森林火灾，是指失去人为控制，在林地范围内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。森林防火工作是中国防灾减灾工作的重要组成部分，是国家公共应急体系建设的重要内容，是加快林业发展，加强生态建设的基础和前提，事关森林资源和生态安全，事关人民群众生命财产安全，实现森林火灾的“早发现、早出动、早扑救”成为各地林业管理部门的重点工作。

就目前而言，森林城市交接区火灾防护并没有一套有效的风险评估方法，无法有效及时地掌握森林城市交接区风险情况，无法对该区域森林火灾进行有效防御。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法，该方法能有效对森林城市交接区火灾风险进行评估，为事前预防与感知提供重要技术支撑，便于应急部门及时掌握周边潜在火灾可能的发展趋势，并为日常巡查提供参考指引。

为实现本发明的目的，在此提供的基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据林火预案确定风险评估涉及各因素的指标范围；

步骤S2：明确所述步骤S1确定的指标范围中各指标的因素属性，根据森林火灾的诱发因素将所述指标范围内的具体指标确定为压力因素，根据森林本底条件将所述指标范围内的具体指标确定为状态因素，根据森林防火瞭望巡查覆盖条件将所述指标范围内的具体指标确定为确定响应因素；

步骤S3：获取已确定属性的指标的数据；

步骤S4：构建森林城市交接地区的森林火灾PSR评估框架，其中P对应森林火灾灾害的压力因素，S对应森林火灾灾害的状态因素，R对应森林火灾预防与救援响应；

步骤S5：建立空间目标区域的标准化格网，根据风险评估区域的面积，设置标准化格网的大小；

步骤S6：将步骤S3获取的指标数据叠加到步骤S5建立的格网中，对每个格网中归属于压力因素、状态因素、响应因素中的每一个子指标分别构建P1……Pn，S1·……Sn，R1……Rn的标准格网划分的数据集；

步骤S7：根据公式1、公式2和公式3分别计算每个格网中森林火灾风险压力总因素值Prisk、森林火灾风险状态总体因素值Srisk和森林火灾风险响应总体因素值Rrisk，形成合并后的Prisk风险格网化数据、Srisk风险格网化数据和Rrisk风险格网化数据；

Prisk＝wp1*P1+...+wpn*Pn (1)

Srisk＝ws1*S1+...+wsn*Sn (2)

Rrisk＝wr1*R1+...+wrn*Rn (3)

式中，wp1...wpn，ws1...wsn，wr1...wrn为各项指标的权重值，取值范围为01，Pn、Sn、Rn分别归属于压力因素、状态因素和响应因素对应指标的数量；

步骤S8：根据公式410中的一个或多个计算获得每个格网的森林火灾风险评估值PSRrisk格网化数据；

PSRrisk＝(P-R)/S (4)

PSRrisk＝(P-S)/R (5)

PSRrisk＝P-R-S (6)

PSRrisk＝P/R/S (7)

PSRrisk＝(P/S)-R (8)

PSRrisk＝(P/R)-S (9)

PSRrisk＝P/(S+R) (10)

式中，P、S、R分别为每个格网森林火灾风险压力总因素值Prisk、森林火灾风险状态总体因素值Srisk和森林火灾风险响应总体因素值Rrisk，经式(1)式(3)获得；

步骤S9：将步骤S8计算所得的森林火灾风险评估值PSRrisk与预设的高阈值和低阈值进行比较，判断格网对应的地区的森林火灾风险等级。

在一些实施方式中，在获取已确定属性的指标的数据后，通过式(11)对各指标数据进行标准化处理，

式中，X

在一些实施方式中，所述步骤S7中各项指标的权重值主要从相关专家经验的权重确定。

在一些实施方式中，本申请提供的评估方法还包括输出森林火灾压力因素风险图步骤，该步骤的具体包括：

步骤SA1：获取确定为压力因素P的指标的矢量数据；

步骤SA2：对获取的矢量数据进行点状数据矢量化和面状全区域数据矢量栅格化，分别形成点状数据矢量化数据和面状全区域数据矢量栅格化数据；

步骤SA3:对点状数据矢量化数据进行点密度分析、核密度分析和缓冲区分析，输出栅格图；

步骤SA4:将经步骤SA3输出的栅格图和步骤SA2获取的面状全区域数据矢量栅格化数据进行栅格转点处理，得到栅格转点；

步骤SA5:获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(1)获取叠加后格网的森林火灾风险压力总因素值Prisk；

