基于遥感技术的新疆巴州火点的特征及其成因分析

摘 要：通过对遥感影像解译和数据分析，获得了巴音郭楞蒙古自治州（以下简称巴州）近10年火点的时空分布特征及变化趋势，月际变化3月份火险频次最多，12月份最少；季节变化春季最多，冬季最少，年际变化整体呈现波动减少趋势，递减99次/a左右，在2015年有一个突变点，且通过了0.05的显著性检验；地域变化上和静县境内发生火险频次最多，若羌最少；区域变化上北部最多，南部最少，中部位于其次，历年着火面积亦呈现减少的趋势。

关键词：巴州；遥感；火点；特征；成因

中图分类号：X87 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

近年来，森林草原火灾频发，令人担忧。火灾不仅会破坏自然生态，还会危及人民生命财产安全。因此，掌握当地火险时空分布及火险类型，建立火险预警系统提前预警，预防火灾事故，显得尤为重要[1-2]。随着遥感技术的不断发展，其在环境监测、生态保护、气候变化等领域的应用日益广泛，特别是在火点监测方面[3-5]。遥感技术具有实时性、准确性、大范围等优势，对于火点时空分布特征的分析具有重要意义[6-7]。巴州是中国西部重要的生态屏障，为典型的山地风景区，森林草原较多，属火灾高发区。本文以该地区为研究对象，利用遥感技术对火点时空分布特征进行分析，以期为该地区的火点监测和预防提供科学依据。

1 巴州下垫面植被的分布概况

巴州位于新疆维吾尔自治区东南部，东邻甘肃、青海，南倚昆仑山与西藏相接，西连新疆和田、阿克苏地区，北以天山为界与伊犁、昌吉、乌鲁木齐、吐鲁番等地州市相连。该州总面积4 715万 hm2，占新疆总面积的1/4，是我国面积最大的地级行政区，被誉为“华夏第一州”。巴州下辖库尔勒市、轮台县、尉犁县、若羌县、且末县、焉耆县、和静县、和硕县、博湖县共八县一市，州府设在库尔勒市。受气候和地理环境的影响，巴州境内主要有以下4种植被：（1）沙漠植被，分布在塔里木盆地边缘和沙漠地区，由于水分蒸发较快，植被分布较少，主要是一些耐旱的植物；（2）草原植被，分布较广，南北部山区及平原地带均有；（3）山地植被，分布在天山山脉和昆仑山脉地区；（4）湿地植被，分布在一些河流、湖泊和沼泽地区。总的来说，巴州的植被分布呈现出多样化、复杂化的特点，主要受到气候、地理环境和人类活动的影响，且全州的林地、草地和耕地主要分布在南北部山区及沿塔里木河两岸中下游地区。

2 火情遥感监测原理

2.1 火点的判识

火点属于高温目标，其遥感影像特征识别建立在普朗克定律、维恩位移定律、斯特藩-玻尔兹曼定律基础之上[8]。但他们都只是对于绝对黑体才是正确的。本文所研究的高温目标是基于理想化模型所开展的。

维恩位移定律表述如下：

λmax×T=2897.8 μm×K

从上式可知，黑体辐射能力最大值所对应的波长λmax与其绝对温度T呈反比，物体的温度越高所对应的辐射波长就越短。一般情况下，红外波段的通道适用于火情监测，红外通道探测到的是物体的辐射强度，由斯特藩-玻尔兹曼定律：E=σ×T4可知，其中σ=5.6704×10-8 W·m-2·K-4，物体的辐射能力E与其绝对温度T的4次方呈正比。物体的温度越高辐射能力就越强，反之亦然。反映在卫星图像上是温度越高颜色越深。

2.2 过火面积的估算

林草地火灾发生后，下垫面光谱特征与火灾发生前相比会发生明显的变化，由于地物部分或者全部被火烧毁，地物颜色将变深变暗，从而导致在可见光波段的光谱反射率明显下降。经过分析，采用森林火灾前后归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的变化来建立过火面积估算模型，并通过统计分析确定面积估算的量化判识指标，继而对比火灾前后的植被覆盖状况，估计其过火面积[9]。

归一化植被指数NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）。NIR和R代表近红外与红光波段的反射率。针对MODIS影像数据来说，NDVI=（Band2-Band1）/（Band2+Band1），通过波段运算即可得出。

3 数据和方法

为了确保资料的完整性和时间序列的代表性，剔除无效的数据和时间，通过对遥感影像解译和数据分析，最后获得数据序列和卫星遥感火点资料为2013年1月1日至2022年12月31日，共计10年的完整历史数据序列。

先对历史火点资料按八县一市、年、月际进行分类，统计各地区发生火点的历史状况，并进行一元线性回归拟合，分析其变化趋势和特征；按林地、草地、耕地和其他等4种着火类型进行归类，然后对其进行变化趋势分析和时空特征分析。

4 结果与分析

4.1 时间分布特征

为了分析巴州地区八县一市近10年每月的火险发生频次特征，把数据按年、月进行归类并整理。

从图1可以发现，每年的3月份火险发生频次最高，为1 982次，占全年的19.0%，12月份发生频次最低，为112次，占全年的1.1%。从季节变化来看，春季最高，为3 872次，占全年的37.2%，秋季次之，为2 971次，占全年的28.5%，冬季最低，为814次，占全年的7.8%。

