基于遙感技術(shù)的新疆巴州火點(diǎn)的特征及其成因分析

摘 要：通過(guò)對(duì)遙感影像解譯和數(shù)據(jù)分析，獲得了巴音郭楞蒙古自治州（以下簡(jiǎn)稱巴州）近10年火點(diǎn)的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)，月際變化3月份火險(xiǎn)頻次最多，12月份最少；季節(jié)變化春季最多，冬季最少，年際變化整體呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)，遞減99次/a左右，在2015年有一個(gè)突變點(diǎn)，且通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)；地域變化上和靜縣境內(nèi)發(fā)生火險(xiǎn)頻次最多，若羌最少；區(qū)域變化上北部最多，南部最少，中部位于其次，歷年著火面積亦呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：巴州；遙感；火點(diǎn)；特征；成因

中圖分類號(hào)：X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

近年來(lái)，森林草原火災(zāi)頻發(fā)，令人擔(dān)憂?；馂?zāi)不僅會(huì)破壞自然生態(tài)，還會(huì)危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，掌握當(dāng)?shù)鼗痣U(xiǎn)時(shí)空分布及火險(xiǎn)類型，建立火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)提前預(yù)警，預(yù)防火災(zāi)事故，顯得尤為重要[1-2]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)、氣候變化等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是在火點(diǎn)監(jiān)測(cè)方面[3-5]。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、大范圍等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于火點(diǎn)時(shí)空分布特征的分析具有重要意義[6-7]。巴州是中國(guó)西部重要的生態(tài)屏障，為典型的山地風(fēng)景區(qū)，森林草原較多，屬火災(zāi)高發(fā)區(qū)。本文以該地區(qū)為研究對(duì)象，利用遙感技術(shù)對(duì)火點(diǎn)時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，以期為該地區(qū)的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

1 巴州下墊面植被的分布概況

巴州位于新疆維吾爾自治區(qū)東南部，東鄰甘肅、青海，南倚昆侖山與西藏相接，西連新疆和田、阿克蘇地區(qū)，北以天山為界與伊犁、昌吉、烏魯木齊、吐魯番等地州市相連。該州總面積4 715萬(wàn) hm2，占新疆總面積的1/4，是我國(guó)面積最大的地級(jí)行政區(qū)，被譽(yù)為“華夏第一州”。巴州下轄?zhēng)鞝柪帐?、輪臺(tái)縣、尉犁縣、若羌縣、且末縣、焉耆縣、和靜縣、和碩縣、博湖縣共八縣一市，州府設(shè)在庫(kù)爾勒市。受氣候和地理環(huán)境的影響，巴州境內(nèi)主要有以下4種植被：（1）沙漠植被，分布在塔里木盆地邊緣和沙漠地區(qū)，由于水分蒸發(fā)較快，植被分布較少，主要是一些耐旱的植物；（2）草原植被，分布較廣，南北部山區(qū)及平原地帶均有；（3）山地植被，分布在天山山脈和昆侖山脈地區(qū)；（4）濕地植被，分布在一些河流、湖泊和沼澤地區(qū)?？偟膩?lái)說(shuō)，巴州的植被分布呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，主要受到氣候、地理環(huán)境和人類活動(dòng)的影響，且全州的林地、草地和耕地主要分布在南北部山區(qū)及沿塔里木河兩岸中下游地區(qū)。

2 火情遙感監(jiān)測(cè)原理

2.1 火點(diǎn)的判識(shí)

火點(diǎn)屬于高溫目標(biāo)，其遙感影像特征識(shí)別建立在普朗克定律、維恩位移定律、斯特藩-玻爾茲曼定律基礎(chǔ)之上[8]。但他們都只是對(duì)于絕對(duì)黑體才是正確的。本文所研究的高溫目標(biāo)是基于理想化模型所開(kāi)展的。

維恩位移定律表述如下：

λmax×T=2897.8 μm×K

從上式可知，黑體輻射能力最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmax與其絕對(duì)溫度T呈反比，物體的溫度越高所對(duì)應(yīng)的輻射波長(zhǎng)就越短。一般情況下，紅外波段的通道適用于火情監(jiān)測(cè)，紅外通道探測(cè)到的是物體的輻射強(qiáng)度，由斯特藩-玻爾茲曼定律：E=σ×T4可知，其中σ=5.6704×10-8 W·m-2·K-4，物體的輻射能力E與其絕對(duì)溫度T的4次方呈正比。物體的溫度越高輻射能力就越強(qiáng)，反之亦然。反映在衛(wèi)星圖像上是溫度越高顏色越深。

2.2 過(guò)火面積的估算

林草地火災(zāi)發(fā)生后，下墊面光譜特征與火災(zāi)發(fā)生前相比會(huì)發(fā)生明顯的變化，由于地物部分或者全部被火燒毀，地物顏色將變深變暗，從而導(dǎo)致在可見(jiàn)光波段的光譜反射率明顯下降。經(jīng)過(guò)分析，采用森林火災(zāi)前后歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的變化來(lái)建立過(guò)火面積估算模型，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定面積估算的量化判識(shí)指標(biāo)，繼而對(duì)比火災(zāi)前后的植被覆蓋狀況，估計(jì)其過(guò)火面積[9]。