步骤SA6:根据步骤SA5得到森林火灾风险压力总因素值Prisk结果输出森林火灾压力因素风险图。

在一些实施方式中，本发明提供的评估方法还包括输出森林火灾状态因素风险图步骤，该步骤的具体包括：

步骤SB1：获取确定为状态因素S的指标的矢量数据；

步骤SB2：对获取的矢量数据进行点状数据矢量化和面状全区域数据矢量栅格化，分别形成点状数据矢量化数据和面状全区域数据矢量栅格化数据；

步骤SB3：对点状数据矢量化数据进行点密度分析、核密度分析和缓冲区分析，输出栅格图；

步骤SB4：将经步骤SB3输出的栅格图和步骤SB2获取的面状全区域数据矢量栅格化数据进行栅格转点处理，得到栅格转点；

步骤SB5：获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(2)获取叠加后格网的森林火灾风险状态总体因素值Srisk；

步骤SB6:根据步骤SB5得到的分类加权结果输出森林火灾状态因素风险图。

在一些实施方式中，本发明提供的评估方法还包括输出森林火灾响应因素风险图步骤，该步骤的具体包括：

步骤SC1：获取确定为响应因素R的指标的矢量数据；

步骤SC2：对获取的矢量数进行栅格化处理，得到栅格化数据；

步骤SC3:对得到的栅格化数据进行线密度分析、缓冲区分析，并将线密度分析结果、缓冲区分析结果分别与网格叠加；

步骤SC4:输出经叠加后的网格图，进行栅格转点；

步骤SC5:获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(3)获取叠加后格网的森林火灾风险响应总体因素值Rrisk；

步骤SC6:根据步骤SC5得到的分类加权结果输出森林火灾状态因素风险图。

采用本发明上述技术方案，至少能够达到的有益效果包括：

1)根据各地森林火灾专项预案指引，采用关键词匹配等方法提取上述因素对应的指标数据归类到P(压力)类指标，S(状态)类指标，R(响应)类指标，构建一套可为森林城市交接地区森林火灾风险评估计算公式对森领火灾进行有效评估，评估结果为事前预防与感知提供重要技术支撑,便于应急部门及时掌控周边潜在群众和火灾可能的发展趋势，并为平时巡查提供参考指引；使相关部门及人员能够及时有效地了解森林城市交接区森林火灾风险，能及时作出有效地防治，有效减少火灾的发生。PSR(Pressure-State-Response)，即压力，状态，响应。是环境质量评价学科中生态系统健康评价子学科中常用的一种评价框架，最初是由加拿大统计学家David J.Rapport和Tony Friend(1979)提出，后由经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)于20世纪八九十年代共同发展起来的用于研究环境问题的框架体系。P压力，S状态，R响应三要素形成闭环管理，三要素相互支持影响，PSR模型在环境学，生态学，城市规划与治理等领域被广泛应用，表现出优异的逻辑性，完整性，与可行性，应用到森林火灾领域将对森林火灾的预防开启一个新视角，起到较好效果，其作用在于将压力，状态，响应纳入一个统一的定性/定量分析框架中，得到一个综合的评估结果。

2)对指标数据进行数据标准化处理，消除了各指标的量纲差异，解决了因各指标量纲差异不同对评估结果影响的问题。

3)对压力因素、状态因素和响应因素的进行单独风险图输出，有利于从压力、状态及响应三纬度单独分析火灾风险。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施方式中记载基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法的流程图；