从图2可以看到，全州火险频次在2013—2022年整体呈现波动减少的趋势，2013年火险频次最大，为1 675次，2016年火险频次最小，为661次。前3年（2013—2015年）处于火险频次高发期，均超过1 000次，年均达到1 544次，中期3年（2016—2018年）处于火险频次低发期，年均次数为791次，均在1 000次以下，后期4年（2019—2022年）亦处于火险频次低发期，年均851次，仅2019年火险频次为1 070次，其余年份亦在1 000次以下。从线性变化趋势来看，火险频次呈现整体减少的趋势，大致每年递减99次左右。

采用M-K（Mann-Kandell）趋势显著性检验法对2013—2022年火险频次进行分析[10]，发现巴州火点在2015年有一个突变点，且该突变点在UF和UB之间，说明该突变点通过了0.05的显著性检验，整体呈现下降趋势。

通过以上分析，从时间上来看，火点主要集中在春季和秋季，夏季次之，冬季最少，这与该地区的气候条件和植被覆盖有关。

4.2 空间分布特征

按照八县一市区域进行数据归类，统计分析各个县、市内近10年发生的火险频次及其占总火险频次的比例可以得出，和静县内发生的火险频次最多，占比达到28%，其次是博湖县占比达到20%，再次是库尔勒市占比17%。3个县市的火险频次占比总和达到65%，火险频次最少的是若羌县，仅有2%。从地域范围来看，北部区域即焉耆盆地占比57%为最多，中间区域即库尉轮一带占比为33%，位列其次，南部区域占比10%为最少。

根据火点发生地下垫面的属性进行分类[11]，因巴州地区植被类型相对单一，为了便于统计，将下垫面属性按照草地、林地、耕地和其他（荒漠、戈壁、工矿地、山地等）类型进行归类，火险发生频次最高的是草地，达到96%，其次是林地，达到3%，草地和林地发生的火险频次占比达到99%，几乎囊括了所有火险；耕地和其他类型的火点发生频次仅占总火险频次的1%。这与巴州地区的土地利用类型和人类活动有关。其中，南部山区的火点主要由自然因素引起，如雷击和野生动物活动，北部和中部地区草原地带的火点则主要由人类活动引起，如放牧和农业活动等。

根据卫星遥感着火面积的算法，对巴州地区2013—2022年近10年的着火面积进行了计算，并按年做了归类整理，从中可以得出，前3年（2013—2015年）的着火面积占据总面积的53%，2014年的着火面积最大达到23%，后面连续7年的时间着火面积均在10%以下，最小年份2016年仅为5%。整体来说呈现明显减少的趋势。

5 成因分析

众所周知，火灾的发生一是人为造成的，二是自然造成的。人为因素包括烟头、篝火、野外明火取暖等，自然因素包括雷电、火山喷发、物质的自燃等。了解火灾的成因对于预防和减少火灾的发生具有重要意义[12]。

在统计火点数据时，每个火点都有经纬度信息，把这些点用ArcGIS软件叠加到巴州地区行政区域上，得到图3。可以看出，巴州的火点主要分布在焉耆盆地及库尉轮一带，塔里木河流域附近，南部主要分布在车尔臣河流域。这些地点相对而言林地、草地和耕地植被覆盖面积较大，人类活动较为集中。在塔克拉玛干沙漠腹地有个集中火点，是塔中石油作业区，通过调查发现该地区的火点主要是人为因素造成的。人类把不用的废气或有害气体点燃排放到空气中，造成此处的像元温度异常偏高而被看作是火点。南、北部山区的火点较少且分散，这里虽然植被覆盖面积较大，但因人类活动较少或常年积雪覆盖，火灾发生频次相对较低。

6 结论

利用遥感技术对新疆巴州地区2013年1月1日至2022年12月31日近10年火点的时空分布特征进行分析，获得了较为准确和实时的火点数据。研究发现主要有以下结论：

（1）从月际变化来看，火点主要集中在每年的3月份，占比达到了19.0%，每年的12月份最少，仅占1.1%；从季节变化来看，春季发生火险频次最高，占全年的37.2%，冬季最低，占全年的7.8%；从年际变化来看，全州火险频次整体呈现波动减少的趋势，2013年火险频次最大，2016年火险频次最小，大致每年递减99次左右。前3年处于火险频次高发期，中期3年和后期4年时间处于火险频次低发期。

（2）从地区来看，全州八县一市和静县发生火险频次最高，占比28%，若羌最少，占比仅为2%；从地域范围来看，北部区域即焉耆盆地占比最大，为57%，中间区域即库尉轮一带占比为33%，位列其次，南部区域占比最少，为10%。

（3）从火点的下垫面属性来看，草地发生火险的频次最高，达到96%，林地发生火险的频次位列其次，为3%，两者占比99%，几乎囊括了所有火险；耕地和其他类型占比仅为1%。

（4）从着火面积来看，整体呈现下降趋势，前三年着火面积达到总面积的53%，2014年着火面积最大为23%，2016年着火面积最小为5%。

（5）近10年巴州地区着火面积和频次均呈现下降的趋势。

未来，可以进一步拓展遥感技术在火点监测中的应用，如利用高分辨率影像和高精度算法提高火点识别精度，或结合其他数据源进行综合分析等。此外，针对巴州地区独特的自然环境和人类活动特点，可以开展更加深入的研究，例如，探讨气候变化对该地区火点的影响、火点与人类活动的相互关系等。

参考文献

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基金项目：新疆巴音郭楞蒙古自治州科技局2021年开放基金项目“基于遥感技术构建巴州森林草原火险预警平台的研究”（202115）。

作者简介：赵战成（1979—），男，河南民权人，副研级高级工程师，研究方向为气候预测及遥感应用。#通信作者：武鹏飞（1977—），男，山东沂水人，副研级高级工程师，研究方向为环境遥感及气候变化，E-mail：wpf7848@sina.com。