田小龍，江 洪,2*，周國模，余樹全，信曉穎

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點實驗室 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.南京大學(xué) 國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210093）

森林火災(zāi)不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，也嚴(yán)重破壞了人類生存的自然環(huán)境和生態(tài)平衡，甚至造成災(zāi)難性的損失[1]。森林火險影響因子有氣候、燃料類型、地形因子和人類活動等。森林火災(zāi)是在上述綜合因素作用下發(fā)生和發(fā)展的。林火是指林地上自由蔓延的火，包括受控的火與失控的火[2]。林火起火原因復(fù)雜多樣[3]，主要是由雷擊或由人為因素引起，按其火源分雷擊火和人為火。無論是雷擊火或人為火，林火燃料的類型和可燃性都是非常重要的成火條件和燃燒基礎(chǔ)。林火燃料可燃性是指林木活立木及其凋落物燃燒的可能性大小，并可以廣泛地指以該種樹木為主要優(yōu)勢樹種的林分的可燃性，包含其地面植被[4]。森林可燃物含水量或可燃物濕度，直接影響著火的難易程度、間接影響火強度、火勢、林火蔓延速率、有效輻射，是預(yù)測林火發(fā)生、林火行為、能量釋放、估計火險大小的主要指標(biāo)，是確定計劃火燒、實施營林用火的基本依據(jù)[5]。另外，燃料水分還有冷卻效應(yīng)，促進(jìn)煙的形成和減少熱量產(chǎn)生的作用，同時濕可燃物具有難以點燃、蔓延速度低等特點[6]。不同森林可燃物在不同時期、不同部位含水率都有一定的差異。一旦發(fā)生火災(zāi)，還可根據(jù)濕度預(yù)測火場大小等，計算應(yīng)投入的撲火力量，提高撲火組織的工作效率。所以，開展對可燃物濕度的研究，對提高林火發(fā)生和林火行為預(yù)報的準(zhǔn)確性具有重要意義。在林火預(yù)報系統(tǒng)中，歷來重視火燃料的可燃性分析。早期，在缺乏衛(wèi)星遙感資料時，就有科學(xué)家利用航片或森林調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計模型進(jìn)行燃料可燃性的時空動態(tài)分析。如加拿大的Wright于1928年利用空氣中相對濕度以及燃料的可燃性進(jìn)行火險預(yù)報；美國的Gisbome提出多因子預(yù)報方法；前蘇聯(lián)人聶斯切洛夫于1944年提出綜合指標(biāo)法；日本的昌山久尚20世紀(jì)40年代提出實效濕度法[7]。近半個世紀(jì)以來，美國、加拿大、澳大利亞、日本和中國等國家大量開展了林火燃料可燃性的試驗研究、模型模擬和遙感監(jiān)測的工作。

遙感可以提供潛在空間分布類型的信息以及燃料有關(guān)火災(zāi)風(fēng)險評估信息[8]，具體準(zhǔn)確地了解燃料的空間分布，幫助分析、建模和預(yù)測火行為[9]。特別是空間分辨率高、大尺度的燃料類型和燃料可燃性的遙感圖像可以大大提高火險預(yù)報精度和有效地采取措施控制火燃燒的行為。本文通過文獻(xiàn)綜述，分析了應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測林火燃料和可燃性的國內(nèi)外進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢。

1 林火燃料可燃性的特點

1.1 可燃物類型

森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是發(fā)生森林火災(zāi)的首要條件。森林可燃物特征取決于可燃物的燃燒性質(zhì)，是由可燃物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)來決定的。物理性質(zhì)有：可燃物的結(jié)構(gòu)、含水率、發(fā)熱量等；化學(xué)性質(zhì)有：油脂含量、可燃?xì)怏w含量、灰分含量等[10]?？扇嘉锓N類的劃分方法主要有：①按物種類別分，鄭煥能等將森林可燃物分為死地被物、地衣、苔蘚、草本植物、灌木、喬木、森林雜亂物等[11]，物種類別不同，燃燒性特點差異很大；②按生活力分，美國人Deeming將森林可燃物分為活可燃物和死可燃物兩大類，死可燃物根據(jù)含水率的恢復(fù)時間又分為1 h、10 h、100 h時滯的可燃物[12]；③按所處位置分，鄭煥能等將其分為地下、地表和空中可燃物，可燃物在森林中所處的位置不同。發(fā)生森林火災(zāi)的種類也不同。此外，還有按燃燒難易程度、按可燃物的大小和形狀分類的方法[13]?？扇嘉餄穸鹊挠嬎愎剑?/p>

