基于GIS平台和无人机航拍技术的火烧迹地分析

翁迪君 杨艳婷

(广东省岭南综合勘察设计院，广东 广州 510091)

1 背景

近年来，世界各地都在遭受不同程度的森林火灾的困扰。受厄尔尼诺现象影响，2019年全球森林火灾频发，3月底，我国四川木里县发生雷击火，共有30名扑火人员牺牲；同年9月，澳大利亚几乎每个州都在遭受林火肆虐，至次年7月底，该丛林大火或已致30亿动物死亡。2020年，我国四川凉山西昌突发山火，造成19人遇难；同年美国加州遭受森林野火肆虐，共计发生8 800多起山火。人类正面临着前所未有的森林防火工作压力。森林火灾对人类生产生活、生命安全及财产安全都构成了严重威胁，而对植被的破坏尤为突出。

2 分析思路

收集森林火灾发生、扑救与防控的相关资料；通过无人机对该火烧迹地进行高清航拍；影像拼接及校正，对影像进行判读及区划；获取该区域的DEM等基础数据；利用GIS平台处理数据，获取相关因子的处理结果；初步分析各因子与该火烧迹地的火烧强度之间的关系，通过确定ArcGIS软件对两者进行叠加，确定各因子的权重；进一步分析该火烧迹地的火烧强度及其带来的破坏程度，提供森林火灾的规律性认识。

3 初步处理结果

该案例利用大疆无人机精灵Phantom 4 Pro V2.0对火烧迹地进行正射照片的拍摄工作。将照片拼接成完整的正射影像，并对该影像进行校正、判读和区划等，以获得初步处理结果。经计算，该区域过火面积达4.626 9hm2，森林火灾等级为较大森林火灾。按火烧强度对火烧迹地进行区划，根据原国家林业局(现为国家林业和草原局)在《全国森林资源连续清查技术规定的通知》，将火后植被受害状况(或称火烧强度)分为轻度、中度、重度和极重度4个等级[1]。区划结果见图1。

图1 火烧迹地按火烧强度区划影像图

通过拼接的高清无人机影像可以看出，该火烧迹地轻度火烧区含大部分的未伤木及小部分烧伤木；中度火烧区含一半及以上的烧伤木及小部分烧毁木；重度或极重度火烧区仅剩极少量烧伤木(烧毁木)，地表裸露严重。该火烧迹地区划轻度火烧区面积1.188 1hm2，中度火烧区面积1.765 1 hm2，重度或极重度火烧区面积1.673 7 hm2。见表1。

表1 火烧迹地按火烧强度区划面积统计表

4 森林火灾火烧强度的主要影响因子分析

4.1 气象因子

气候变化与森林火灾发生密切相关，其中温度、湿度和风等气象要素变化起关键性作用。气温的升高能加速可燃物的含水率的降低，是可燃物干燥达到燃点的所需热量减少，使森林火灾相对更容易发生[2]。当空气湿度相对小时，可燃物体内水分蒸发快，失水量大，林火易发生和蔓延[3]。风能够加快地表植被的水分蒸发，促进空气流动，为可燃物体燃烧提供良好的条件。

通过查询历史天气可以发现，当地当日正处于冬季，天气干燥，湿度最高气温在20 ℃左右，风向为东，风力2级，连旱2个月以上，这些要素为该火灾的发生提供有利条件。

4.2 地形因子

利用ArcGIS处理相应区域的dem数据，获得50 m等值线、坡向和坡度等矢量数据，用于分析地形因素对过火区域受灾程度的影响。海拔对植被的影响主要表现在温度、雨量、相对湿度、辐射强度、气流及土壤性质；而坡向的影响表现在单位面积接受的能量、温度和湿度等方面；坡度的影响则表现在日照、土壤和土壤流失等方面[4]。

