孫術(shù)發(fā)，周康康，謝明江，宋井富，張春野，儲(chǔ)江偉，安立華，于 淼，梅玉生，孫 龍

（1.東北林業(yè)大學(xué) a.工程技術(shù)學(xué)院；b.交通學(xué)院；c.林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林管護(hù)局，內(nèi)蒙 古根河 022363）

森林火災(zāi)一直是威脅林業(yè)資源的主要危害之一，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。2017—2019年，我國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)8 046 次，其中特別重大火災(zāi)6 次，受害森林面積共54 316 hm2。發(fā)生在2019年和2020年四川省涼山州的森林火災(zāi)共造成50 名消防人員遇難，更是引起了全國(guó)關(guān)注[1]。因此，林火預(yù)防和撲救是當(dāng)前林火研究中重要工作。

林區(qū)公路網(wǎng)是指在一定林業(yè)區(qū)域內(nèi)由各類公路交織互通形成的網(wǎng)絡(luò)體系。研究發(fā)現(xiàn)，公路網(wǎng)密度低是影響應(yīng)急資源有效調(diào)配的主要原因[2]。所以增高公路網(wǎng)密度可以提高救援效率，使救援人員和物資及時(shí)到達(dá)火場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”，減輕森林資源損失，保護(hù)滅火人員安全[3]。從對(duì)環(huán)境影響的角度，侯景亮[4]研究了林區(qū)公路的建設(shè)可能會(huì)造成水土流失，對(duì)森林生物、水文等生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。曹武等[5]研究了林區(qū)公路線路選擇是林區(qū)公路建設(shè)中的重要一環(huán)，路線方案選擇的合理與否,直接影響其環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能。在對(duì)火災(zāi)進(jìn)行撲救時(shí)，任亞平[6]根據(jù)森林火災(zāi)的實(shí)際情況，引入著火點(diǎn)撲救優(yōu)先級(jí)，并運(yùn)用混合啟發(fā)算法對(duì)模型進(jìn)行求解，同時(shí)提出了合理的車輛調(diào)度方案。楊振中等[7]對(duì)林火蔓延趨勢(shì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)受災(zāi)點(diǎn)災(zāi)情程度，確定應(yīng)急資源的優(yōu)先度。從火災(zāi)預(yù)防角度，謝陽(yáng)生等[8]根據(jù)地形地貌、森林資源分布、火災(zāi)發(fā)生規(guī)律提出了一種規(guī)劃森林防火航空的巡護(hù)路徑。

目前關(guān)于林區(qū)火災(zāi)預(yù)警與防控技術(shù)的研究主要包括火災(zāi)對(duì)環(huán)境的影響、火災(zāi)防控以及高效率的滅火方法等方面。然而，通過(guò)林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來(lái)影響森林火災(zāi)的研究較少。本研究正是通過(guò)對(duì)林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的規(guī)劃，使應(yīng)急物資及時(shí)抵達(dá)火災(zāi)點(diǎn)，進(jìn)而提高火災(zāi)的撲救效率，降低火災(zāi)對(duì)森林資源的影響。

1 北三局原始林區(qū)公路網(wǎng)現(xiàn)狀及分析

1.1 北三局原始林區(qū)火災(zāi)概況

大興安嶺北部原始林區(qū)森林管護(hù)局所轄奇乾、烏瑪、永安山3 個(gè)未開(kāi)發(fā)林業(yè)局（簡(jiǎn)稱北三局），是中國(guó)最大面積的連片原始森林。北三局東西寬約120 km，南北長(zhǎng)約140 km，總活立木蓄積1.332×108m3，森林覆蓋率高達(dá)95.6%[9]，是歐亞針葉林區(qū)的東西伯利亞泰加林區(qū)向南延伸到我國(guó)境內(nèi)的一部分，保留了原始森林景觀和原生性動(dòng)物、植物資源，具有重要的生態(tài)和科考價(jià)值，是我國(guó)乃至世界不可或缺的林業(yè)基地[10]。森林火災(zāi)同樣是威脅這片森林資源的主要危險(xiǎn)[11]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，近5年來(lái)，北三局林區(qū)共發(fā)生森林火災(zāi)69 次，其中重大森林火災(zāi)7 次，特別重大火災(zāi)9 次，森林過(guò)火面積約為7 241 hm2，共投入兵力15 450 人，造成了巨大的人力物力損失，也對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。本研究從森林火災(zāi)應(yīng)急物流角度進(jìn)行研究，對(duì)北三局現(xiàn)有公路、河流、用火點(diǎn)（用來(lái)儲(chǔ)備、調(diào)度應(yīng)急滅火資源的地點(diǎn)）等現(xiàn)狀進(jìn)行分析，采用聚類及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法對(duì)現(xiàn)有資源配置進(jìn)行規(guī)劃，分析火災(zāi)發(fā)生地規(guī)律，提出公路網(wǎng)規(guī)劃方案及評(píng)價(jià)方法[12]。研究成果可為森林火災(zāi)預(yù)防和撲救提供應(yīng)急理論支持，并在林業(yè)防火公路網(wǎng)規(guī)劃方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1.2 北三局原始林區(qū)公路網(wǎng)現(xiàn)狀

