基于MODIS數據的2001—2015年江西省林火時空特征分析

顧先麗，吳志偉，張宇婧，閆賽佳，付婧婧

（1.江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022；2.江西師范大學地理與環境學院，江西 南昌 330022）

森林生態系統受各種自然和人為因素的干擾[1]。其中，林火是最重要的干擾因子之一[2]，影響森林景觀的結構和功能。單一次的林火發生可能被視為隨機事件，但是在景觀乃至區域尺度上林火的發生與分布不是完全隨機的，而是呈現一定的時空分布特征[3]。因此，分析林火時空特征對合理分配林火管理資源、維持森林生態系統健康至關重要。

歷史統計數據是研究林火時空分布特征的重要數據來源之一。田曉瑞等[4]根據1992—2005年西藏藏族自治區森林火災統計數據，分析了森林火災發生的時空規律。Vega等[5]根據瑞士聯邦森林、雪和景觀研究所提供的林火統計資料，分析了瑞士提契諾州1969—2008年森林火災的分布狀況。但是，林火統計數據通常難以獲取，且在數據的完整性和時空明細性方面有限。相比之下，遙感數據（如MODIS 、LANDSAT、Quick Bird等）具有更新速度快、空間分辨率高、覆蓋范圍廣等特點，成為林火研究的基礎數據源之一。其中，MODIS數據因其具有全球免費、光譜范圍廣、數據接收簡單等優勢，被廣泛應用于火點的檢測、識別、提取以及火災面積評估和火災時空分布研究[6-8]。

目前，國內對林火的研究主要集中在寒溫帶針葉林區[9-10]，而亞熱帶常綠闊葉林區林火的研究有待加強。柳生吉等[11]采用廣義線性模型和最大熵模型對黑龍江省林火空間分布進行模擬。馬楠楠等[12]利用Arc GIS10.2等工具對呼瑪縣森林火災發生的時空分布規律以及火源類型進行了研究。在寒溫帶針葉林區，森林植被空間分布的連續性高（如集中成片分布），人口密度低，且道路網絡不發達，林火多為雷擊火。相比之下，亞熱帶常綠闊葉林分布較散，林區人口密度高，道路網絡發達，林火主要是人為火。雖然亞熱帶常綠闊葉林區火燒面積通常較小[13]，但林火發生頻率高，且大多分布在人口較為密集的區域，對社會經濟（農田、房屋燒毀）以及空氣質量等的影響較大。因此，開展亞熱帶常綠闊葉林區林火的研究，對充分理解全國尺度上林火發生的時空格局特征具有重要意義。

江西是我國亞熱帶常綠闊葉林典型林區之一，林火發生頻率高。1950—2010年共發生林火41 846次，面積約98萬hm2（約占全省林業用地面積9.0%），分別位列全國第8、9位[14]。江西是首批被列入國家生態文明試驗區的省份之一，要打造美麗中國“江西樣板”，實現2020年全省森林覆蓋率穩定在63%。因此，研究江西省林火時空規律對維護區域森林生態系統健康，穩定森林覆蓋率和保障人民群眾生命財產安全具有現實意義。本研究基于MODIS火產品數據（MCD14ML），提取了江西省2001—2015年的森林火點，研究江西省森林火點時間分布特征（年際、季節、月際變化）、空間分布（空間聚集性）特征、時空結合的聚集性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

江西省位于長江中下游南岸（2 4°07′～29°09′N，114°02′～117°97′E），境內東、西、南三面環山，北部較為平坦，中部以丘陵為主，屬中亞熱帶溫暖濕潤氣候，年均溫16.4～19.8℃，年均降水量1 340～1 930 mm。據2017年中國統計年鑒顯示，到2016年底，江西省森林面積共1 001.81萬hm2，森林覆蓋率為60.01%，居全國第2位；主要植被類型有針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、常綠落葉闊葉混交林、竹林、矮林和灌叢等。設區市森林覆蓋率由大到小依次是贛州市（76.24%）、吉安市（67.61%）、萍鄉市（66.02%）、景德鎮市（65.07%）、撫州市（64.54%）、上饒市（61.67%）、鷹潭市（57.38%）、宜春市（56.97%）、新余市（56.49%）、九江市（54.92%）、南昌市（21.96%）。

