省域尺度城镇森林交界域火灾风险建模分析

摘要

当前，城镇森林交界域(WUI)火灾日益频发，对交界域的人员和建筑造成严重危害。针对我国城镇森林交界域地带的蓬勃发展而带来的潜在火灾风险问题，仍存在相关研究不够全面甚至是滞后的现象，同时以时空维的视角去分析城镇森林交界域火灾风险的发生趋势也不多。因此本文借助于相关数学模型，从时空角度研究城镇森林交界域火灾的发生，探索城镇森林交界域火灾风险的时空动态分布，随后发现城镇森林交界域火灾发生的影响因素及其与森林火灾之间的关联规律，可为提高城镇森林交界域的科学性防火管理提供系统性支持。以下为重点内容概述:
　　1.城镇森林交界域火灾发生的空间分布研究
　　借助于随机森林算法来拟合省域尺度的城镇森林交界域火灾和森林火灾的发生，进而解释城镇森林交界域火灾发生的空间分布。
　　首先，针对特征选择得到的重采样结果显示，参与城镇森林交界域火灾风险建模的自变量为:道路密度，铁路密度，月均最低温度，归一化植被指数，人口密度以及海拔，参与森林火灾风险建模的自变量为:月均平均温度，归一化植被指数，道路密度，铁路密度，人口密度以及海拔。
　　之后，根据随机森林算法对火灾发生进行拟合，结果发现训练集与测试集中拟合值与真实值的简单相关系数都高于0.90，可以认为RF算法能够有效拟合城镇森林交界域火灾和森林火灾的发生。
　　总之，通过使用随机森林模型对城镇森林交界域火灾风险和森林火灾风险进行建模，分别筛选出6个对城镇森林交界域火灾风险和森林火灾风险贡献度大的变量。
　　2.城镇森林交界域火灾发生的时空分布研究
　　通过使用全局线性回归模型(LM)、地理加权回归模型(GWR)和时空加权回归模型(GTWR)，对三种模型在城镇森林交界域火灾和森林火灾风险的拟合能力方面进行研究，分析并建立表现最佳的火灾风险的时空分布模型。
　　在此过程中，借助于空间交叉验证方法来进行变量间筛选，之后将筛选出的七个显著自变量纳入地理加权回归模型(GWR)和时空加权回归模型(GTWR)的建模过程中。结果显示，在拟合火灾风险和对其空间结构的解释能力方面，时空加权回归模型(GTWR)的能力均为最佳。最后，对模型进行独立测试同样发现时空加权回归模型(GTWR)相较于其他两个模型具备更强的解释能力。
　　由此，GTWR模型比GWR和LM具备更强的拟合和解释能力，说明GTWR模型能够更科学地揭示不同时间与空间位置上的自变量对于火灾发生影响的差异性，采用其对城镇森林交界域火灾风险和森林火灾风险进行拟合和解释是一种富有意义的尝试。
　　3.城镇森林交界域火灾与森林火灾发生的时空分布规律与影响因素分析的对比研究
　　通过使用GTWR模型对火灾风险进行有效且有意义的拟合。输出结果能够深入分析影响城镇森林交界域火灾发生的自变量的时空异质性，并与森林火灾进行对比，这也恰恰体现了GTWR模型在评估城镇森林交界域火灾风险的时空动态性和不确定性等现象规律方面的优势。
　　首先，使用空间交叉验证进行线性回归训练的结果显示，归一化植被指数(NDVI)和道路密度(Road)是城镇森林交界域火灾风险建模中最重要的变量，地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)是森林火灾风险建模中最重要的变量。之后，根据自变量的时空分布规律，可以发现归一化植被指数(NDVI)对于城镇森林交界域火灾风险和森林火灾风险均呈正相关，且归一化植被指数(NDVI)对城镇森林交界域火灾发生的影响明显大于其对森林火灾发生的影响，说明交界域火灾与森林火灾的发生密切相关，两类火灾具有一定的关联性;道路密度（Road）对于城镇森林交界域火灾风险的影响呈正相关且随时间发生显著变化，这一变量代表了人员活动频繁程度，说明随着中国基础设施和城镇化的快速发展，交界域火灾的发生更加频繁。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 生态文明建设与城镇森林交界域火灾

1．1．2 研究城镇森林交界域火灾和森林火灾的重要性

1．1．3 城镇森林交界域火灾风险评估的滞后性与新技术的应用

1．2 研究现状

1．2．1 火灾风险与其影响因素的关系建模研究

1．2．2 火灾风险评估的研究现状

1．3 研究内容及技术路线

第2章 研究区域概况与数据描述

2．1 研究区域概况

2．1．1 自然地理环境

2．1．2 气候水文概况

2．1．3 社会经济概况

2．1．4 森林植被概况

2．1．5 城镇森林交界域概况

2．2 研究数据来源与描述

2．2．1 安徽省火灾数据描述

2．2．2 安徽省火灾风险建模采用的自变量描述

2．3 研究数据预处理

2．3．1 地形

2．3．2 归一化植被指数

2．3．3 温度

2．3．4 人类活动

第3章 基于随机森林模型的交界域火灾风险建模

3．1 引言

3．2 数据和方法

3．2．1 因变量

3．2．2 自变量

3．2．3 研究方法

3．3 结果与分析

3．3．1 多重共线性检验结果

3．3．2 特征选择结果

3．3．3 模型结果的检验

3．3．4 模型在总体数据集上拟合效果的可视化

3．4 结论与讨论

第4章 基于时空加权回归和全局线性回归模型的城镇森林交界域火灾风险建模

4．1 引言

4．2 数据和方法

4．2．1 研究区域

4．2．2 研究数据与预处理

4．2．3 模型与方法介绍

4．3 结果与讨论

4．3．1 对于全局线性回归自变量选择的结果

4．3．2 模型训练拟合结果

4．3．3 对于残差项空间自相关的检验结果

4．3．4 对于模型的独立验证

4．4 结论

第5章 城镇森林交界域火灾与森林火灾发生时空分布规律与影响因素分析的对比研究

5．1 引言

5．2 基于时空加权回归和全局线性回归模型的森林火灾风险建模

5．2．1 数据和方法

5．2．2 结果与讨论

5．3 解释变量的时空动态分布

5．3．1 时空异质性分析

5．3．2 两类火灾重要影响自变量的对比分析

5．4 火灾发生概率拟合结果

5．5 结论

第6章 结论与展望

6．1 本文工作与主要结论

6．2 本文创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果