式中，F(xiàn)MC為可燃物含水率（%），WH為可燃物的濕重（g），WD為可燃物干重（g）。

按照國家林業(yè)局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我國把可燃物類型劃分為十個等級（表1）。馬尾松純林火險等級最高，杉木、杉木馬尾松混交林和竹林等風(fēng)險次之，闊葉樹火險等級最低，而水域是林火重要制約因子。其中針葉林為易燃的林分，居民地次之，因此在林分管理中要把重點放在針葉林上。同時注意到純林相對混交林而言更易燃，所以在進(jìn)行人工林構(gòu)建時要更多的利用混交林。此外，林火的一個關(guān)鍵環(huán)境影響因子是林分的密度。已經(jīng)有實驗證明林分密度對林火的蔓延有一定的影響[14]。如果這種林分的密度比較大，則林火可能蔓延；相反如果林分密度較小，則林火很可能會熄滅。

1.2 影響可燃物燃燒的環(huán)境因子

因為林火與氣候的相關(guān)性，所以林火被認(rèn)為是容易受氣候影響的[15]。特別是可燃物的可燃性，比較容易受到風(fēng)、溫度和降水等氣候條件的影響。而且，可燃物燃燒的環(huán)境因子之間既是相互聯(lián)系的又是相互制約的，例如：風(fēng)速會影響林火燃料的含水率，風(fēng)速增大含水率就會降低；溫度升高也會使含水率降低；降水越多林火燃料的含水率就會越大，從而降低燃料的可燃性等。

風(fēng)對森林火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展起兩個作用。一是使未燃燒的林火燃料蒸發(fā)變干；二是林火燃料燃燒后，通過風(fēng)帶來新鮮氧氣，使火燃燒的更旺。所以大風(fēng)天氣多，火災(zāi)次數(shù)也多。風(fēng)又是林火蔓延的重要因子，風(fēng)速越大，火燒面積也越大[16]。

降水量大小直接影響林區(qū)的相對濕度，林火燃料相對濕度越高，著火率越低；相對濕度越低，著火率越高。如果一個地區(qū)的年降水量超過1 500 mm，或月降水量超過100 mm，一般不發(fā)生或少發(fā)生森林火災(zāi)[17]。

林火發(fā)生最多的時間，多半是白天氣溫出現(xiàn)最高的時段。因為氣溫升高加速可燃物自身溫度升高、含水量變小，易接近燃點。影響溫度的主要有以下幾個方面：①海拔高度，隨著海拔的增高，降水量增加，溫度降低，林火燃料濕度增大，林火發(fā)生的可能性減?。虎谄露?，坡度對林火發(fā)生和蔓延的影響基本呈中間高兩邊低的二次分布，隨著坡度增大，地表徑流加快，地面上的林火燃料容易干燥，火險程度也較高，但當(dāng)坡度達(dá)到急坡以上，林火不易蔓延；③坡向，坡向直接影響地面接收太陽輻射的多寡，造成在不同坡向上的溫度差異，南坡接受太陽輻射多，其地面溫度比北坡高，空氣更干燥，林火燃料亦干燥，更容易造成森林火災(zāi)。

表1 可燃物類型Table1 Forest fuel types

1.3 燃料的含水率

相對濕度越大，可燃物含水率也隨之增大。通常相對濕度在75%以上則不易發(fā)生森林火災(zāi)；75% ～ 55%可能發(fā)生火災(zāi)；55%以下容易發(fā)生火災(zāi)；30%以下可能發(fā)生特大火災(zāi)。此外還有連旱日數(shù)長短、云量多少等都能影響森林火災(zāi)的發(fā)生。縱觀各國研究現(xiàn)狀，特別是美、加兩國出發(fā)點都是研究林火燃料含水率。不同森林林火燃料在不同時期、不同部位含水率都有一定的差異[18]?；馂?zāi)的發(fā)生與林火燃料的含水率密切相關(guān)，所以森林燃料含水率一直作為林火預(yù)警的一個關(guān)鍵參數(shù)為研究人員所關(guān)注[19]。此外，鮮活可燃物的濕度在判斷火災(zāi)發(fā)生時的作用較小，但是其含水量的大小直接影響到林火的蔓延速度，是林火蔓延模型中的關(guān)鍵參數(shù)[20]。森林地表的死可燃物通常比鮮活的可燃物更為干燥，也更易著火，是監(jiān)測潛在森林火災(zāi)的重要指標(biāo)。