图2为本发明实施方式中记载的输出森林火灾压力因素风险图的流程图；

图3为本发明实施方式中记载的输出森林火灾状态因素风险图的流程图；

图4为本发明实施方式中记载的输出森林火灾响应因素风险图的流程图；

图5为本发明实施方式输出的PSRrisk森林火灾风险图；

图6为本发明实施方式输出的压力因素风险示意图之一；

图7为本发明实施方式输出的压力因素风险示意图之二；

图8为本发明实施方式输出的状态因素风险示意图之一；

图9为本发明实施方式输出的状态因素风险示意图之二；

图10为本发明实施方式输出的状态因素风险示意图之三；

图11为本发明实施方式输出的响应因素风险示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

图1示例性地给出了本实施方式基于PSR模型的森林城市交接区森林火灾风险评估方法的流程图。结合该附图，本实施方式中评估方法包括步骤如下：

步骤S1：根据林火预案确定风险评估涉及各因素的指标范围；例如某地区处置森林火灾应急预案中从第三章“预防、监测与预警”中提取包含了对该地区森林火灾预防、监测于预警所需要的内容，包括气象预报、节假日因素、深埋点分布、重大危险源、森林火灾应急装备设施、森林防火瞭望巡查覆盖等，则气象预报、节假日因素、深埋点分布、重大危险源、森林火灾应急装备设施、森林防火瞭望巡查覆盖等可以作为风险评估涉及的各因素指标范围；

步骤S2：明确步骤S1确定的指标范围中各指标的因素属性，根据森林火灾的气象、人为等诱发因素将指标范围内的具体指标确定为压力因素，用P

步骤S3：根据已经确定属性的指标的数据，该数据来源于气象、应急相关部门数据；使用GIS工具和关键词文本工具对数据进行空间绘制，保存格式为shp，保存坐标为经纬度坐标；

步骤S4：构建森林城市交接地区的森林火灾PSR评估框架，其中P对应森林火灾灾害的压力因素，S对应森林火灾灾害的状态因素，R对应森林火灾预防与救援响应；根据各地地理位置、气候类型、人文环境的差异，P类因素，S类因素，R类因素可视应急部门业务需要和数据获取难易程度进行扩充与替换，但因素的判别依据仍保持一致；

步骤S5：使用GIS软件建立空间目标区域的标准化网格，根据风险评估区域的面积，设置标准化网格的大小，根据现有普遍运行的城市网格化管理通行标准，按100米*100米为基础网格；

步骤S6：将将步骤S3获取的指标数据在GIS软件按照步骤S5生成的标准网格进行网格划分，即将步骤S3获取的数据叠加到步骤S5建立的格网中；叠加后，对归属于压力因素、状态因素、响应因素中的每一个子指标分别构建P1……Pn，S1·……Sn，R1……Rn的标准网格划分的数据集；

步骤S7：根据公式1、公式2和公式3分别计算每个格网中森林火灾风险压力总因素值Prisk、森林火灾风险状态总体因素值Srisk和森林火灾风险响应总体因素值Rrisk，形成合并后的Prisk风险格网化数据、Srisk风险格网化数据和Rrisk风险格网化数据；

Prisk＝wp1*P1+...+wpn*Pn (1)

Srisk＝ws1*S1+...+wsn*Sn (2)

Rrisk＝wr1*R1+...+wrn*Rn (3)

式中，wp1…wpn，ws1...wsn，wr1...wrn为各项指标的权重值，取值范围为01；Pn、Sn、Rn分别归属于压力因素、状态因素和响应因素对应指标的数量；

步骤S8：根据公式410中的一个或多个计算获得每个格网的森林火灾风险评估值PSRrisk格网化数据；

PSRrisk＝(P-R)/S (4)

PSRrisk＝(P-S)/R (5)

PSRrisk＝P-R-S (6)

PSRrisk＝P/R/S (7)

PSRrisk＝(P/S)-R (8)

PSRrisk＝(P/R)一S (9)

PSRrisk＝P/(S+R) (10)

式中，P、S、R分别为每个格网森林火灾风险压力总因素值Prisk、森林火灾风险状态总体因素值Srisk和森林火灾风险响应总体因素值Rrisk，经式(1)-式(3)获得；

