一种连续化的森林火险天气等级预报模型及应用

摘要

一种连续化的森林火险天气等级预报模型及应用，涉及森林火险预报。本发明步骤有：计算行政区域AR

说明书

技术领域

本发明属于天气环境条件的预报和测量，特别是涉及森林火险的预报方法。

背景技术

 森林火灾是威胁地球生态的主要灾害之一。为实现对林区起火可能性大小、火灾强度、火灾蔓延速度以及火灾扑救难易程度进行评估和预测，我国于1995年12月1日实施《全国森林火险等级》并作为全国各地森林火险天气等级的实时评定标准和预报准确率的事后评价依据。然而，该标准存在以下问题：（1）以省的行政区划为单位，预报尺度粗略。概略性的预报决定了多个州市或县区只有一种火险等级，不能区分和突出山头地块上的重点火险区，预报精度低。（2）采用查找表计算火险指标数值，经综合得分结果进行预报，这种权值打分法，会使森林火险天气指标取值存在较严重的阶跃现象，往往微小差异的气象数据会计算出较大差距的火险等级，导致预报误差较大。例如：当某两天的预报因子(温度、湿度、连旱天(上一次降雨量为5.1cm)、风速)的取值分别为：A 天(20，41，4，10.7)，B 天（20.1，40，5，10.8）时，按原国家标准计算出的火险指数分别为68 与91，对应的火险等级分别为3 级与5 级，显然A 天与B 天的天气情况非常接近，不应该有2 级的误差。（3）地理信息系统（简称GIS）是目前采集、处理、分析、表达、传播和应用的空间信息的处理技术，该标准已经不适合GIS系统下的预测与地图发布。

     另一方面，依据森林火灾与气象条件之间的关系研究提出森林火险气象指数及其构建方法成为本领域亟待解决的课题。目前国内外森林火险气象指数可以归纳为指数查对法、综合指标法和统计回归法等类型。在实际应用中尚需要结合气候和环境特点进行适用性修正和完善。 发明内容

 为了克服上述火险天气等级预报尺度粗略、阶跃误差以及不适应GIS系统下的火险预测与地图发布等问题，本发明提出一种森林火险天气等级预报的连续化模型，该模型具有使用计算机软件或/和直接利用GIS系统所提供的小区域地理环境和地图数据进行连续化分布的森林火险预报，并提高预报的准确性和精确性。

 本发明包括以下步骤：

一种连续化的森林火险天气等级预报模型及应用，包括以下步骤：

（1）用以下两种方式之一获取最高气温值                                                ；最小相对湿度值、前期降雨量值、连旱天数值、风速值，行政区域AR₁纬度值和最大纬度值H的森林火险天气等级预报因子数据，并将其存储在媒介之中；

（a）计算行政区域AR₁的n个气象观测站点的算术平均值作为气象预报因子数据—，取行政区域AR₁的几何中心位置处的纬度值作为纬度值；

或者，(b)将各样本所组成的样本集¹~ⁿ导入统计分析软件进行逐步回归分析操作，建立关联函数内插模型，用GIS软件的空间分析功能建立包括上述因子的森林火险天气等级预报因子连续化的数据；

其中，（a）是数据表中的记录项，以预报因子的算术平均值代表整个行政单元区域上的气象状况；（b）是经空间内插模拟获取的连续化的栅格数据，以栅格大小为单位代表连续变化的地理区域上的气象状况；

（2）设F1为最高气温的火险天气指数；F2为最小相对湿度的火险天气指数；F3为降水量与连旱天的火险天气指数；F4为最大风力的火险天气指数；F5为地带性气候变化订正指数，将步骤（1）得到的数据代入以下公式：

                        （式1）

                  （式2）

      （式3）

                 （式4）

                  （式5）

将（式1）~（式5）预报因子得到的火险天气指数，，，，代入森林火险天气等级指数综合计算公式：

             （式6）

 将代表该行政区域AR₁上的森林火险天气等级指数存储于新的数据列中；

（4）按以下规则定义森林火险天气等级：

 若HTZ≤25，则=1；若25＜HTZ≤50，则=2；若50＜HTZ≤72，则=3；若72＜HTZ≤90，则=4；若HTZ＞90，则=5，并存储于新的数据列；

   （5）重复步骤（1）~（3），存储并建立所预报行政区域AR₁的火险天气等级数据表T₁；

（4）将所有预报行政区域AR₁的矢量化电子地图Lyr_行政1属性库导入地理信息系统软件，以行政区域AR₁的ID属性列或名称属性列关联Lyr_行政1的属性库与步骤（4）的数据表T₁的属性列，按火险天气等级A对Lyr_行政1进行渲染；

