基于GIS平臺(tái)和無人機(jī)航拍技術(shù)的火燒跡地分析

翁迪君 楊艷婷

(廣東省嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510091)

1 背景

近年來，世界各地都在遭受不同程度的森林火災(zāi)的困擾。受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，2019年全球森林火災(zāi)頻發(fā)，3月底，我國四川木里縣發(fā)生雷擊火，共有30名撲火人員犧牲；同年9月，澳大利亞幾乎每個(gè)州都在遭受林火肆虐，至次年7月底，該叢林大火或已致30億動(dòng)物死亡。2020年，我國四川涼山西昌突發(fā)山火，造成19人遇難；同年美國加州遭受森林野火肆虐，共計(jì)發(fā)生8 800多起山火。人類正面臨著前所未有的森林防火工作壓力。森林火災(zāi)對(duì)人類生產(chǎn)生活、生命安全及財(cái)產(chǎn)安全都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，而對(duì)植被的破壞尤為突出。

2 分析思路

收集森林火災(zāi)發(fā)生、撲救與防控的相關(guān)資料；通過無人機(jī)對(duì)該火燒跡地進(jìn)行高清航拍；影像拼接及校正，對(duì)影像進(jìn)行判讀及區(qū)劃；獲取該區(qū)域的DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；利用GIS平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，獲取相關(guān)因子的處理結(jié)果；初步分析各因子與該火燒跡地的火燒強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過確定ArcGIS軟件對(duì)兩者進(jìn)行疊加，確定各因子的權(quán)重；進(jìn)一步分析該火燒跡地的火燒強(qiáng)度及其帶來的破壞程度，提供森林火災(zāi)的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

3 初步處理結(jié)果

該案例利用大疆無人機(jī)精靈Phantom 4 Pro V2.0對(duì)火燒跡地進(jìn)行正射照片的拍攝工作。將照片拼接成完整的正射影像，并對(duì)該影像進(jìn)行校正、判讀和區(qū)劃等，以獲得初步處理結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域過火面積達(dá)4.626 9hm2，森林火災(zāi)等級(jí)為較大森林火災(zāi)。按火燒強(qiáng)度對(duì)火燒跡地進(jìn)行區(qū)劃，根據(jù)原國家林業(yè)局(現(xiàn)為國家林業(yè)和草原局)在《全國森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定的通知》，將火后植被受害狀況(或稱火燒強(qiáng)度)分為輕度、中度、重度和極重度4個(gè)等級(jí)[1]。區(qū)劃結(jié)果見圖1。

圖1 火燒跡地按火燒強(qiáng)度區(qū)劃影像圖

通過拼接的高清無人機(jī)影像可以看出，該火燒跡地輕度火燒區(qū)含大部分的未傷木及小部分燒傷木；中度火燒區(qū)含一半及以上的燒傷木及小部分燒毀木；重度或極重度火燒區(qū)僅剩極少量燒傷木(燒毀木)，地表裸露嚴(yán)重。該火燒跡地區(qū)劃輕度火燒區(qū)面積1.188 1hm2，中度火燒區(qū)面積1.765 1 hm2，重度或極重度火燒區(qū)面積1.673 7 hm2。見表1。

表1 火燒跡地按火燒強(qiáng)度區(qū)劃面積統(tǒng)計(jì)表

4 森林火災(zāi)火燒強(qiáng)度的主要影響因子分析

4.1 氣象因子

氣候變化與森林火災(zāi)發(fā)生密切相關(guān)，其中溫度、濕度和風(fēng)等氣象要素變化起關(guān)鍵性作用。氣溫的升高能加速可燃物的含水率的降低，是可燃物干燥達(dá)到燃點(diǎn)的所需熱量減少，使森林火災(zāi)相對(duì)更容易發(fā)生[2]。當(dāng)空氣濕度相對(duì)小時(shí)，可燃物體內(nèi)水分蒸發(fā)快，失水量大，林火易發(fā)生和蔓延[3]。風(fēng)能夠加快地表植被的水分蒸發(fā)，促進(jìn)空氣流動(dòng)，為可燃物體燃燒提供良好的條件。

通過查詢歷史天氣可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)禺?dāng)日正處于冬季，天氣干燥，濕度最高氣溫在20 ℃左右，風(fēng)向?yàn)闁|，風(fēng)力2級(jí)，連旱2個(gè)月以上，這些要素為該火災(zāi)的發(fā)生提供有利條件。

4.2 地形因子

利用ArcGIS處理相應(yīng)區(qū)域的dem數(shù)據(jù)，獲得50 m等值線、坡向和坡度等矢量數(shù)據(jù)，用于分析地形因素對(duì)過火區(qū)域受災(zāi)程度的影響。海拔對(duì)植被的影響主要表現(xiàn)在溫度、雨量、相對(duì)濕度、輻射強(qiáng)度、氣流及土壤性質(zhì)；而坡向的影響表現(xiàn)在單位面積接受的能量、溫度和濕度等方面；坡度的影響則表現(xiàn)在日照、土壤和土壤流失等方面[4]。

4.2.1 海拔

海拔越高，氣溫將越低，水分蒸發(fā)量隨之減少，山火發(fā)生的可能性降低。將間距50 m等值線疊加按火燒強(qiáng)度區(qū)劃的數(shù)據(jù)，分類計(jì)算權(quán)重，見表2。

表2 海拔于各火燒強(qiáng)度區(qū)域的權(quán)重表

從表2中可發(fā)現(xiàn)，輕度火燒區(qū)主要集中在海拔150 m以下的區(qū)域，中度火燒區(qū)主要集中在海拔100～150 m區(qū)域，重度或極重度火燒區(qū)主要集中在海拔150 m以下的區(qū)域。由此可看出，海拔150 m以下區(qū)域的森林火災(zāi)的受災(zāi)程度更強(qiáng)。

