基于MODIS數(shù)據(jù)的2001—2015年江西省林火時(shí)空特征分析

顧先麗，吳志偉，張宇婧，閆賽佳，付婧婧

（1.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022；2.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022）

森林生態(tài)系統(tǒng)受各種自然和人為因素的干擾[1]。其中，林火是最重要的干擾因子之一[2]，影響森林景觀的結(jié)構(gòu)和功能。單一次的林火發(fā)生可能被視為隨機(jī)事件，但是在景觀乃至區(qū)域尺度上林火的發(fā)生與分布不是完全隨機(jī)的，而是呈現(xiàn)一定的時(shí)空分布特征[3]。因此，分析林火時(shí)空特征對(duì)合理分配林火管理資源、維持森林生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要。

歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是研究林火時(shí)空分布特征的重要數(shù)據(jù)來源之一。田曉瑞等[4]根據(jù)1992—2005年西藏藏族自治區(qū)森林火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)空規(guī)律。Vega等[5]根據(jù)瑞士聯(lián)邦森林、雪和景觀研究所提供的林火統(tǒng)計(jì)資料，分析了瑞士提契諾州1969—2008年森林火災(zāi)的分布狀況。但是，林火統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通常難以獲取，且在數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)空明細(xì)性方面有限。相比之下，遙感數(shù)據(jù)（如MODIS 、LANDSAT、Quick Bird等）具有更新速度快、空間分辨率高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，成為林火研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源之一。其中，MODIS數(shù)據(jù)因其具有全球免費(fèi)、光譜范圍廣、數(shù)據(jù)接收簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于火點(diǎn)的檢測(cè)、識(shí)別、提取以及火災(zāi)面積評(píng)估和火災(zāi)時(shí)空分布研究[6-8]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)林火的研究主要集中在寒溫帶針葉林區(qū)[9-10]，而亞熱帶常綠闊葉林區(qū)林火的研究有待加強(qiáng)。柳生吉等[11]采用廣義線性模型和最大熵模型對(duì)黑龍江省林火空間分布進(jìn)行模擬。馬楠楠等[12]利用Arc GIS10.2等工具對(duì)呼瑪縣森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律以及火源類型進(jìn)行了研究。在寒溫帶針葉林區(qū)，森林植被空間分布的連續(xù)性高（如集中成片分布），人口密度低，且道路網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)，林火多為雷擊火。相比之下，亞熱帶常綠闊葉林分布較散，林區(qū)人口密度高，道路網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，林火主要是人為火。雖然亞熱帶常綠闊葉林區(qū)火燒面積通常較小[13]，但林火發(fā)生頻率高，且大多分布在人口較為密集的區(qū)域，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)（農(nóng)田、房屋燒毀）以及空氣質(zhì)量等的影響較大。因此，開展亞熱帶常綠闊葉林區(qū)林火的研究，對(duì)充分理解全國(guó)尺度上林火發(fā)生的時(shí)空格局特征具有重要意義。

江西是我國(guó)亞熱帶常綠闊葉林典型林區(qū)之一，林火發(fā)生頻率高。1950—2010年共發(fā)生林火41 846次，面積約98萬hm2（約占全省林業(yè)用地面積9.0%），分別位列全國(guó)第8、9位[14]。江西是首批被列入國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)的省份之一，要打造美麗中國(guó)“江西樣板”，實(shí)現(xiàn)2020年全省森林覆蓋率穩(wěn)定在63%。因此，研究江西省林火時(shí)空規(guī)律對(duì)維護(hù)區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)健康，穩(wěn)定森林覆蓋率和保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究基于MODIS火產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MCD14ML），提取了江西省2001—2015年的森林火點(diǎn)，研究江西省森林火點(diǎn)時(shí)間分布特征（年際、季節(jié)、月際變化）、空間分布（空間聚集性）特征、時(shí)空結(jié)合的聚集性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江西省位于長(zhǎng)江中下游南岸（2 4°07′～29°09′N，114°02′～117°97′E），境內(nèi)東、西、南三面環(huán)山，北部較為平坦，中部以丘陵為主，屬中亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候，年均溫16.4～19.8℃，年均降水量1 340～1 930 mm。據(jù)2017年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，到2016年底，江西省森林面積共1 001.81萬hm2，森林覆蓋率為60.01%，居全國(guó)第2位；主要植被類型有針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、常綠落葉闊葉混交林、竹林、矮林和灌叢等。設(shè)區(qū)市森林覆蓋率由大到小依次是贛州市（76.24%）、吉安市（67.61%）、萍鄉(xiāng)市（66.02%）、景德鎮(zhèn)市（65.07%）、撫州市（64.54%）、上饒市（61.67%）、鷹潭市（57.38%）、宜春市（56.97%）、新余市（56.49%）、九江市（54.92%）、南昌市（21.96%）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

