湖南省森林火灾空间建模研究

摘要

森林是人类宝贵的物质财富,是可再生的自然资源。发展和保护好这些资源,不仅关系到国家的经济建设事业,也直接关系各地区的生态环境建设和保护,这是一项功在当代,荫及子孙的大事情。森林火灾属于世界性、跨国性的自然灾害,对森林的破坏性极大,危害极深,造成的经济损失相当严重。
　　 湖南有林地11302万亩,占湖南总面积的35.7％。森林覆盖率为34.3％,大大超过全国平均水平。林业用地占湖南土地面积为57.4％,是我国南方重要的产材林基地之一。同时湖南人口稠密,夏秋干旱较严重,形成的森林可燃物较多,生态环境较为脆弱。受全球气候变暖的影响,湖南省高温、干旱、大风等灾害性天气明显增多,致使森林火险等级持续居高不下,森林火灾发生数量、受害面积、因灾伤亡人数大幅度上升,目前湖南森林防火工作正面临70年来最为严峻的形势,任务艰巨。
　　 本文综述了国内外森林火灾模型的研究现状与发展趋势。以生态学、林火科学和空间建模理论为指导,深入调查研究了湖南省社会经济、自然地理、森林防火现状。运用系统的自组织临界特性、空间插值技术、空间聚类技术、数学方法、地统计学、地理信息系统和计算机技术,对湖南省森林火灾空间模型进行了研建。研究的主要结论有:
　　 (1)湖南省森林火灾的“频数-面积”分布满足很好的幂律关系,且这种幂律关系具有时间稳定性和尺度不变性,即湖南省森林火灾系统具有自组织临界特性,在近似外界条件的影响下,它们具有相似或者相同的自组织临界性特性参数。因此可以用某一区域森林火灾的详细的历史数据来预测未来火灾的分布。本文从湖南省2000年到2004年的火灾数据拟合的直线为log F=-1.17*logA+3.41,2005年到2009年的火灾数据拟合的直线为logF=-1.17*logA+3.37。
　　 (2)运用空间插值技术将湖南省样点林火数据由点数据转化为面数据对林火空间分布进行研究。模型验证结果表明:克里格插值法效果最好,反距离权重插值法比径向基函数插值法好；反距离权重插值法,权重值为2效果最好；克里格插值法球型模型插值效果好于环型模型。局部插值效果最好的球型析取克里格插值法建立的模型为:0.53688*Circular(1.2078)+0.44541*Nugget。整体插值效果最好的三次趋势面模型为:
　　 z=-27730148.892+111399.756x+1129.665y-4.428x2+714613.395xy-2539.355y2-7.025x3-6061.715x2y+13.089xy+16.946y3
　　 建模结果表明:湖南省2000-2009年的林火频数在东南-西北,西南-东北方向呈反U型趋势。二次趋势面模型在空间上表现为抛物面模型,且以郴州-张家界一线为长轴,长沙-永州一线为短轴,形成了一椭圆形高值区,并向四周发散降低。
　　 (3)将空间聚类技术引用到湖南林火空间建模研究工作中。空间聚类技术可以定量的判断林地之间火灾数据的相似程度,从而将林地归类,克服了人为因素的干扰。空间聚类建模结果表明湖南省森林火灾发生频数在空间上具有较高的集聚性,吉瑞C指数(Getis-Ord general G)统计显著水平在5％以上,莫兰Ⅰ指数统计显著水平在1％以上(百分比越低越显著)。集聚结果表明,湖南省中北部-中西部一线在这10年中常年林火频数在68次以上,并随着全省年林火总频数的上升而增加；2002年以后,中西部、西南部成为林火高频区域,年平均林火频数在237次以上；2008年为林火高峰年,总频数高达5076,其中邵阳一个地区就发生森林火灾1093次；其次是2005年,这一年的林火发生率达到2000年以来的高峰,林火总频数为3138次。
　　 林火建模工作的大信息量、时效性等特点,对模型的质量不断提出更高的要求。随着森林防火工作的不断成熟完善,林火建模方法也在不断发展。计算机技术尤其是地理信息技术的飞跃发展,为林火空间模型的实现提供了强大的技术支持。湖南森林火灾受社会、经济、自然环境等多种因素的影响,森林防火是一项长期的、艰巨的工作。如何结合湖南森林火灾特点,建立符合实际、具有高实效性的林火空间模型,是湖南森林防火事业快速发展的关键。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 相关概念

1.2.1 森林火灾及森林防火

1.2.2 森林火险等级

1.2.3 空间数据

1.2.4 空间模型

1.3 国内外研究进展

1.3.1 国外研究进展

1.3.2 国内研究进展

1.4 研究的理论基础

1.4.1 林火生态学

1.4.2 空间分析

1.4.3 空间建模

1.4.4 自组织临界性

1.5 研究的技术、方法

1.6 存在的问题和研究前景

1.6.1 存在的问题

1.6.2 研究前景

1.7 研究内容

1.8 技术路线

2 研究地概况、研究方法和研究准备

2.1 研究地概况

2.1.1 湖南省地理环境

2.1.2 湖南省气候条件

2.1.3 湖南省人口状况

2.1.4 湖南省自然资源

2.1.5 湖南省环境对林火的影响

2.2 研究方法及步骤

2.2.1 研究方法

2.2.2 研究步骤

2.3 研究准备

3 湖南森林火灾“频率-面积”幂律分布研究

3.1 自组织临界性和幂律分析法

3.2 分形理论

3.3 湖南省森林火灾系统“频率-面积”分布研究

3.3.1 时间稳定性

3.3.2 自相似性

4 湖南森林火灾空间插值研究

4.1 局部空间插值法

4.2 整体插值法

4.3 湖南省森林火灾空间插值分析

4.3.1 数据检验

4.3.2 局部空间插值分析

4.3.3 趋势面分析

5 森林火灾空间聚类研究

5.1 森林火灾的空间聚类分析

5.2 基于面的空间聚类分析

5.3 湖南省森林火灾空间聚类分析

5.3.1 基于面的全局聚类分析

5.3.2 基于面的局部聚类分析

6.总结和讨论

6.1 总结

6.2 讨论

参考文献

致谢

附录