   （7）添加所需的地图要素，完成可视化表达。

 进一步是，在所述的步骤（4）之后循环步骤（1）~（3），计算行政区域AR₂~ARn的火险天气等级数据行Row₂~Rown，建立和存储行政区域AR₂~ARn的火险天气等级数据表T₂~Tn，其数据行Row₂~Rown按照步骤（5）关联Lyr_行政2~Lyr_行政n，按火险天气等级A分别染色。

 所述的火险预报因子为栅格化的数据，所得到的的森林火险天气等级A为以栅格大小为单元的森林火险天气等级A。

    关于以上表达式中火险天气指数F₁~F₅的计算模型，下面仅以最高气温的火险天气指数F₁的计算模型为例说明上述连续化模型的构建过程，其余预报因子的火险天气指数F₂，_...F₅计算模型建立过程恕不赘述。该过程如下：

（1）以分区间打分计算火险指数的行业标准为参照，采用标准中火险天气指数的节点值，以最高气温所划分的6个区间的中值以及各区间所对应的火险指数组成建模样本集，。最高气温火险天气指数连续化模型构建的样本集为：={（2.5，0）,（7.5，4）,（12.5，8）,（17.5，12）,（22.5，16）,（27.5，20）}。

（2）根据火险具有极值的特点及样本点分布的特点，选用Logistic生长曲线对节点进行拟合，函数形式为：。由于国家标准中最高气温导致的火险指数不超过25，则模型中定义函数最大值为25，故取。

使用统计分析软件，如SPSS软件，对该样本集进行回归拟合操作，得到最高火险天气指数计算的连续化模型。 

（3）对该模型做统计检验，若模型通过假设检验则将该模型作为火险指数计算的连续化模型。本例中，检验结果显示，说明变量间具有很高的相关关系，且模型通过95%置信度的假设检验。本发明Logistic曲线拟合图如图2。

本发明所具有的积极意义在于：

    根据本发明提供的连续化模型所输入的各种气象因子是地理区域上的代表值，用定量化的连续函数计算火险值，结果能灵敏反映各种气象条件的变化，而只要输入连续变化的气象因子，综合计算得到的森林火险天气等级指数结果也将是连续化分布的火险值，不会产生阶跃、误差累积等现象。

    利用GIS系统所提供的小区域地理环境和地图数据，根据本发明森林火险天气等级预报的连续化模型计算得出的云南省中长期火险天气等级预报2013 年4月的月均中长期森林天气等级，其准确性和精细化程度明显高于目前国家标准所制作的预报结果，具有显著的进步，从而本发明模型方法所制作的预报结果图更符合实际应用需求，具有更高的应用价值。

例如，用本发明的连续函数计算的火险天气指数值与现有国家行业标准计算结果数值对比见下表1。从表中可以看出，气象条件相近的两个预报地点，如1和2，3和4，5和6，若按照国家标准计算出的火险级别分别相差1级，而按照本发明所计算得出的火险级别为同一级别，更符合气象规律，且与原有国家标准的预报等级基本吻合，能够更为客观地反映森林火灾的实际危险状况。

表1发明计算的火险天气指数值与现有国家行业标准计算结果数值对比表

以上过程若输入的气象因子数据为行政单元上的气象数据，则预报结果为以行政区为空间单元上的火险天气等级预报图（见附图6）。

如果以上输入是栅格化的空间模拟数据，则输出结果是以栅格像素大小为空间单元的精细化的火险天气等级预报图（见附图5）。其中，在GIS系统支持下，利用空间内插方法（如克里金内插、反距离内插等）、或空间关系模型方法，将气象站点的数据模拟、推广到连续空间面上，可获得用栅格单位表达的连续化气象观测值。

除以上积极效果外，本发明还可为森林火险等级预报测报仪的研制、林火发生火险测报系统的研发提供关键的方法模型。

附图说明

    图1是Logistic回归曲线示意图。

    图2是本发明气温火险指数拟合曲线图。

图3是本发明以行政区划为单位的森林火险天气等级预报流程图。

    图4是本发明以栅格为单位的森林火险天气等级预报流程图。

    图5是本发明根据本发明模型计算得出的以栅格像素大小为空间单元的云南省森林天气等级精细化预报示意图。从图中可以看出，连续变化的地理区域上，火险等级呈逐级过渡，相邻地区火险等级差异不大；通过GIS查询工具，可查到栅格单位上的火险等级大小。 