2 遙感技術(shù)在監(jiān)測林火燃料可燃性上的應(yīng)用和特點

在現(xiàn)代森林資源調(diào)查中遙感圖像是空間數(shù)據(jù)源，它包括森林全貌和森林分布狀況等各種信息，如樹種組成、樹高、樹冠覆蓋率和材積等指標(biāo)。通過對圖像的增強處理、特征提取、模式識別等，使遙感圖像再現(xiàn)整體森林的空間分布。與航空遙感相比，航天遙感能夠進(jìn)行連續(xù)的、全天候的工作，提供更大范圍的數(shù)據(jù)，其成本更低，是獲取遙感數(shù)據(jù)的主要方式；而航空遙感主要應(yīng)用于臨時性的、緊急的觀測任務(wù)以獲得高精度數(shù)據(jù)。目前，世界上許多國家都已經(jīng)發(fā)射了服務(wù)于不同目的的各種遙感衛(wèi)星，其遙感器的空間分辨率和光譜分辨率也都各異，形成了從粗到細(xì)的對地觀測數(shù)據(jù)源系列，可以用于監(jiān)測從土地利用、農(nóng)作物生長、植被覆蓋到洪水、森林火災(zāi)、污染等現(xiàn)象的信息以及其動態(tài)變化。目前用于研究森林植被類型狀況、實現(xiàn)森林資源專題信息提取可利用的遙感數(shù)據(jù)資源較多，如美國的陸地資源衛(wèi)星的LandsatTM影像、法國的SPOT影像、中巴資源衛(wèi)星的CERBS影像、以及高分辨率遙感影像如IKONOS遙感影像等。根據(jù)研究的需要，首先需對遙感影像進(jìn)行幾何精校正、影像的直方圖匹配、研究區(qū)域的裁剪以及對數(shù)字圖像進(jìn)行粗略的大氣校正等。衛(wèi)星遙感獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理并輸出的衛(wèi)星影像圖所包含的地面信息視域范圍大，并能使一景圖像成像時間基本保持一致，對森林資源的宏觀、動態(tài)監(jiān)測及其綜合分析等方面發(fā)揮著其他技術(shù)不可替代的作用。

遙感在許多林火方面的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，包括燃料和植被類別分類、火災(zāi)探測等方面[21～22]。特別是近年來，國內(nèi)外利用衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行火點監(jiān)測應(yīng)用十分普遍，在森林火災(zāi)中顯示出它千里眼的作用[23]。從遙感圖像上可以及時發(fā)現(xiàn)林火，迅速通報森林防火部門采取滅火措施，把森林火災(zāi)造成的損失降低到最小程度[24]。另外，由于地形、植被和氣象因素的差異會導(dǎo)致森林火災(zāi)中林地火燒強度的不同, 因此利用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)取得的數(shù)據(jù)來反映火燒程度的差別，用衛(wèi)星數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，并可得到Landsat映像圖。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)并結(jié)合部分地面調(diào)查用于監(jiān)測林火燃料可燃性的工作已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。

應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測林火燃料的可燃性的研究，美國和加拿大是開展研究最早，取得研究成果最多的國家[25]。1972年美國研制出國家級森林火險預(yù)報系統(tǒng)，并在全國得到應(yīng)用，1978年對該系統(tǒng)進(jìn)行修改，使其更完善。該系統(tǒng)是集火險預(yù)報、林火發(fā)生預(yù)報、林火行為預(yù)報于一體的綜合性系統(tǒng)，代表世界林火預(yù)報的前沿，在該系統(tǒng)中，越來越重視將衛(wèi)星遙感的數(shù)據(jù)用來反演火燃料的可燃燒性。同年，加拿大提出“加拿大森林火災(zāi)天氣指標(biāo)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)每天只需測定氣溫、相對濕度、風(fēng)速和降雨量就可進(jìn)行3天預(yù)報[26]。此外，歐洲林火信息預(yù)報系統(tǒng)（EFFRFS）使用不同的火險指數(shù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行長期和短期的火險預(yù)測預(yù)報，目前它所涵蓋的范圍包括了地中海的幾個國家以及德國、芬蘭、澳大利亞、塞浦路斯、保加利亞、羅馬尼亞等國[27]。歐洲林火信息系統(tǒng)EFFI動正朝著成為動態(tài)體現(xiàn)林火信息的系統(tǒng)方向發(fā)展，它是一個網(wǎng)絡(luò)界面系統(tǒng)，用戶可以在其中搜索到感興趣的歐洲區(qū)域任何一個地方的信息。