江西省2001—2015年MODIS動(dòng)態(tài)火產(chǎn)品數(shù)據(jù)—MCD14ML（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。該數(shù)據(jù)是MODIS的L3級(jí)，空間分辨率為1 km的全球每月火災(zāi)位置產(chǎn)品，記錄了火點(diǎn)時(shí)間、經(jīng)緯度、可信度等?？尚哦确譃?個(gè)等級(jí)：低（0～30%）、中（30%～80%）、高（80%～100%）。為減少誤差，本研究選取了可信度＞80%的火點(diǎn)。

2001年中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)（http：//westdc.westgis.ac.cn/）的空間分辨率為1 km，共17個(gè)分類系統(tǒng)。本研究對(duì)象是森林火點(diǎn)，因此，只提取了前5個(gè)代表林地的土地類型：常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林。

1.3 MCD14ML產(chǎn)品介紹

MODIS火產(chǎn)品為解決生物質(zhì)燃燒在地球系統(tǒng)中的作用提供了幫助，同時(shí)在社會(huì)和文化分析方面也具有實(shí)用性[15]。該產(chǎn)品的算法使用來自MODIS 4-和11-Am信道的亮度溫度[16]。MCD14ML數(shù)據(jù)是綜合了Terra 和Aqua的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并基于MOD/MYD14產(chǎn)品制作的以月為單位合成的1 km分辨率L3火災(zāi)位置產(chǎn)品，主要包含地理位置、日期及傳感器檢測(cè)到的單個(gè)火災(zāi)像素的附加信息。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

MODIS火點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，主要包括投影轉(zhuǎn)換、林地信息提取等。對(duì)預(yù)先處理的影像進(jìn)行二值化處理，采用ArcGIS空間分析技術(shù)，進(jìn)行重分類等，得到各月份、年份的林火點(diǎn)位。建立火點(diǎn)點(diǎn)狀圖層，再與具有相同投影坐標(biāo)系的江西省行政區(qū)圖和土地覆蓋圖疊加，提取落在不同區(qū)市和不同植被類型上的火點(diǎn)。

從空間、時(shí)間、時(shí)空3個(gè)方面對(duì)江西省林火時(shí)空特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4.1 空間分布特征 利用ArcGIS軟件中的空間分析工具Getis-Ord-Gi*統(tǒng)計(jì)識(shí)別林火熱點(diǎn)和冷點(diǎn)在空間上分布的位置，熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域發(fā)生的概率都被劃分為3類，分別是90%、95%、99%[17]。

式中，xj為要素j的屬性值，wij為要素i和要素j之間的空間權(quán)重，n為要素的總和。

聚類的程度由產(chǎn)生的z得分和P值確定，z得分為正且越高，則表示高值空間聚類（熱點(diǎn)）越強(qiáng)；若z得分為負(fù)且越低，表示低值空間聚類（冷點(diǎn)）越弱；z得分接近零，表示不存在明顯的空間聚類[18]。

1.4.2 時(shí)間分布特征 利用Excel軟件對(duì)江西省2001—2015年林火數(shù)據(jù)的年際、季節(jié)和月份變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.4.3 時(shí)空聚集性特征 為識(shí)別火點(diǎn)時(shí)空相結(jié)合的分布模式是聚集、分散還是隨機(jī)，采用基于信息熵的時(shí)空點(diǎn)模式分析理論，對(duì)江西林火分布模式進(jìn)行分析。將空間位置信息與時(shí)間信息結(jié)合，用信息熵度量空間最鄰近的時(shí)間距離分布的不確定性。不確定性越小則信息熵越小，數(shù)據(jù)的聚集程度越高[19]。信息熵計(jì)算公式如下：