大興安嶺北部原始林區(qū)受氣候、林區(qū)自然條件客觀因素限制，雷擊火居多，防火期周期長(zhǎng)。主要原因是該地區(qū)是干雷暴天氣最嚴(yán)重的地區(qū)，并且與俄羅斯接壤，過(guò)境火頻繁[13-14]。該地區(qū)林火預(yù)警和撲救難度較大，分析原因發(fā)現(xiàn)主要存在以下問(wèn)題：

1）公路網(wǎng)密度低。高德志[15]曾指出內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)路網(wǎng)面臨著密度低、防御自然災(zāi)害能力差等問(wèn)題。該原始林區(qū)的公路有效路段里程約為796 km，林區(qū)總面積為9.477×105hm2，公路網(wǎng)的密度約為0.84 m/hm2，遠(yuǎn)小于目前國(guó)有林區(qū)路網(wǎng)的平均密度1.8 m/hm2，《全國(guó)森林防火規(guī)劃（2016—2025）》提出力爭(zhēng)2025年國(guó)有林區(qū)的路網(wǎng)密度達(dá)到3.1 m/hm2，可見(jiàn)該地區(qū)公路網(wǎng)密度亟待提高[16]。

2）公路距離火災(zāi)點(diǎn)較遠(yuǎn)。公路距離火災(zāi)點(diǎn)較遠(yuǎn)嚴(yán)重影響了火災(zāi)的撲救效率，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)撲火的最佳時(shí)機(jī)，加劇了火勢(shì)的蔓延[17]。該地區(qū)公路到火災(zāi)點(diǎn)的直線最短距離為7.8 km。因此，合理規(guī)劃公路網(wǎng)絡(luò)，保證撲火人員和物資能快速到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是森林火災(zāi)應(yīng)急公路網(wǎng)規(guī)劃的主要目的[18-19]。

3）用火點(diǎn)分布不合理。用火點(diǎn)是指當(dāng)火情發(fā)生時(shí)，臨時(shí)用來(lái)儲(chǔ)備與調(diào)度應(yīng)急資源，為滅火行動(dòng)提供后備力量的場(chǎng)所。用火點(diǎn)分布過(guò)于集中且距離火災(zāi)頻發(fā)區(qū)過(guò)遠(yuǎn)將影響撲火工作的效率，不利于對(duì)火勢(shì)的控制，加重了森林資源的損失。該林區(qū)的主要用火點(diǎn)及近5年火災(zāi)點(diǎn)分布如圖1所示，可見(jiàn)，目前該地區(qū)的用火點(diǎn)分布與火災(zāi)頻繁地聯(lián)系不緊密，針對(duì)性不強(qiáng)，所以有必要根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)多個(gè)用火點(diǎn)。

圖1 用火點(diǎn)、火災(zāi)點(diǎn)與主干路分布位置Fig.1 Distribution of fire points,supply depots and main roads

2 基于K-means、TSP 的林區(qū)公路網(wǎng)規(guī)劃方案

2.1 林區(qū)公路網(wǎng)規(guī)劃模型的建立

2.1.1 火災(zāi)點(diǎn)的聚類分析

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，遵守國(guó)家在工程項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)的林地使用政策，建議進(jìn)行防火公路設(shè)計(jì)時(shí)不占或少占林地，盡量利用火燒跡地進(jìn)行連接，這樣還有利于火燒跡地內(nèi)植被恢復(fù)和病蟲(chóng)害的防治。

利用K-means聚類算法將火災(zāi)點(diǎn)劃分區(qū)域[20-21]，并求出各區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)。K-means 聚類的是對(duì)于數(shù)據(jù)中每個(gè)樣本點(diǎn)xi，計(jì)算其與各個(gè)聚類中心cj的歐式距離，并獲取其類別標(biāo)號(hào)：