步骤S9：将步骤S8计算所得的森林火灾风险评估值PSRrisk与预设的高阈值和低阈值进行比较，判断格网对应的地区的森林火灾风险等级；当格网森林火灾风险评估值PSRrisk大于高阈值使，该格网所对应的地区为森林火灾风险的高发地区或需要重点防控地区；格网森林火灾风险评估值PSRiisk小于低阈值时，该格网所对应的地区为森林火灾风险的低发地区；格网森林火灾风险评估值PSRrisk大于低阈值，但小于高阈值时，该网格所对应的地区为森林火灾风险的中风险地区。

本实施方式中，森林火灾PSR风险评估因素的具体指标范围根据具体区域的林火预案确定，如可以是如表1中所示。

表1森林火灾PSR风险评估因素举例表

注：表中Shp格式为通用的空间数据格式，可以被常用GIS软件读取，如Arcgis、Qgis等。作为本领域技术人员，应该理解的是上述表1中所列仅为示例性指标，并不表示本申请所记载的P、S、R因素所包含的指标仅就只能采用表1所示。

基于PSR模型中的评价指标，由于各指标的量纲存在差异，为了统一因子间相互影响作用，消除量纲不同对评估结果的影响，在此通过式(11)对各指标数据进行标准化处理，

式中，X

本实施方式在确定森林火灾风险所涉及的各指标数据权重时，主要是从相关专家经验的权重确定，初始通过对应急部门的相关专家知识收集和权重确定，后续根据业务要求可进行调整。

本实施方式在对指标数据和格网进行叠加时，可以采用任何一种方式，如人工手动方式，即分析人员根据目标区域，根据目标区域情况将指标数据叠加到响应的格网中；如目标区域划分的某一个格网对应人员密集活动区域，则将归属于压力因素的人的指标对应的数据叠加到相应格网中，但作为天气因素、光照因素、降雨因素等对于每个区域均存在的固定因素则按照其归属的因素叠加到每个格网中。

为了更为直观地从不同因素分析森林火灾风险，在此该评估方法还输出森林火灾压力因素风险图、森林火灾状态因素风险图和森林火灾响应因素风险图，从不同维度对森林火灾风险进行分析。参照图2所示，本实施方式中森林火灾压力因素风险图经以下步骤输出：

步骤SA1：获取确定为压力因素P的指标的矢量数据；

步骤SA2：对获取的矢量数据进行点状数据矢量化和面状全区域数据矢量栅格化，分别形成点状数据矢量化数据和面状全区域数据矢量栅格化数据；其中，点数据为诱发森林火灾的点因素，面为诱发森林火灾的面因素；

步骤SA3:对点状数据矢量化数据进行点密度分析、核密度分析和缓冲区分析，输出栅格图；

步骤SA4:利用Arctoolbox中的分析工具将经步骤SA3输出的栅格图和步骤SA2获取的面状全区域数据矢量栅格化数据进行栅格转点处理，得到栅格转点；

步骤SA5:获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(1)获取叠加后格网的森林火灾风险压力总因素值Prisk；此处，可以利用Arctoolbox中的空间连结工具对于点进行点与标准网格的叠加；

步骤SA6:根据步骤SA5得到的分类加权结果输出森林火灾压力因素风险图。

经上述步骤输出的森林火灾压力因素风险图可以用于表示深埋点分布、易燃易爆点分布或其它；如图6、图7所示，分别表示shp格式的深埋点分布和shp格式的易燃易爆分布。

参照图3所示，本实施方式中森林火灾状态因素风险图经以下步骤输出：

步骤SB1：获取确定为状态因素S的指标的矢量数据；

步骤SB2：对获取的矢量数据进行点状数据矢量化和面状全区域数据矢量栅格化，分别形成点状数据矢量化数据和面状全区域数据矢量栅格化数据；

步骤SB3:对点状数据矢量化数据进行点密度分析、核密度分析和缓冲区分析，输出栅格图；

步骤SB4:利用Arctoolbox中的分析工具将经步骤SB3输出的栅格图和步骤SB2获取的面状全区域数据矢量栅格化数据进行栅格转点处理，得到栅格转点；

步骤SB5：获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(2)获取叠加后格网的森林火灾风险状态总体因素值Srisk；此处，可以利用Arctoolbox中的空间连结工具对于点进行点与标准网格的叠加；