式中，k為區(qū)間單元個(gè)數(shù)，Ci為第i個(gè)區(qū)間的對(duì)象數(shù)目，N為點(diǎn)對(duì)象的總數(shù)。NI（Normalized Index）取值為[0，1]，NI值趨近于0時(shí)，為隨機(jī)分布，NI值越大，則聚集程度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 江西省林火空間分布特征

圖1 2001—2015年江西省森林火點(diǎn)分布

江西省森林火點(diǎn)分布的總體格局為南多北少，部分地區(qū)火點(diǎn)較為密集（圖1）。贛州的火點(diǎn)個(gè)數(shù)最多，15年共累計(jì)火點(diǎn)2 217個(gè)，約占總個(gè)數(shù)的39%。其余依次是吉安市1 318個(gè)、撫州市754個(gè)、上饒市371個(gè)、九江市327個(gè)、景德鎮(zhèn)市247個(gè)、宜春市198個(gè)、萍鄉(xiāng)市141個(gè)、新余市64個(gè)、鷹潭市58個(gè)、南昌市7個(gè)（圖2）。林火發(fā)生密度較高的是吉安市、贛州市和撫州市，較低的是上饒市、宜春市和南昌市。利用熱點(diǎn)分析方法，得出江西省林火空間分布有3個(gè)較大的獨(dú)立熱點(diǎn)區(qū)，主要分布在贛州市西南部、吉安市西北部和撫州市南部（圖3，封二）。

圖2 2001—2015江西省各市森林火點(diǎn)分布

圖3 2001—2015年江西省林火熱點(diǎn)分布

2.2 江西省林火時(shí)間分布特征

2001—2015年江西省森林火點(diǎn)共5 702個(gè)，年均380個(gè)（圖4）?；瘘c(diǎn)數(shù)最多的年份為2008年，占總火點(diǎn)數(shù)的14.77%；最少的為2002年，占總數(shù)的0.77%。森林火點(diǎn)數(shù)年際變化分為兩個(gè)階段：2001—2008年（共計(jì)火點(diǎn)2 640個(gè)）是上升階段，年際波動(dòng)較大，峰值出現(xiàn)在2004年（462個(gè)），占該階段總數(shù)的17.5%；2008—2015年（共計(jì)火點(diǎn)3062個(gè)）是下降階段，年際波動(dòng)較小，峰值出現(xiàn)在2008年（842個(gè)），約占該階段總數(shù)的27.5%。

圖5表明，江西省2001—2015年森林火點(diǎn)有明顯的季節(jié)性，主要集中在冬、春兩季。冬季火點(diǎn)最多，共3 398個(gè)，約占總數(shù)的60%；春季次之，共1 296個(gè)，占總數(shù)的22.73%；秋季較少，共916個(gè)，占總數(shù)16.06%；夏季最少，共有火點(diǎn)92個(gè)，占總數(shù)的1.61%。

圖4 2001—2015年江西省森林火點(diǎn)數(shù)

圖5 2001—2015年江西省春、夏、秋、冬森林火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

從圖6可以看出，15年來江西省森林火點(diǎn)個(gè)數(shù)月際間的波動(dòng)較大。高發(fā)的月份是2月和1月，分別發(fā)生1 315、1 101個(gè)，占火點(diǎn)總數(shù)的23.06%、13.31%；其次是12月和3月，分別發(fā)生982、974個(gè)，占總數(shù)的17.22%、17.08%；林火低發(fā)月份是6月，共發(fā)生7個(gè)，占火點(diǎn)總數(shù)的0.12% 。高發(fā)月份和低發(fā)月份之間的火點(diǎn)數(shù)相差高達(dá)1 308個(gè)。

圖6 2001—2015年江西省各月森林火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

2.3 江西省林火時(shí)空聚集性

江西省林火發(fā)生的信息熵N I值均在0.3～0.4之間（圖7）。由此判斷江西省2001—2015年森林火點(diǎn)在時(shí)空分布上為聚集模式，且聚集程度較高。對(duì)江西省11個(gè)市的NI值進(jìn)行計(jì)算，得出在區(qū)域小尺度范圍上，表現(xiàn)為較高時(shí)空聚集模式的主要是贛州、景德鎮(zhèn)和吉安（圖8）。