具體算法流程如下：

1）將火災(zāi)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)，其中經(jīng)度為x，緯度為y。

2）種子初始化：在這些地點(diǎn)中隨機(jī)選擇樣本中k個(gè)地點(diǎn)為初始種子[22]。

3）分組：求出樣本與這k個(gè)種子的距離，并將樣本自動(dòng)分配給距離其最近的種子。

4）確定新種子：求每個(gè)區(qū)域的中心點(diǎn)作為新的種子。

5）重復(fù)步驟3、4，直至算法收斂，即新的種子與上一次的種子相等。

為保證成本最低，應(yīng)該在比較少的聚類中心點(diǎn)下保證森林資源的損失較少[23]，即min(W1+W2)。森林資源的損失如公式（2）所示：

式（2）中，

建設(shè)用火點(diǎn)所需要資金：

式（2）～（4）中：x為建立用火點(diǎn)的數(shù)量，即聚類中心數(shù)量，v1為著火點(diǎn)處林火蔓延速度，D為火災(zāi)點(diǎn)到用火點(diǎn)的距離，v0為救援車輛的平均行駛速度，v2為滅火速度，z為用火點(diǎn)分派到著火點(diǎn)處的滅火設(shè)備數(shù)量之和，C1為燒毀單位面積森林的林業(yè)資源損失費(fèi)用，C2為每個(gè)滅火設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)的薪金與使用費(fèi)用，Dij為第i個(gè)聚類區(qū)域中第j個(gè)點(diǎn)到該聚類中心的距離，ki為第i個(gè)聚類區(qū)域中點(diǎn)的數(shù)量，C3為建立單個(gè)用火點(diǎn)所需的總成本。

2.1.2 基于K-means 算法的公路網(wǎng)規(guī)劃模型

基于K-means 算法的公路網(wǎng)的規(guī)劃方案為：從聚類中心到原有公路網(wǎng)修建公路，然后再將公路從聚類中心向易發(fā)生火災(zāi)的地區(qū)進(jìn)行延伸[24]，具體方案如圖2所示。

圖2 基于K-means 算法的公路網(wǎng)規(guī)劃方案Fig.2 Planning of highway network based on K-means algorithm

這種方案下，每個(gè)聚類區(qū)域所需修建的公路長(zhǎng)度如公式（5）所示。

式（5）中：L0為聚類中心到主干路所修建的公路，（x0,y0）為聚類中心點(diǎn)，（xi,yi）為火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)，k為公路系數(shù)[25]。

式（6）中，k表示該公路的實(shí)際里程Lreal與地理坐標(biāo)下該公路起始點(diǎn)間直線距離Lstraight的比值。

考慮實(shí)際路況，某些火災(zāi)點(diǎn)到原有公路比到聚類中心的距離更近，所以這些火災(zāi)點(diǎn)與原有公路間修建公路更為合理[26]，得到改進(jìn)規(guī)劃方案（圖3）。

圖3 基于K-means 算法的公路網(wǎng)改進(jìn)規(guī)劃方案Fig.3 Improved planning scheme for highway network based on K-means algorithm

2.1.3 基于TSP 模型的公路網(wǎng)規(guī)劃模型

分析每一個(gè)聚類區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)每一個(gè)火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)都需要有公路進(jìn)行連接，考慮到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，修建的公路里程應(yīng)該盡可能的短。對(duì)于每個(gè)聚類區(qū)域中的所有火災(zāi)點(diǎn)必須都有公路進(jìn)行連接，而TSP（Traveling salesman problem）問(wèn)題就是遍歷所有地點(diǎn)并回到起點(diǎn)的最短路徑問(wèn)題，因此該問(wèn)題與TSP 問(wèn)題類似，只需除去所求路徑中最長(zhǎng)的兩個(gè)地點(diǎn)間路徑。并且Hacizad 等[27]在研究伊斯坦堡公共交通營(yíng)運(yùn)稽核組的最佳線路選擇問(wèn)題時(shí)轉(zhuǎn)化成了TSP 問(wèn)題，本研究的林區(qū)路網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題與文獻(xiàn)[27]研究?jī)?nèi)容相似，所以也轉(zhuǎn)化為TSP 問(wèn)題，并利用GA(Genetic algorithm)進(jìn)行求解[28-30]。