1.2 數據來源

江西省2001—2015年MODIS動態火產品數據—MCD14ML（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。該數據是MODIS的L3級，空間分辨率為1 km的全球每月火災位置產品，記錄了火點時間、經緯度、可信度等。可信度分為3個等級：低（0～30%）、中（30%～80%）、高（80%～100%）。為減少誤差，本研究選取了可信度＞80%的火點。

2001年中國土地覆蓋數據（http：//westdc.westgis.ac.cn/）的空間分辨率為1 km，共17個分類系統。本研究對象是森林火點，因此，只提取了前5個代表林地的土地類型：常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林。

1.3 MCD14ML產品介紹

MODIS火產品為解決生物質燃燒在地球系統中的作用提供了幫助，同時在社會和文化分析方面也具有實用性[15]。該產品的算法使用來自MODIS 4-和11-Am信道的亮度溫度[16]。MCD14ML數據是綜合了Terra 和Aqua的監測結果，并基于MOD/MYD14產品制作的以月為單位合成的1 km分辨率L3火災位置產品，主要包含地理位置、日期及傳感器檢測到的單個火災像素的附加信息。

1.4 數據處理與統計分析

MODIS火點數據處理，主要包括投影轉換、林地信息提取等。對預先處理的影像進行二值化處理，采用ArcGIS空間分析技術，進行重分類等，得到各月份、年份的林火點位。建立火點點狀圖層，再與具有相同投影坐標系的江西省行政區圖和土地覆蓋圖疊加，提取落在不同區市和不同植被類型上的火點。

從空間、時間、時空3個方面對江西省林火時空特征進行統計分析。

1.4.1 空間分布特征 利用ArcGIS軟件中的空間分析工具Getis-Ord-Gi*統計識別林火熱點和冷點在空間上分布的位置，熱點和冷點區域發生的概率都被劃分為3類，分別是90%、95%、99%[17]。

式中，xj為要素j的屬性值，wij為要素i和要素j之間的空間權重，n為要素的總和。

聚類的程度由產生的z得分和P值確定，z得分為正且越高，則表示高值空間聚類（熱點）越強；若z得分為負且越低，表示低值空間聚類（冷點）越弱；z得分接近零，表示不存在明顯的空間聚類[18]。

1.4.2 時間分布特征 利用Excel軟件對江西省2001—2015年林火數據的年際、季節和月份變化特征進行統計。

1.4.3 時空聚集性特征 為識別火點時空相結合的分布模式是聚集、分散還是隨機，采用基于信息熵的時空點模式分析理論，對江西林火分布模式進行分析。將空間位置信息與時間信息結合，用信息熵度量空間最鄰近的時間距離分布的不確定性。不確定性越小則信息熵越小，數據的聚集程度越高[19]。信息熵計算公式如下：

式中，k為區間單元個數，Ci為第i個區間的對象數目，N為點對象的總數。NI（Normalized Index）取值為[0，1]，NI值趨近于0時，為隨機分布，NI值越大，則聚集程度越大。

2 結果與分析

2.1 江西省林火空間分布特征

圖1 2001—2015年江西省森林火點分布

江西省森林火點分布的總體格局為南多北少，部分地區火點較為密集（圖1）。贛州的火點個數最多，15年共累計火點2 217個，約占總個數的39%。其余依次是吉安市1 318個、撫州市754個、上饒市371個、九江市327個、景德鎮市247個、宜春市198個、萍鄉市141個、新余市64個、鷹潭市58個、南昌市7個（圖2）。林火發生密度較高的是吉安市、贛州市和撫州市，較低的是上饒市、宜春市和南昌市。利用熱點分析方法，得出江西省林火空間分布有3個較大的獨立熱點區，主要分布在贛州市西南部、吉安市西北部和撫州市南部（圖3，封二）。

圖2 2001—2015江西省各市森林火點分布

圖3 2001—2015年江西省林火熱點分布

2.2 江西省林火時間分布特征

2001—2015年江西省森林火點共5 702個，年均380個（圖4）。火點數最多的年份為2008年，占總火點數的14.77%；最少的為2002年，占總數的0.77%。森林火點數年際變化分為兩個階段：2001—2008年（共計火點2 640個）是上升階段，年際波動較大，峰值出現在2004年（462個），占該階段總數的17.5%；2008—2015年（共計火點3062個）是下降階段，年際波動較小，峰值出現在2008年（842個），約占該階段總數的27.5%。