歸一化植被指數(shù)NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）。NIR和R代表近紅外與紅光波段的反射率。針對(duì)MODIS影像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，NDVI=（Band2-Band1）/（Band2+Band1），通過(guò)波段運(yùn)算即可得出。

3 數(shù)據(jù)和方法

為了確保資料的完整性和時(shí)間序列的代表性，剔除無(wú)效的數(shù)據(jù)和時(shí)間，通過(guò)對(duì)遙感影像解譯和數(shù)據(jù)分析，最后獲得數(shù)據(jù)序列和衛(wèi)星遙感火點(diǎn)資料為2013年1月1日至2022年12月31日，共計(jì)10年的完整歷史數(shù)據(jù)序列。

先對(duì)歷史火點(diǎn)資料按八縣一市、年、月際進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)各地區(qū)發(fā)生火點(diǎn)的歷史狀況，并進(jìn)行一元線性回歸擬合，分析其變化趨勢(shì)和特征；按林地、草地、耕地和其他等4種著火類型進(jìn)行歸類，然后對(duì)其進(jìn)行變化趨勢(shì)分析和時(shí)空特征分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 時(shí)間分布特征

為了分析巴州地區(qū)八縣一市近10年每月的火險(xiǎn)發(fā)生頻次特征，把數(shù)據(jù)按年、月進(jìn)行歸類并整理。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，每年的3月份火險(xiǎn)發(fā)生頻次最高，為1 982次，占全年的19.0%，12月份發(fā)生頻次最低，為112次，占全年的1.1%。從季節(jié)變化來(lái)看，春季最高，為3 872次，占全年的37.2%，秋季次之，為2 971次，占全年的28.5%，冬季最低，為814次，占全年的7.8%。

從圖2可以看到，全州火險(xiǎn)頻次在2013—2022年整體呈現(xiàn)波動(dòng)減少的趨勢(shì)，2013年火險(xiǎn)頻次最大，為1 675次，2016年火險(xiǎn)頻次最小，為661次。前3年（2013—2015年）處于火險(xiǎn)頻次高發(fā)期，均超過(guò)1 000次，年均達(dá)到1 544次，中期3年（2016—2018年）處于火險(xiǎn)頻次低發(fā)期，年均次數(shù)為791次，均在1 000次以下，后期4年（2019—2022年）亦處于火險(xiǎn)頻次低發(fā)期，年均851次，僅2019年火險(xiǎn)頻次為1 070次，其余年份亦在1 000次以下。從線性變化趨勢(shì)來(lái)看，火險(xiǎn)頻次呈現(xiàn)整體減少的趨勢(shì)，大致每年遞減99次左右。

采用M-K（Mann-Kandell）趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)法對(duì)2013—2022年火險(xiǎn)頻次進(jìn)行分析[10]，發(fā)現(xiàn)巴州火點(diǎn)在2015年有一個(gè)突變點(diǎn)，且該突變點(diǎn)在UF和UB之間，說(shuō)明該突變點(diǎn)通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

通過(guò)以上分析，從時(shí)間上來(lái)看，火點(diǎn)主要集中在春季和秋季，夏季次之，冬季最少，這與該地區(qū)的氣候條件和植被覆蓋有關(guān)。

4.2 空間分布特征

按照八縣一市區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)縣、市內(nèi)近10年發(fā)生的火險(xiǎn)頻次及其占總火險(xiǎn)頻次的比例可以得出，和靜縣內(nèi)發(fā)生的火險(xiǎn)頻次最多，占比達(dá)到28%，其次是博湖縣占比達(dá)到20%，再次是庫(kù)爾勒市占比17%。3個(gè)縣市的火險(xiǎn)頻次占比總和達(dá)到65%，火險(xiǎn)頻次最少的是若羌縣，僅有2%。從地域范圍來(lái)看，北部區(qū)域即焉耆盆地占比57%為最多，中間區(qū)域即庫(kù)尉輪一帶占比為33%，位列其次，南部區(qū)域占比10%為最少。

根據(jù)火點(diǎn)發(fā)生地下墊面的屬性進(jìn)行分類[11]，因巴州地區(qū)植被類型相對(duì)單一，為了便于統(tǒng)計(jì)，將下墊面屬性按照草地、林地、耕地和其他（荒漠、戈壁、工礦地、山地等）類型進(jìn)行歸類，火險(xiǎn)發(fā)生頻次最高的是草地，達(dá)到96%，其次是林地，達(dá)到3%，草地和林地發(fā)生的火險(xiǎn)頻次占比達(dá)到99%，幾乎囊括了所有火險(xiǎn)；耕地和其他類型的火點(diǎn)發(fā)生頻次僅占總火險(xiǎn)頻次的1%。這與巴州地區(qū)的土地利用類型和人類活動(dòng)有關(guān)。其中，南部山區(qū)的火點(diǎn)主要由自然因素引起，如雷擊和野生動(dòng)物活動(dòng)，北部和中部地區(qū)草原地帶的火點(diǎn)則主要由人類活動(dòng)引起，如放牧和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等。