利用MATLAB (R2018a)軟件求解出的公路軌跡與原有公路最近的地方修建公路進(jìn)行連接[31]，并考慮實(shí)際路況，得到如圖4所示的規(guī)劃方案。

2.2 北三局實(shí)證分析

根據(jù)內(nèi)蒙古根河市滿歸鎮(zhèn)北部原始林區(qū)森林管護(hù)局統(tǒng)計(jì)，得到北三局近5年火災(zāi)點(diǎn)的位置如表1所示。

圖4 基于TSP 算法的公路網(wǎng)改進(jìn)規(guī)劃方案Fig.4 Improved planning scheme for highway network based on the TSP algorithm

2.2.1 火災(zāi)點(diǎn)聚類分析結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入公式（3），可計(jì)算出聚類中心的個(gè)數(shù)與火災(zāi)點(diǎn)到其聚類中心平均距離的關(guān)系（表2）。

根據(jù)北部原始林區(qū)近5年的火災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到公式（2）～（3）的部分變量，結(jié)果如表3所示，將數(shù)據(jù)代入模型得到累計(jì)損失與聚類中心數(shù)量的關(guān)系（圖5）。

由圖2可知，當(dāng)x=9，即建立9 個(gè)聚類中心時(shí)達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。然后，利用Matlab (R2018a)軟件將近5年火災(zāi)點(diǎn)聚成9類，得到結(jié)果如圖6所示。

表1 北三局近5年火災(zāi)地點(diǎn)Table 1 NPFR in the last five years of fire site(°)

表2 關(guān)于聚類中心的部分函數(shù)值Table 2 Partial function values for cluster centers

表3 分析所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)Table 3 Analysis of the data obtained

圖5 累計(jì)損失Fig.5 Total loss cost

圖6 近5年火災(zāi)聚類中心點(diǎn)Fig.6 Fire clustering center points over the past five years

圖3中，9 個(gè)聚類中心點(diǎn)的直角坐標(biāo)如表4所示。

利用ArcGIS 10.2 軟件將聚類中心點(diǎn)標(biāo)注在北三局地圖中，得到結(jié)果如圖7所示。

2.2.2 基于K-means 算法的公路網(wǎng)的規(guī)劃結(jié)果

將近5年的火災(zāi)聚為9 類，即建立9 個(gè)用火點(diǎn)，根據(jù)1.1.2 中基于K-means 算法的公路網(wǎng)的規(guī)劃方案，可得到的結(jié)果如圖8所示（圖中紅色代表所修的道路）。

表4 聚類中心點(diǎn)直角坐標(biāo)Table 4 Clustering center point Cartesian coordinates (°)

圖7 火災(zāi)聚類中心點(diǎn)位置Fig.7 Fire clustering center point location

圖8 基于K-means 算法的北三局公路網(wǎng)改進(jìn)規(guī)劃Fig.8 Improvement plan of NPFR highway network based on K-means algorithm

通過(guò)ArcGIS 10.2 軟件獲取坐標(biāo)代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到9 個(gè)聚類區(qū)域所需修建的公路里程（表5）。

表5 聚類區(qū)域所需公路里程Table 5 Road mileage required for clustering area km

2.2.3 基于TSP 模型的公路網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果

根據(jù)2.1.3 基于TSP 模型的公路網(wǎng)規(guī)劃方案，采用整數(shù)排列編碼、輪盤(pán)賭選擇、部分映射交叉，設(shè)定變異率為0.05，種群數(shù)量為50 個(gè)，迭代100 次，并利用MATLAB (R2018a)編程求解。接著采用圖4所示的公路網(wǎng)的改進(jìn)規(guī)劃方案，可得到北三局公路網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果（圖9）。

利用ArcGIS10.2 獲取坐標(biāo)，求得每個(gè)聚類區(qū)域所需修建的公路里程，結(jié)果如表6所示。

2.2.4 比較基于K-means 聚類分析規(guī)劃結(jié)果和TSP 模型規(guī)劃結(jié)果

將每個(gè)聚類區(qū)域的兩種規(guī)劃公路網(wǎng)的方法進(jìn)行比較，結(jié)果如表7所示，選擇所需修建公路里程較小的一種方法。

圖9 基于TSP 算法的北三局公路網(wǎng)改進(jìn)規(guī)劃Fig.9 Improvement plan of NPFR highway network based on TSP Algorithm

