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1、 GIS基础上草原火遥感监测及火险评估1 绪论1.1 研究背景及研究意义乌珠穆沁草原是我国水热条件最好的草原，优良牧草丰富，植物生长繁茂，生产力高，是优良的放牧草场和割草场，是我国十大重要牧区之一，在我国温带草原中占有重要的地位。 草原火是草原生态系统重要的生态因子，其产生发展具有一定的规律。草原火具有自然属性、灾害属性和工具属性。草原火的发生必须具备可燃物、火源这两个条件。当草原中存在一定的可燃物，并且具备引起草原火的气候条件，当有火源产生时就能发生草原火，草原火未能及时扑灭，对草原生态系统和经济社会等造成损失便可称之为草原火灾。中国是世界上发生草原火灾次数多的国家，我国的4亿公顷草地中，容
2、易发生火灾的区域占 1/3，1/6 的地区频繁发生火灾。根据统计数据，草原火灾每年都会发生上百次，大部分发生在内蒙古东部地区。根据苏和，刘桂香等人1994 年以后的监测结果看，北纬 45 度以北、东经 110 度以东地区是内蒙古草原火灾多发区，其中，境外火频繁入境区域处于北纬4552度和东经115120度。内蒙古的草原火灾多发区主要分布在呼伦贝尔盟、锡林郭勒盟和兴安盟，其中火灾发生最频繁区域是锡盟的东乌珠穆沁旗、呼盟的陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗。从时间尺度上看，草原火灾频繁发生的时间段每年春天的 36 月份，草原火灾最严重的时期是 4 月份。从 1994 年的资料统计看，仅1994 年内蒙古地区
3、发生草原火60多次，其中3月份3次，4月份39 次，5 月份 21 次，而且损失巨大的 5 次草原火灾全部发生在 4 月份。另外，每年 11 月份到 12 月初也是火灾频繁发生期，但是 12 月中旬至来年的 2 月底由于降雪量增大，雪层覆盖住了枯枝落叶层，此时草原火灾发生的危险性很小。草原火灾导致草地资源大面积破坏，植被生态系统被严重破坏，植物物种的数量以及生物大量减少，甚至有些分布较窄的植物物种濒临灭绝。由于火灾发生区放牧场和打草场牧草被烧光，产量剧减，畜牧业生产受到直接影响。草原火灾还会造成草地地表裸露，这样不仅会加剧草地水土流失，而且会加快土壤水分的蒸发速度，直接导致沙尘暴的发生次数不断
4、增加，加快草原退化的速度。另外火灾常常引起房屋烧毁、牲畜死亡和人员伤亡。建国以来在草原火灾中，死伤1800人，其中烧死 400多人，还有一部分伤员成为终身残废，而且近十年来我国草原火灾的受灾面积是同期森林火灾的受灾面积的 10倍左右，足可以见草原火灾的危害之大。我国草原地区是一个生态环境脆弱区。以草本植物为主体的生物群与其生长的环境构成的统一体就叫草原生态系统，草原生态系统是开放性系统，也是各类生态系统中最为脆弱的，非常容易受到各种人为灾害的破坏和自然灾害的侵袭。我国的草原生态系统主体是东北-内蒙古的温带草原。锡林郭勒草原是内蒙古的温带草原的一个重要组成部分，本区草地类型多样、资源丰富，涵盖了
5、我国隐域性草原及地带性草原的多数类型，是研究北方草原的最典型地域，又是北方地区最重要的畜牧业生产基地和绿色生态屏障。每年的春季和秋季是锡林郭勒草原火灾频繁发生时期，尤其是春季，气候干燥，空气湿度低，气温持续升高，火险等级也相应的不断升高，防火形势十分严峻。1.2 草原火灾风险评估研究进展1.2.1 国外研究进展灾害评估，是当前国际防灾减灾管理工作中的先进模式，因此受到学术界和国内外灾害管理者的重视。灾害风险评估是灾害预警的基础工作，许多国内外专家进行了较深入的研究，取得一些有实践意义的理论模型。对于草原火灾的研究，到目前为止主要还是侧重于对草原火行为和草原火险研究 。以往草原火灾风险评估中，由