根據(jù)衛(wèi)星遙感著火面積的算法，對(duì)巴州地區(qū)2013—2022年近10年的著火面積進(jìn)行了計(jì)算，并按年做了歸類整理，從中可以得出，前3年（2013—2015年）的著火面積占據(jù)總面積的53%，2014年的著火面積最大達(dá)到23%，后面連續(xù)7年的時(shí)間著火面積均在10%以下，最小年份2016年僅為5%。整體來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)明顯減少的趨勢(shì)。

5 成因分析

眾所周知，火災(zāi)的發(fā)生一是人為造成的，二是自然造成的。人為因素包括煙頭、篝火、野外明火取暖等，自然因素包括雷電、火山噴發(fā)、物質(zhì)的自燃等。了解火災(zāi)的成因?qū)τ陬A(yù)防和減少火災(zāi)的發(fā)生具有重要意義[12]。

在統(tǒng)計(jì)火點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)火點(diǎn)都有經(jīng)緯度信息，把這些點(diǎn)用ArcGIS軟件疊加到巴州地區(qū)行政區(qū)域上，得到圖3。可以看出，巴州的火點(diǎn)主要分布在焉耆盆地及庫(kù)尉輪一帶，塔里木河流域附近，南部主要分布在車(chē)爾臣河流域。這些地點(diǎn)相對(duì)而言林地、草地和耕地植被覆蓋面積較大，人類活動(dòng)較為集中。在塔克拉瑪干沙漠腹地有個(gè)集中火點(diǎn)，是塔中石油作業(yè)區(qū)，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的火點(diǎn)主要是人為因素造成的。人類把不用的廢氣或有害氣體點(diǎn)燃排放到空氣中，造成此處的像元溫度異常偏高而被看作是火點(diǎn)。南、北部山區(qū)的火點(diǎn)較少且分散，這里雖然植被覆蓋面積較大，但因人類活動(dòng)較少或常年積雪覆蓋，火災(zāi)發(fā)生頻次相對(duì)較低。

6 結(jié)論

利用遙感技術(shù)對(duì)新疆巴州地區(qū)2013年1月1日至2022年12月31日近10年火點(diǎn)的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，獲得了較為準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的火點(diǎn)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)主要有以下結(jié)論：

（1）從月際變化來(lái)看，火點(diǎn)主要集中在每年的3月份，占比達(dá)到了19.0%，每年的12月份最少，僅占1.1%；從季節(jié)變化來(lái)看，春季發(fā)生火險(xiǎn)頻次最高，占全年的37.2%，冬季最低，占全年的7.8%；從年際變化來(lái)看，全州火險(xiǎn)頻次整體呈現(xiàn)波動(dòng)減少的趨勢(shì)，2013年火險(xiǎn)頻次最大，2016年火險(xiǎn)頻次最小，大致每年遞減99次左右。前3年處于火險(xiǎn)頻次高發(fā)期，中期3年和后期4年時(shí)間處于火險(xiǎn)頻次低發(fā)期。

（2）從地區(qū)來(lái)看，全州八縣一市和靜縣發(fā)生火險(xiǎn)頻次最高，占比28%，若羌最少，占比僅為2%；從地域范圍來(lái)看，北部區(qū)域即焉耆盆地占比最大，為57%，中間區(qū)域即庫(kù)尉輪一帶占比為33%，位列其次，南部區(qū)域占比最少，為10%。

（3）從火點(diǎn)的下墊面屬性來(lái)看，草地發(fā)生火險(xiǎn)的頻次最高，達(dá)到96%，林地發(fā)生火險(xiǎn)的頻次位列其次，為3%，兩者占比99%，幾乎囊括了所有火險(xiǎn)；耕地和其他類型占比僅為1%。

（4）從著火面積來(lái)看，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，前三年著火面積達(dá)到總面積的53%，2014年著火面積最大為23%，2016年著火面積最小為5%。

（5）近10年巴州地區(qū)著火面積和頻次均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

未來(lái)，可以進(jìn)一步拓展遙感技術(shù)在火點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，如利用高分辨率影像和高精度算法提高火點(diǎn)識(shí)別精度，或結(jié)合其他數(shù)據(jù)源進(jìn)行綜合分析等。此外，針對(duì)巴州地區(qū)獨(dú)特的自然環(huán)境和人類活動(dòng)特點(diǎn)，可以開(kāi)展更加深入的研究，例如，探討氣候變化對(duì)該地區(qū)火點(diǎn)的影響、火點(diǎn)與人類活動(dòng)的相互關(guān)系等。

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基金項(xiàng)目：新疆巴音郭楞蒙古自治州科技局2021年開(kāi)放基金項(xiàng)目“基于遙感技術(shù)構(gòu)建巴州森林草原火險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的研究”（202115）。

作者簡(jiǎn)介：趙戰(zhàn)成（1979—），男，河南民權(quán)人，副研級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闅夂蝾A(yù)測(cè)及遙感應(yīng)用。#通信作者：武鵬飛（1977—），男，山東沂水人，副研級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感及氣候變化，E-mail：wpf7848@sina.com。