4.2.1 海拔

海拔越高，气温将越低，水分蒸发量随之减少，山火发生的可能性降低。将间距50 m等值线叠加按火烧强度区划的数据，分类计算权重，见表2。

表2 海拔于各火烧强度区域的权重表

从表2中可发现，轻度火烧区主要集中在海拔150 m以下的区域，中度火烧区主要集中在海拔100～150 m区域，重度或极重度火烧区主要集中在海拔150 m以下的区域。由此可看出，海拔150 m以下区域的森林火灾的受灾程度更强。

4.2.2 坡向

根据最新《广东省森林资源规划设计调查操作细则》，地面朝向分东、南、西、北、东北、东南、西北、西南、无坡向9个类别。坡向的不同对森林火灾火烧强度有重要影响，向阳坡的光照时间，积累的太阳辐射量多，易燃物也更多，火灾一旦发生，将更具破坏性。因此坡向为南的区域火烧强度最强；坡向为东和东南次之。将坡向数据叠加按火烧强度区划的数据分类计算权重，见表3。

表3 坡向于各火烧强度区域的权重表

从表3可看出，绝大部分火烧迹地集中在坡向为东和东南的区域坡向为东的区域。中重度或极重度火烧区面积约占50%，而坡向为东南的区域中中度火烧区面积50%，相比之下，坡向为东的区域更易遭受森林火灾破坏。当地整体地势东南高，西北低，东南向可燃物所积累的太阳辐射量较多，且当日风向为东风，受两者共同影响，故过火区域主要集中在坡向为东和东南的区域，当地坡向为东和东南区域遭受森林火灾破坏更严重。

4.2.3 坡度

根据最新《广东省森林资源规划设计调查操作细则》，坡度分平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡和险坡6个类别。坡度的变化对林火有重要的影响，随着坡度的逐渐升高，地表径流量加快，地表干燥速度加快，引起火险的可能性越高[5]。将坡度数据叠加按火烧强度区划的数据分类计算权重，见表4。

表4 坡度于各火烧强度区域的权重表

从表4中可以看出，该火烧迹地的过火区域主要集中在缓坡和急坡。因当地大部分为低丘陵地，间以平缓的台地，坡度较小，存在急坡和险坡情况较少。

4.3 人为因素

本次火灾火源点位于居民区边缘地带和交通主干道附近，且与林木密集区域极为接近，人为活动极其频繁。长期以来，该火烧区域位于潜在的高火险地带。一旦出现野外火源或人为性点火的情况，火灾的发生将成为必然。

5 对当地森林火灾防控的建议

5.1 落实森林防火工作部署

认真落实市级、区级森林防火工作部署，切实推进行政领导森林防火工作责任制实施。各级政府需不断完善森林火灾防控运行机制，提升森林火灾防控工作的指导能力。

5.2 加强森林防火宣传工作

通过树立宣传牌、刷写安全标语和印发宣传资料等途径来增强群众森林火灾防控的认识和责任。

5.3 利用无人机航拍技术进行实地巡检

未发生火灾时，可利用无人机拍摄的照片或影像进行森林火险等级的预测预报；若一旦出现火情，无人机可实时监控火灾现场，为火灾的扑救工作提供及时有效的信息。

5.4 建立健全森林消防专业队伍和森林防火组织机构等

切实履行防火巡护、火源管理、防火设施建设和火情早期处理等工作职责，对林区进行“全方位、全天候、全时段”监测，确保及时发现火情[6]。

5.5 在当地高火险区域建设多个巡防站、瞭望塔等

森林火灾隐患排查不留死角，并制定森林火灾应急方案，在林火未大范围蔓延时到达现场实施扑救行动[7-8]。

6 小结

随着科技的不断发展，利用无人机航拍技术可以快速获取高清航拍影像等基础数据，再利用GIS平台，按照火烧强度对火烧迹地的影像进行判读和区划，为分析火烧迹地提供了便捷的途径。气象因子、地形因子以及人为因素3者共同影响森林火灾的破坏性，同时对林火蔓延速度起关键性作用。分析高火险区域将有助于森林火灾及时防控和有效扑救。针对高火险区域做出相应战略部署，也是森林防火工作的重中之重。