基于GIS與AHP的黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險性劃分

周長明,齊海超,魏 帥,陸明明

（黑龍江省氣象災害防御技術(shù)中心,黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

隨著氣候的異常變化，雷電活動逐步增多，雷擊森林火災發(fā)生的比率不斷上升。黑龍江大興安嶺林區(qū)因受極地冷空氣和異常天氣的影響[1]，干雷暴天氣頻發(fā)，統(tǒng)計分析近15 a黑龍江省森林雷擊火數(shù)據(jù)，大興安嶺林區(qū)發(fā)生次數(shù)占全省95%以上。森林燃燒性顯著增強也是造成森林雷擊火災的重要因素[2]。本文利用全省閃電定位系統(tǒng)近15 a云地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)空間云的10 m精度DEM柵格數(shù)據(jù)、1 km×1 km黑龍江省植被數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，對黑龍江大興安嶺森林雷擊火的危險性進行相關(guān)分析研究。通過分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點的云地閃密度、云地閃強度、地形、植被、土壤電阻率特征，為雷擊火危險性劃分中影響因子的確定提供依據(jù)。采用GIS空間分析統(tǒng)計方法和層次分析法（AHP）對黑龍江大興安嶺森林雷擊火危險性進行劃分，能夠進一步明確各區(qū)域的危險等級，提高黑龍江大興安嶺森林雷擊火防范的針對性。

2 雷擊火起火點云地閃及下墊面特征

云地閃是引發(fā)森林雷擊火的直接原因，對近15 a黑龍江閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的云地閃數(shù)據(jù)進行處理，剔除0 kA-2 kA和200 kA以上的數(shù)據(jù)。

利用Kriging插值法得到雷擊點密度數(shù)據(jù)，提取分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點的云地閃密度值，其符合偏度0.573、峰度-0.467的正態(tài)分布，如圖1所示。

圖1 雷擊火起火點云地閃密度直方圖

將云地閃數(shù)據(jù)的雷電強度按百分位數(shù)法劃分5個等級，利用Kriging插值法得到不同雷電流等級的地閃頻次，提取分析現(xiàn)有黑龍江大興安嶺森林雷擊火起火點不同雷電流等級的地閃頻次，均滿足正態(tài)分布。

根據(jù)黑龍江省10 m精度DEM柵格數(shù)據(jù)，提取分析雷擊火起火點的海拔高度，其符合偏度0.283、峰度-0.614正態(tài)分布，如圖2所示。

圖2 雷擊火起火點海拔高度直方圖

地形起伏度是描述一個區(qū)域地形特征的一個宏觀性的指標，通過DEM柵格數(shù)據(jù)求得雷擊火起火點的地形起伏度，其符合指數(shù)分布，如圖3所示。

圖3 雷擊火起火點地形起伏度直方圖

利用1 km×1 km黑龍江省植被數(shù)據(jù)，提取雷擊火起火點的植被情況，分類統(tǒng)計如表1所示。

表1 雷擊火起火點植被分類統(tǒng)計表

利用1km×1km黑龍江省土壤數(shù)據(jù)，提取雷擊火起火點的土壤類型情況，分類統(tǒng)計如表2所示。

表2 雷擊火起火點土壤分類統(tǒng)計表

不同形式的土壤其導電性不同，泥炭土、沼澤土、草甸土電阻率近似值約為20Ω·m，粗骨土細粒物質(zhì)少而砂粒含量尤高電阻率近似值約為400Ω·m。暗棕壤主要分布于山地的緩坡頂部及山腰處，電阻率近似值約為50Ω·m[3]。棕色針葉林土的質(zhì)地大多輕、粗，含砂粒及石礫量多，砂粒含量在30%-85%，同時石塊較多，電阻率近似值約為300Ω·m[4]。

3 雷擊火危險性劃分

對黑龍江大興安嶺云地閃密度數(shù)據(jù)、云地閃強度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)通過正態(tài)分布密度函數(shù)公式（1）進行歸一化處理，形成3㎞×3㎞的柵格數(shù)據(jù)。

由土壤類型數(shù)據(jù)結(jié)合各類土壤電阻率得到黑龍江大興安嶺電阻率3㎞×3㎞的柵格數(shù)據(jù)，并通過min-max標準化公式進行歸一化處理。按照雷擊火起火點的植被類型百分比，并通過min-max標準化公式進行歸一化處理，形成3㎞×3㎞的植被柵格數(shù)據(jù)。對地形起伏度按指數(shù)分布函數(shù)公式（2）進行歸一化，形成地形起伏度3㎞×3㎞柵格數(shù)據(jù)。

層次分析法（AHP）算法是將每一層次的各要素相對于上一層次的各要素進行兩兩比較判斷，得出相對重要程度的比較權(quán)重，建立判斷矩陣，計算最大特征根以及相對應的特征向量，進行層次單排序，得到各層要素相對于上一層某要素的重要性排序，自上而下用上一層各要素的組合權(quán)重為權(quán)數(shù)，對本層次各要素的相對權(quán)重向量進行加權(quán)求和，進行層次總排序，得出各層次要素相對于系統(tǒng)總體目標的組合權(quán)重。將云地閃密度與云地閃強度歸為雷電因素，將海拔高度與地形起伏歸為地形因素，將土壤電阻率及地表植被歸為地表因素，最終進行方案排序按照層次分析法（AHP）得到影響因子的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)綜合得到致災因子指數(shù)。影響因子的權(quán)重如表3所示。

表3 影響因子加權(quán)系數(shù)

致災因子危險性按式（3）計算：

式中：

RH——致災因子危險性；Ld——地閃密度；

wd——地閃密度權(quán)重；Ln——地閃強度；

wn——地閃強度權(quán)重；Sc——土壤電導率；

ws——土壤電導率權(quán)重；Eh——海拔高度；

we——海拔高度權(quán)重；Tr——地形起伏；

wr——地形起伏權(quán)重；Zl——地表植被；

wz——地表植被權(quán)重；

依據(jù)雷擊森林火災危險性指數(shù)大小，采用自然斷點法，將雷擊森林火災危險性劃分為極高風險等級、高風險等級、一般風險等級，分別用不同灰度顏色標示，黑龍江大興安嶺雷擊火危險性劃分如圖4所示。

圖4 黑龍江大興安嶺雷擊森林火災危險性劃分

4 小結(jié)

從黑龍江大興安嶺雷擊森林火災危險性劃分可以看出部分地點的雷擊森林火災危險性遠超毗鄰區(qū)域，大興安嶺地區(qū)各個縣區(qū)雷擊森林火災危險性狀況有很大不同，漠河、塔河、呼中、新林大部分區(qū)域危險性較高，呼瑪中部危險性較高，加格達奇危險性較低。