我國利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測林火燃料預(yù)報研究起步較遲，福建省氣象科學(xué)研究所于1991年引進(jìn)NOAA極軌氣象衛(wèi)星資料接收處理系統(tǒng)，2000年引進(jìn)新一代NOAA/FY極軌氣象衛(wèi)星資料接收處理系統(tǒng)，2004年2月，由福建省政府投資建設(shè)的EOS衛(wèi)星資料接收處理系統(tǒng)在福建省氣緣科學(xué)研究所投入業(yè)務(wù)使用[28]。此外，林火與氣象因子的相關(guān)關(guān)系以及森林火險天氣預(yù)測預(yù)報的研究也是林火研究的重點。據(jù)楊美和、高穎儀等利用長白山地區(qū)近30年的氣象與林火研究資料表明，最高氣溫和降水量是誘發(fā)林火發(fā)生的主導(dǎo)因素；袁建新認(rèn)為，在影響林火發(fā)生的眾多氣象因子中，相對濕度和林火燃料濕度是林火發(fā)生最關(guān)鍵的因素，濕度大小，不僅影響林火燃料的干濕程度，而且隨著濕度的減小，林火燃料的干燥速度不斷加快[29]；王貴芝、龐旺才等也認(rèn)為空氣濕度對森林火險的直接作用和間接作用都是明顯的；李鐘活、薛文彪等認(rèn)為，降水直接影響林下林火燃料的濕度變化，如果經(jīng)常下雨且雨量大，林下的枯枝落葉、地被物和雜灌等含水量高，林內(nèi)相對濕度增加，不易發(fā)生森林火災(zāi)，而在干旱少雨的春季就容易發(fā)生森林火災(zāi)[30]。

總之，衛(wèi)星遙感技術(shù)在林業(yè)上監(jiān)測林火燃料可燃性的應(yīng)用，具有其優(yōu)越性，不僅減少了調(diào)查人員的數(shù)量，降低了勞動強度和調(diào)查成本，提高了經(jīng)濟效益，而且還能與抽樣技術(shù)相結(jié)合，提高調(diào)查精度和調(diào)查成果的質(zhì)量，極大地推動了資源清查的進(jìn)步。

3 討論與展望

由于地形、氣候、森林結(jié)構(gòu)以及林木自身生理過程都會對森林林火燃料濕度產(chǎn)生影響[31]，影響森林火災(zāi)發(fā)生的因素眾多，機制復(fù)雜，因素之間相互交織，因果之間呈非線性關(guān)系，因此，用一般的統(tǒng)計方法建立的預(yù)測模型，常常不能有效地預(yù)測森林火災(zāi)的發(fā)生情況，常規(guī)的統(tǒng)計方法還存在覆蓋面積小、工作量大和監(jiān)測主觀性等缺點[32]。隨著時間的推移，利用遙感影像對燃料可燃性的監(jiān)測會使森林火災(zāi)發(fā)生的燃料因素有一定的變化，隨著預(yù)測次數(shù)的增加預(yù)測結(jié)果有可能失真，因此需要不斷補充新的資料[33]。建議將氣候參數(shù)、植被以及林分燃料結(jié)構(gòu)等加入到模型當(dāng)中，提供一個較完整的林火動態(tài)模型來監(jiān)測燃料的可燃性。充分利用森林火災(zāi)發(fā)生的已有信息，結(jié)合遙感影像和可燃性林火燃料信息，再利用常規(guī)的地面調(diào)查來補充對于一些通過插值得到氣象數(shù)據(jù)帶來的額外誤差。

遙感技術(shù)可以支持不同階段的森林火災(zāi)管理以及防火、火災(zāi)行為的預(yù)測[34]。配合燃料的空間分布狀況作為基地觀察的遙感方法可以減輕火災(zāi)的破壞程度[35]。但是，要真正了解火行為，特別是從表面到潛在的火行為，就需要了解燃料的詳細(xì)資料[36]。燃料種類，往往指的是燃料（立木）的絕對高度和垂直結(jié)構(gòu)[37]。掌握詳細(xì)的測繪燃料類型及其信息（垂直結(jié)構(gòu)和表面特征），將有利于森林火災(zāi)的管理。因此，深入研究如何利用遙感監(jiān)測林火燃料可燃性的方法就顯得尤為重要。美國和加拿大是開展應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測林火燃料的可燃性最早，取得研究成果最多的國家[38]。我國科學(xué)家在此方面也開展了深入的研究，取得了很多研究成果，但相比于美國和加拿大還存在很大差距，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測林火燃料可燃性的研究與林火研究在實際工作中具有重大的意義，其研究成果是國家及地方制定長期林火管理戰(zhàn)略的依據(jù)[39～40]，因此在當(dāng)前氣候災(zāi)害頻發(fā)的大背景下，我國應(yīng)加大此方面的研究力度，更深入地探索衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)控林火燃料可燃性的研究，爭取取得更多的研究成果。

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