表6 聚類區(qū)域所需公路里程Table 6 Road mileage required for clustering area km

表7 比較所需里程Table 7 Comparison of the two planning results km

所需修建的公路共945.51 km，所選擇的方案如圖10所示（紅色線條代表所需修建的公路）。

圖10 北三局公路網(wǎng)規(guī)劃方案示意Fig.10 Schematic diagram of the planning plan for the highway network of NPFR

2.3 用火點(diǎn)規(guī)劃

用火點(diǎn)是撲火時(shí)人員及物資集中的地方。為了提高救火效率、減少森林資源的損失，用火點(diǎn)應(yīng)該盡可能建在火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)附近，因此，應(yīng)先考慮9 個(gè)聚類中心。為了生活的便利，用火點(diǎn)還應(yīng)該靠近河流[32]。經(jīng)規(guī)劃后，用火點(diǎn)的位置如圖11所示，新建用火點(diǎn)及聚類中心點(diǎn)的坐標(biāo)如表8和表9所示。

3 公路網(wǎng)評(píng)價(jià)

目前，對(duì)公路網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有公路網(wǎng)密度、連通度、可達(dá)性等。公路網(wǎng)密度是林區(qū)公路網(wǎng)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)[33]，反映了林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)的疏密程度，可作為本研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)。連通度、可達(dá)性的評(píng)價(jià)對(duì)象均為公路網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)需要應(yīng)急物資及時(shí)的到達(dá)火災(zāi)點(diǎn)，而不是公路網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，因此這些指標(biāo)并不適用本研究的林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)。在林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，公路網(wǎng)絡(luò)將區(qū)域分割面積越均勻，撲火人員和物資到達(dá)各區(qū)域的效率越均衡，公路網(wǎng)規(guī)劃越合理[34]。因此本研究創(chuàng)新性提出區(qū)域分割指數(shù)的概念，并作為另一項(xiàng)公路網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)。公路網(wǎng)密度、區(qū)域分割指數(shù)的計(jì)算方法如下。

圖11 用火點(diǎn)位置信息Fig.11 Location of supply depots

表8 聚類中心點(diǎn)坐標(biāo)Table 8 Clustering center pointscoordinates

表9 規(guī)劃后增設(shè)用火點(diǎn)坐標(biāo)Table 9 Optimized additional supply depots coordinates

1）公路網(wǎng)密度。其中公路網(wǎng)密度（ρ）為每公頃面積的林區(qū)公路總里程數(shù)(m·hm-2)。計(jì)算公式為：

式（7）中，L直表示地理坐標(biāo)下該公路起始點(diǎn)間直線距離，L原始表示林區(qū)原有公路的里程，A表示林區(qū)的總面積，k為公路修正系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，規(guī)劃后的路網(wǎng)密度為1.84 m/hm-2。

2）區(qū)域分割指數(shù)。區(qū)域分割指數(shù)可以衡量公路網(wǎng)將整體區(qū)域分割成不同區(qū)域后，各分割區(qū)域面積的均衡程度和離散程度，分別用區(qū)域面積均值（）和區(qū)域面積方差（D）兩個(gè)系數(shù)表示。計(jì)算公式如公式（8）、（9）所示。這兩個(gè)系數(shù)的取值越小，說(shuō)明各個(gè)區(qū)域的面積分布更加的密集、均勻。特別的當(dāng)方差為0 時(shí)說(shuō)明公路網(wǎng)可將該區(qū)域劃分為幾個(gè)面積等大的區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)大面積沒(méi)有公路的情況，應(yīng)急物資到達(dá)火災(zāi)點(diǎn)的效率更高。而當(dāng)均值越小時(shí)，說(shuō)明公路網(wǎng)越密集。

式（8）～（9）中，Si表示第i個(gè)公路網(wǎng)分割區(qū)域的面積，S表示所有分割區(qū)域的平均面積，n表示公路網(wǎng)分割后的區(qū)域數(shù)量，D表示所有區(qū)域面積的方差。

為了方便計(jì)算，需要將該原始林區(qū)公路網(wǎng)路圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，原有公路網(wǎng)如圖12a 所示。目前該原始林區(qū)的公路網(wǎng)路大致可將原始林區(qū)劃分為12個(gè)區(qū)域，結(jié)果如圖12b 所示。

利用ArcGIS 10.2 軟件可求出每個(gè)分割區(qū)域面積，結(jié)果如表10所示。

規(guī)劃后的公路網(wǎng)為圖13a 所示，此時(shí)的公路網(wǎng)絡(luò)可將該原始林區(qū)大致劃分為22 個(gè)區(qū)域，如圖13b 所示。