步骤SB6:根据步骤SB5得到的分类加权结果输出森林火灾状态因素风险图。

经上述步骤输出的森林火灾状态因素风险图可以用于表示林种分布、蓄水池分布、宣传牌语音分布或者其它；如图8-10所示，分别表示shp格式的林种分布、shp格式的蓄水池分布和shp格式的易燃点分布。

参照图4所示，本实施方式中森林火灾响应因素风险图经以下步骤输出:

步骤SC1：获取确定为响应因素R的指标的矢量数据；

步骤SC2：对获取的矢量数进行栅格化处理，得到栅格化数据；

步骤SC3:对得到的栅格化数据进行线密度分析、缓冲区分析，并将线密度分析结果、缓冲区分析结果分别与网格叠加；

步骤SC4:输出经叠加后的网格图，利用Arctoolbox中的分析工具进行栅格转点；

步骤SC5:获取的栅格转点并与所述步骤S5形成的标准化网格空间叠加，叠加结果合并汇总，并根据式(3)获取叠加后格网的森林火灾风险响应总体因素值Rrisk；此处，可以利用Arctoolbox中的空间连结工具对于点进行点与标准网格的叠加；

步骤SC6:根据步骤SC5得到的分类加权结果输出森林火灾状态因素风险图。

经上述步骤输出的森林火灾压力因素风险图可以用于表示消防通道分布或者其它；如图11所示，分别表示shp格式的消防通道分布图。

在上述输出的森林火灾压力因素风险图、森林火灾状态因素风险图和森林火灾响应因素风险图基础上，使用如GIS软件的软件可以生成森林火灾风险地图。生成的森林火灾风险地图可以如图5所示。本实施方式中GIS软件生成的森林火灾风险地图中采用不同颜色表示不同等级的风险区，由于申请文件中不允许使用彩色附图，故在此用不同深度的灰色表示不同等级的风险区，如图5中所示，深灰色格网表示森林火灾高风险区，中灰色格网表示森林火宅中高风险区，白色格网表示森林火灾中风险区，灰色格网(面积最大)表示森林火灾低风险区，深灰色、中灰色、白色皆为森林附近人类活动较密集地区，需多加防。当然，在实际运用中，可以采用红色、橘色、黄色、灰色、蓝色或其它颜色格网来表示不同的森林火灾区域等级，如红色格网表示森林火灾高风险区，橘色格网表示森林火宅中高风险区，黄色格网表示森林火灾中风险区，灰色格网表示森林火灾低风险区，红格、橘格、黄格皆为森林附近人类活动较密集地区，需多加防控。

采用图形结果显示形式，使评估结果更直观，设定目标格网风险等级显示的不同颜色，使相关人员直接通过格网颜色即可完成目标区域对应区域火灾风险等级的判断。

本文提供的评估方法确定目标区域，根据目标区域要求确定指标范围，再将指标范围中的指标进行归属确定；目标区域确定后，建立空间目标区域格网，从相关部门获取指标对应的数据，并将该指标数据叠加到建立的目标区域格网中，利用PSR模型计算每个格网的格网数据，根据格网数据从而实现了目标区域的火灾风险等级判断。

根据各地森林火灾专项预案指引，采用关键词匹配等方法提取上述因素对应的指标数据归类到P(压力)类指标，S(状态)类指标，R(响应)类指标，构建一套可为森林城市交接地区森林火灾风险评估计算公式，为事前预防与感知提供重要技术支撑,便于应急部门及时掌控周边潜在群众和火灾可能的发展趋势，并为平时巡查提供参考指引。

以上实施例仅用以说明本发明专利技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明专利的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明专利的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明专利的权利要求范围内。