6、于资料的限制，草原火灾发生的概率主要用频率（历年草原火灾的发生次数）来代替。由于草原火灾是突发性小样本事件，草原火灾发生概率用对历史统计数据和草原火灾频率代替是很不科学的。国外，草原火灾分类研究的发展过程主要可分为三个阶段：第一阶段，在二十世纪六、七十年代，主要用于气象要素作为预报的指标因子。第二阶段，在20 世纪八、九十年代，地理信息系统和遥感技术的相结合应用，大大地推进了火灾危险指数的研究发展，开始了将多种因子引入评估研究阶段。第三阶段，从20 世纪九十年代以后，全球网络化和多种多样的数据源发展，使得火灾监测和火灾危险指数的计算变得十分的快捷。自上世纪九十年代以来，国外研究主要集中在草原火
7、灾火行为，火灾报警和草原火灾管理研究方面。其中，在火行为研究方面，Francielle de Silva Cardozo 等以GLOBCOVER、VCF、FRP、TRMM 等遥感影像为数据来源，分析了可燃植被生物量的燃烧分布，表明可燃物主要发生在常绿阔叶林和半落叶阔叶林区以及农用地的整理区。M.Val Martin,J.A.Logan 等利用 5 年的 NASA 卫星观测资料，分析了不同植物群落在燃烧中烟柱的高度，并评价了北美的气象条件和着火条件对烟柱高度的影响；在火管理方面，Christine Wiedinmyer 等人在气候变化和土地管理措施的改变可能导致野火发生密度和程度增大的背景下，利
8、用野火排放模型来估测在美国西部的干燥温带森林系统中应用野火规划时，碳排放的潜在减少量，对火行为管理提供了一定的依据。Winston S.W.Trollope 对比了现代火管理模式和原始的土著火管理模式，发现在两种模式中都认为火的使用对家畜和野生动物的植被管理很有效，并且，燃烧时草地的草皮对减少植被的负面影响起主要作用，而适当的范围管理是保持生态系统功能的另一个重要因素。加拿大森林火险等级系统（CFFDRS）是很多国家和地区采用系统模块或采纳研究思想的系统，目前，两个主要的子系统： CFFDRS加拿大森林火险天气指数（ FWI ）系统和加拿大的森林火灾行为预测（ FBP ）系统已运作多年。美国的
9、森林火险预报工作始于20 世纪初期，到2001年已形成了最新的森林火险预报系统，该系统以1km2的火险潜在指数图（Fire Potential Index，简称FPI）来定量化预报火险等级。虽然这些系统都比较完美，但由于可燃物的类型不同、存在地区差异和软硬件的条件不同等众多原因，不能将这些系统直接引用到本研究中。2 研究区概况与数据源2.1 研究区概况2.1.1 研究区自然概况东乌珠穆沁旗在大兴安岭西麓，处于锡林郭勒盟东北部（简称东乌旗） ，东边是兴安盟，通辽市，南面是锡林浩特市，西乌旗，西边接阿巴嘎旗，北与蒙古国南部接壤，地理位置介于北纬 44o 42 到 46o47’，东经 1
10、15o00’到 120o00’之间。旗境内有国际性一类陆路口岸珠恩嘎达布其口岸，距离旗政府所在地乌里雅斯太镇以北68公里处，是继满洲里、二连之后另一个连接欧亚大陆桥的桥头堡。东乌珠穆沁旗是色也勒钦郭勒、乌拉盖河发源地，旗境内能源丰富，风能，太阳能、水资源等充足；额吉淖尔盐湖是自治区三大盐湖之一；矿产资源有煤、石油、钨、锡、芒硝、金、银、铜、铁、锌等，全国储量第一的锡矿主要分布在东乌珠穆沁旗境内；全旗现辖2个苏木、5个镇，分别是：呼热图淖尔苏木，萨麦苏木、乌里雅斯太镇、额吉淖尔镇、道特淖尔镇、满都胡宝拉格镇、嘎达布其镇。有57个牧业嘎查，1个国营林场，土地面积 47554