由表11可知，公路網(wǎng)規(guī)劃前后的數(shù)據(jù)顯示北三局公路網(wǎng)密度和區(qū)域分割指數(shù)均得到了改善，林區(qū)公路網(wǎng)密度達(dá)到了1.84 m/hm2，高于目前國(guó)家林區(qū)的平均水平（國(guó)家的平均水平為1.8 m/hm2），區(qū)域分割指數(shù)中的區(qū)域面積均值（）和區(qū)域面積方差（D）分別降低了45.4%和68.5%。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

為應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)對(duì)林業(yè)資源的威脅，提高林區(qū)撲火效率，本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺北部林區(qū)森林火災(zāi)應(yīng)急公路網(wǎng)為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有的公路網(wǎng)、用火點(diǎn)進(jìn)行了分析。基于K-means、TSP 模型提出了原始林區(qū)的公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。該方案在科學(xué)規(guī)劃林區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)能夠很好地提升公路網(wǎng)絡(luò)密度。在評(píng)價(jià)公路網(wǎng)絡(luò)方面，本研究創(chuàng)新性地提出了區(qū)域分割指數(shù)的概念，能夠?qū)α謪^(qū)公路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣進(jìn)行很好的評(píng)價(jià)。本研究得到具體結(jié)論如下：

圖12 原有公路網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.12 Original highway network division

表10 原有公路網(wǎng)分割區(qū)域面積Table 10 Area of the original highway network segmentation area hm2

圖13 規(guī)劃后公路網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.13 Optimized highway network division

表11 規(guī)劃后各區(qū)域面積Table 11 Areas of each optimized region hm2

1）分析近5年北三局森林火災(zāi)以及當(dāng)前公路網(wǎng)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其公路網(wǎng)密度約為0.84 m/hm2，遠(yuǎn)低于目前國(guó)有林區(qū)路網(wǎng)密度的平均水平1.8 m/hm2，火災(zāi)點(diǎn)距離公路較遠(yuǎn)，公路到火災(zāi)點(diǎn)直線最短距離達(dá)到7.8 km，用火點(diǎn)分布不合理，與火災(zāi)頻發(fā)地距離較遠(yuǎn)，影響應(yīng)急物資和人員的調(diào)配。

2）采用K-means 聚類算法，得出火災(zāi)分布的9 個(gè)聚類中心，采用基于聚類中心和基于TSP 模型方法對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行了規(guī)劃，在原有用火點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用聚類中心增設(shè)了7 個(gè)用火點(diǎn)。

3）對(duì)規(guī)劃后的公路網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用公路網(wǎng)密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并創(chuàng)新性地提出了區(qū)域分割指數(shù)的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)密度達(dá)到1.84 m/hm2，區(qū)域面積均值和方差分別降低了45.4%和68.5%。

4）國(guó)內(nèi)大部分林區(qū)的路網(wǎng)密度遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)國(guó)家林區(qū)的密度，限制了森林火災(zāi)的撲救能力。該方法為林區(qū)的路網(wǎng)規(guī)劃提供了理論支持，并且提出了合理的路網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為構(gòu)建合理的火災(zāi)撲救公路網(wǎng)絡(luò)，降低火災(zāi)造成的森林資源損失作出了貢獻(xiàn)。

4.2 討 論

本研究對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺北部林區(qū)森林火災(zāi)應(yīng)急公路網(wǎng)進(jìn)行了研究。然而，該研究還存在著一些局限性，為了便于計(jì)算和說(shuō)明規(guī)劃方法的主要過(guò)程，本研究提出的兩種路網(wǎng)規(guī)劃方案均未考慮地形、土壤條件、施工條件等因素，在實(shí)際進(jìn)行林區(qū)公路選線時(shí)應(yīng)結(jié)合具體的實(shí)際情況而定。

在北部原始林區(qū)森林防火的問(wèn)題上，一方面需要國(guó)家制定相應(yīng)的法律法規(guī)，提高思想認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任感，加強(qiáng)管控責(zé)任，確?；馂?zāi)發(fā)生及時(shí)上報(bào)、快速撲救，切實(shí)做到“打早、打小、打了”；另一方面，國(guó)家要統(tǒng)籌規(guī)劃，加大財(cái)政支持力度，科學(xué)合理提高林區(qū)路網(wǎng)密度，增強(qiáng)森林火災(zāi)的控制能力，有效保護(hù)生態(tài)安全，促進(jìn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。