4.2.2 坡向

根據(jù)最新《廣東省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查操作細(xì)則》，地面朝向分東、南、西、北、東北、東南、西北、西南、無坡向9個(gè)類別。坡向的不同對(duì)森林火災(zāi)火燒強(qiáng)度有重要影響，向陽坡的光照時(shí)間，積累的太陽輻射量多，易燃物也更多，火災(zāi)一旦發(fā)生，將更具破壞性。因此坡向?yàn)槟系膮^(qū)域火燒強(qiáng)度最強(qiáng)；坡向?yàn)闁|和東南次之。將坡向數(shù)據(jù)疊加按火燒強(qiáng)度區(qū)劃的數(shù)據(jù)分類計(jì)算權(quán)重，見表3。

表3 坡向于各火燒強(qiáng)度區(qū)域的權(quán)重表

從表3可看出，絕大部分火燒跡地集中在坡向?yàn)闁|和東南的區(qū)域坡向?yàn)闁|的區(qū)域。中重度或極重度火燒區(qū)面積約占50%，而坡向?yàn)闁|南的區(qū)域中中度火燒區(qū)面積50%，相比之下，坡向?yàn)闁|的區(qū)域更易遭受森林火災(zāi)破壞。當(dāng)?shù)卣w地勢(shì)東南高，西北低，東南向可燃物所積累的太陽輻射量較多，且當(dāng)日風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，受兩者共同影響，故過火區(qū)域主要集中在坡向?yàn)闁|和東南的區(qū)域，當(dāng)?shù)仄孪驗(yàn)闁|和東南區(qū)域遭受森林火災(zāi)破壞更嚴(yán)重。

4.2.3 坡度

根據(jù)最新《廣東省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查操作細(xì)則》，坡度分平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險(xiǎn)坡6個(gè)類別。坡度的變化對(duì)林火有重要的影響，隨著坡度的逐漸升高，地表徑流量加快，地表干燥速度加快，引起火險(xiǎn)的可能性越高[5]。將坡度數(shù)據(jù)疊加按火燒強(qiáng)度區(qū)劃的數(shù)據(jù)分類計(jì)算權(quán)重，見表4。

表4 坡度于各火燒強(qiáng)度區(qū)域的權(quán)重表

從表4中可以看出，該火燒跡地的過火區(qū)域主要集中在緩坡和急坡。因當(dāng)?shù)卮蟛糠譃榈颓鹆甑?，間以平緩的臺(tái)地，坡度較小，存在急坡和險(xiǎn)坡情況較少。

4.3 人為因素

本次火災(zāi)火源點(diǎn)位于居民區(qū)邊緣地帶和交通主干道附近，且與林木密集區(qū)域極為接近，人為活動(dòng)極其頻繁。長期以來，該火燒區(qū)域位于潛在的高火險(xiǎn)地帶。一旦出現(xiàn)野外火源或人為性點(diǎn)火的情況，火災(zāi)的發(fā)生將成為必然。

5 對(duì)當(dāng)?shù)厣只馂?zāi)防控的建議

5.1 落實(shí)森林防火工作部署

認(rèn)真落實(shí)市級(jí)、區(qū)級(jí)森林防火工作部署，切實(shí)推進(jìn)行政領(lǐng)導(dǎo)森林防火工作責(zé)任制實(shí)施。各級(jí)政府需不斷完善森林火災(zāi)防控運(yùn)行機(jī)制，提升森林火災(zāi)防控工作的指導(dǎo)能力。

5.2 加強(qiáng)森林防火宣傳工作

通過樹立宣傳牌、刷寫安全標(biāo)語和印發(fā)宣傳資料等途徑來增強(qiáng)群眾森林火災(zāi)防控的認(rèn)識(shí)和責(zé)任。

5.3 利用無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行實(shí)地巡檢

未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可利用無人機(jī)拍攝的照片或影像進(jìn)行森林火險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；若一旦出現(xiàn)火情，無人機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，為火災(zāi)的撲救工作提供及時(shí)有效的信息。

5.4 建立健全森林消防專業(yè)隊(duì)伍和森林防火組織機(jī)構(gòu)等

切實(shí)履行防火巡護(hù)、火源管理、防火設(shè)施建設(shè)和火情早期處理等工作職責(zé)，對(duì)林區(qū)進(jìn)行“全方位、全天候、全時(shí)段”監(jiān)測(cè)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情[6]。

5.5 在當(dāng)?shù)馗呋痣U(xiǎn)區(qū)域建設(shè)多個(gè)巡防站、瞭望塔等

森林火災(zāi)隱患排查不留死角，并制定森林火災(zāi)應(yīng)急方案，在林火未大范圍蔓延時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施撲救行動(dòng)[7-8]。

6 小結(jié)

隨著科技的不斷發(fā)展，利用無人機(jī)航拍技術(shù)可以快速獲取高清航拍影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再利用GIS平臺(tái)，按照火燒強(qiáng)度對(duì)火燒跡地的影像進(jìn)行判讀和區(qū)劃，為分析火燒跡地提供了便捷的途徑。氣象因子、地形因子以及人為因素3者共同影響森林火災(zāi)的破壞性，同時(shí)對(duì)林火蔓延速度起關(guān)鍵性作用。分析高火險(xiǎn)區(qū)域?qū)⒂兄谏只馂?zāi)及時(shí)防控和有效撲救。針對(duì)高火險(xiǎn)區(qū)域做出相應(yīng)戰(zhàn)略部署，也是森林防火工作的重中之重。