11、 万平方公里，该旗天然草场面积可达到 6917 万多亩，可利用草场面积占天然草场面积的95%。2.1.2 研究区草原孕灾背景乌珠穆沁草原是我国水热条件最好的草原，生产力高，是优良的放牧草场和割草场，是我国十大重要牧区之一，在我国温带草原中占有重要的地位。乌珠穆沁草原地区同时也是锡林郭勒草原中火灾发生最频繁和境外火频繁入境区域。草原地区大风日数多，极端最大风速能达34米/秒，所以一旦起火大风助火势迅速蔓延，火情不断向外扩散。过火区域烧毁草场和房屋、烧死牲畜，甚至时有导致人员伤亡。草原火能够引发森林火灾，对于当地草原森林生态系统会造成严重破坏，有形损失和无形损失都是非常惨重的。单看锡林郭勒草原，刘
12、桂香、苏和等人的统计结果显示，自1953 年到1999年的43 年间(1967-1970 年没有数据)草原火灾发生一共 1603 起；1953-1959 年间 327 起、年平均 46.7 起；1960-1966 年间 558 起、年平均 79.7 起；1971-1979 年间 191 起、年平 21.2 起；1980-1989 年 313 起、年平均 31.3 起；1990-1999 年间 214 起、年平均21.4起；1953年到1999年平均每年火灾发生次数为 38起。锡林郭勒草原自 2000年以来共有 31次火灾发生，过火面积235148.9hm2 ，直接经济损失达 66453600
13、元。给畜牧业生产及当地的人民生命财产安全造成了巨大的损失。2.2 数据源本文中具体使用的数据包括如下：2.2.1 遥感数据本文采用了MCD45（MODIS Collection 5 Burned Area Product）过火迹地遥感产品。MCD45产品是MODIS陆地产品5系列中的一款，是专门为监测过火面积而生产的产品。此产品的空间分辨率为 500 米，以 Julian 日表示每个像元的燃烧信息，有HDF 和 Geotiff 两种格式，是以 Julian 日表示的逐日的全球过火迹地产品，栅格转矢量的数据可以从马里兰大学的火烧迹地产品网站上下载。随着火险评估技术和遥感技术的发展，利用全球或区域
14、尺度的火灾产品提取火灾信息，进行灾情监测管理已成为火灾灾害研究的主要手段之一。例如，国际地圈生物圈计划火灾工作组（International Geosphere-Biosphere Program- Fire Working Group， IGBP-FWG）利用 NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) 数据开发了1公里尺度全球火灾产品以便监测全球火灾事件发生的日变化。欧洲空间局（European Space Agency，ESA）研制了2000年全球火烧迹图GlobScar，欧洲委员会联合研究中心（Joint Research
15、 Centre，JRC）开展了全球火烧区项目GBA2000。到目前为止已经有了 L3JRC、GlobCarbon、MCD45 和 AQS 等火灾产品，其中 L3JRC 和GlobCarbon 是 GBA2000 和 GlobScar 的升级版，MCD45 和 AQS（Area QuemadaSu-damerica）是 MODIS 产品。Jesús Anaya 等通过对比这四种产品的准确性，发现在 1km的空间分辨率层次上L3JRC比较合适，但综合而言，最好的是MCD45，优于其它产品。Helen M.de Klerk 等指出 MCD45 数据有较低的错分误差和较高的用户精度。Roy 等分别验证MCD45、L3JRC和GlobCarbon产品发现MCD45 有较高的制图精度，使探测到小范围的地表火成为可能。本文采用了 MOD13A1-level3 16 Day Vegetation Indices 数据产品，空间分辨率为500米，下载地址：http:/ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html本文中使用的夜间灯光影像为火灾发生时间段的DMSP/OLS非辐射定标的夜间灯光强度影像，分别是北京时间2012年4 月7 日和2012 年4 月