圖7 江西省林火火點(diǎn)數(shù)據(jù)的K區(qū)間劃分對(duì)應(yīng)的NI值

圖8 江西省11個(gè)市林火發(fā)生的NI值

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，2001—2015年江西省林火發(fā)生的空間差異大，南部明顯多于北部。其中，地處贛中南的贛州市、吉安市的火點(diǎn)較多，贛中北的南昌市最少。這是因?yàn)橼M州市位于江西南部，森林覆蓋率（76.2%）遠(yuǎn)高于北部地區(qū)，且多為闊葉林，地表枯枝落葉多。而南昌市位于江西中北部，城市化水平高，森林覆蓋率低，因此火點(diǎn)相對(duì)較少。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，林火密度與林火發(fā)生個(gè)數(shù)不呈正相關(guān)關(guān)系。例如，吉安市的火點(diǎn)數(shù)和林地面積均低于贛州市，但林火發(fā)生的密度最高，說明吉安市林火發(fā)生狀況較為嚴(yán)重，同樣需要加強(qiáng)這一地區(qū)的森林防火工作。

林火發(fā)生的年際波動(dòng)較大，在2004、2008年出現(xiàn)兩個(gè)高峰值，這可能與歷史氣候環(huán)境有關(guān)聯(lián)。2004年出現(xiàn)第1個(gè)林火發(fā)生高峰是因?yàn)?003年江西省遭遇了特大干旱天氣。2003年7～12月雨量之少居歷史第一位，導(dǎo)致2004年出現(xiàn)最高干旱指數(shù)，蒸發(fā)量大，森林可燃物干燥，極易誘發(fā)林火的發(fā)生。2008年出現(xiàn)第2個(gè)高峰值，與2008年我國(guó)南方遭受冰雪凍害有關(guān)。冰凍雪害后，森林火災(zāi)呈現(xiàn)集中暴發(fā)的態(tài)勢(shì)，林區(qū)的道路，森林防火設(shè)施包括瞭望臺(tái)、通訊設(shè)施等都受到很大程度的損壞[20]。江西省是該年冰凍災(zāi)害重災(zāi)區(qū)之一，大面積的森林遭受機(jī)械損傷，大量的枯枝落葉為林火的發(fā)生提供了豐富的可燃物[21]，引發(fā)了高頻率的次生火災(zāi)害[22]。

林火發(fā)生季節(jié)差異明顯，冬、春兩季最多，秋季次之，夏季最少。冬季受北方冷空氣的影響，江西省氣候寒冷、干燥，且多大風(fēng)，加劇林火的發(fā)生和蔓延；春季氣溫升高，為給春耕作準(zhǔn)備，開始燒荒整地，且多為林農(nóng)間種[23]，加之清明節(jié)上墳燒紙的影響，林火發(fā)生頻率高。因此要加強(qiáng)冬、春季森林的防火力度，尤其是在高發(fā)的1、2月份。這與我國(guó)北方林火發(fā)生的季節(jié)性分布有一定的區(qū)別。我國(guó)北方針葉林地區(qū)，如黑龍江[24]、內(nèi)蒙古[25]等，林火的發(fā)生集中在春、秋兩季。這是因?yàn)楸狈酱杭練鉁鼗厣?，積雪消退，大量枯草露出，為林火發(fā)生提供了豐富的可燃物；秋季氣溫回落，植被生長(zhǎng)期結(jié)束，林木枝葉開始枯黃，大量枯枝落葉堆積地表，易引發(fā)森林火災(zāi)。

江西省林火時(shí)空分布在總體上表現(xiàn)為高度聚集模式，但聚集性強(qiáng)弱有地域差異性。其中，聚集性強(qiáng)的主要分布在森林覆蓋率較高的贛中南地區(qū)。這類地區(qū)火點(diǎn)的發(fā)生在時(shí)間和空間上都表現(xiàn)為聚集模式，林業(yè)部門需要加強(qiáng)對(duì)林火的監(jiān)測(cè)管理，做好清林工作，增強(qiáng)防火宣傳力度，對(duì)不同的時(shí)間段和地區(qū)采取針對(duì)性措施。同時(shí)，林火是諸多自然和人為因素綜合作用的結(jié)果，為了能夠系統(tǒng)地對(duì)林火進(jìn)行研究，今后需要結(jié)合地形、氣候等因子做更細(xì)致深入研究。例如，對(duì)江西省未來氣候變化情景下的火點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空預(yù)測(cè)，從而對(duì)江西省的林火管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。