    图6是按照国家标准做出的云南省2013 年5月2日的森林火险天气等级预报图。图中，火险气象等级以每个州市为预报单位，气象条件连续变化的州市地理区域内火险等级无差异，相邻的两个行政区域在其交界处出现了火险等级相差1级的不合理现象。

   以下结合附图对本发明做进一步说明，以下是实施例包括但不限制本发明的保护范围。

具体实施方式

    实施例1：

（1）将行政区域AR₁内气象数据来源的预报站点1~n的经纬度数据存储于文本文件中，文本文件需以以下格式输入：

1，98.8833,28.45

2，103.95,28.6

3，103.6333,28.2333

4，104.25,28.0667

…………

End

其中，第一列为ID，第二列为经度值，第三列为纬度值。

使用GIS软件执行点1~n的导入操作，即将测报站点的经纬度以一定的格式导入GIS图像处理软件中，从而在地图上显示测报站点的分布，存储为矢量数据Station_point。

（2）使用GIS软件中的空间分析功能，从DEM上提取坡度、坡向、地形起伏度、经度、纬度等环境梯度因子。若无现成的提取函数，可以查阅相关地学分析文献，根据各环境梯度因子的计算算法，在GIS软件中，使用栅格计算功能，提取出相应的因子。

 例如提取地形起伏度的步骤如下：确定邻域分析窗口，N*N大小；以N*N大小的分析窗口对DEM每个像元遍历，寻找分析窗口中的最大高程值Hmax，最小高程值Hmin，并分别存储为两个统计栅格数据Grid1和Grid2中；对统计分析产生的两个栅格数据Grid1和Grid2做栅格差值运算，差值结果即为地形起伏度的栅格数据。

基于导入的预报站点1~n的地理位置，使用GIS软件中的采样功能，顺序在环境因子数据G₁~G_m栅格上对环境梯度因子采样，以获取气象站点Station_point处的样本点集¹~ⁿ并将其存储于文本文件中。例如表1为云南省怒江州部分样点数据情况：

表2云南省怒江州部分站点样本点数据

（3）将预报因子数据，如温度，按环境梯度因子表中的站点1~n顺序添加为新的一列，作为因变量集合。

将各样本所组成的样本集¹~ⁿ导入统计分析软件（如SPSS）进行逐步回归分析操作，得到回归方程的常数项和回归系数，建立预报因子的内插模型：

。

将环境梯度因子栅格数据代入空间内插模型做栅格运算，得到温度T连续化分布的数据，该数据用表示。

重复本步骤，分别得到湿度H、降雨量R、风速W连续化分布的数据。 

（4）在GIS软件中的栅格计算器中，将以上栅格数据和站点的连旱天、纬度栅格数据和区域内的最大纬度H，代入以下公式计算，分别得到连续化火险天气指数因子F₁、F₂、F₃、F₄、F₅：

                        （式1）

                  （式2）

      （式3）

                 （式4）

                  （式5）

将（式1）~（式5）得到的，，，，代入以下森林火险天气等级指数综合计算公式：

             （式6）

 （式6）得到以栅格大小为单位的综合火险天气指数栅格数据。

（5）按《森林火险天气等级标准查对表》规则，重新定义栅格数据像元值，得到森林火险天气等级栅格数据，其算法是：

 若HTZ≤25，则=1；若25＜HTZ≤50，则=2；若50＜HTZ≤72，则=3；若72＜HTZ≤90，则=4；若HTZ＞90，则=5。

（6）按火险天气等级A染色，即对=1、2、3、4、5的像元值分别赋予绿色、蓝色、黄色、橙色、红色，最后，通过添加图例、比例尺等地图要素操作，完成该行政区域上以栅格为空间单元的火险天气等级预报的可视化表达。

实施例2：

 对于云南省其他行政区域，重复步骤（1）~（6），得到k个行政区域的火险天气等级A₁……A_k。将其投影到同一坐标系统下后，使用地理信息系统软件中的栅格数据拼接功能，如ArcGIS软件中的Mosaic工具，将多个行政区的火险天气等级图层拼接为一个栅格数据A_all，从而完成云南全部行政区域的火险天气等级预报的可视化表达。