圖5表明，江西省2001—2015年森林火點有明顯的季節性，主要集中在冬、春兩季。冬季火點最多，共3 398個，約占總數的60%；春季次之，共1 296個，占總數的22.73%；秋季較少，共916個，占總數16.06%；夏季最少，共有火點92個，占總數的1.61%。

圖4 2001—2015年江西省森林火點數

圖5 2001—2015年江西省春、夏、秋、冬森林火點統計

從圖6可以看出，15年來江西省森林火點個數月際間的波動較大。高發的月份是2月和1月，分別發生1 315、1 101個，占火點總數的23.06%、13.31%；其次是12月和3月，分別發生982、974個，占總數的17.22%、17.08%；林火低發月份是6月，共發生7個，占火點總數的0.12% 。高發月份和低發月份之間的火點數相差高達1 308個。

圖6 2001—2015年江西省各月森林火點統計

2.3 江西省林火時空聚集性

江西省林火發生的信息熵N I值均在0.3～0.4之間（圖7）。由此判斷江西省2001—2015年森林火點在時空分布上為聚集模式，且聚集程度較高。對江西省11個市的NI值進行計算，得出在區域小尺度范圍上，表現為較高時空聚集模式的主要是贛州、景德鎮和吉安（圖8）。

圖7 江西省林火火點數據的K區間劃分對應的NI值

圖8 江西省11個市林火發生的NI值

3 結論與討論

本研究結果表明，2001—2015年江西省林火發生的空間差異大，南部明顯多于北部。其中，地處贛中南的贛州市、吉安市的火點較多，贛中北的南昌市最少。這是因為贛州市位于江西南部，森林覆蓋率（76.2%）遠高于北部地區，且多為闊葉林，地表枯枝落葉多。而南昌市位于江西中北部，城市化水平高，森林覆蓋率低，因此火點相對較少。進一步分析發現，林火密度與林火發生個數不呈正相關關系。例如，吉安市的火點數和林地面積均低于贛州市，但林火發生的密度最高，說明吉安市林火發生狀況較為嚴重，同樣需要加強這一地區的森林防火工作。

林火發生的年際波動較大，在2004、2008年出現兩個高峰值，這可能與歷史氣候環境有關聯。2004年出現第1個林火發生高峰是因為2003年江西省遭遇了特大干旱天氣。2003年7～12月雨量之少居歷史第一位，導致2004年出現最高干旱指數，蒸發量大，森林可燃物干燥，極易誘發林火的發生。2008年出現第2個高峰值，與2008年我國南方遭受冰雪凍害有關。冰凍雪害后，森林火災呈現集中暴發的態勢，林區的道路，森林防火設施包括瞭望臺、通訊設施等都受到很大程度的損壞[20]。江西省是該年冰凍災害重災區之一，大面積的森林遭受機械損傷，大量的枯枝落葉為林火的發生提供了豐富的可燃物[21]，引發了高頻率的次生火災害[22]。

林火發生季節差異明顯，冬、春兩季最多，秋季次之，夏季最少。冬季受北方冷空氣的影響，江西省氣候寒冷、干燥，且多大風，加劇林火的發生和蔓延；春季氣溫升高，為給春耕作準備，開始燒荒整地，且多為林農間種[23]，加之清明節上墳燒紙的影響，林火發生頻率高。因此要加強冬、春季森林的防火力度，尤其是在高發的1、2月份。這與我國北方林火發生的季節性分布有一定的區別。我國北方針葉林地區，如黑龍江[24]、內蒙古[25]等，林火的發生集中在春、秋兩季。這是因為北方春季氣溫回升，積雪消退，大量枯草露出，為林火發生提供了豐富的可燃物；秋季氣溫回落，植被生長期結束，林木枝葉開始枯黃，大量枯枝落葉堆積地表，易引發森林火災。

江西省林火時空分布在總體上表現為高度聚集模式，但聚集性強弱有地域差異性。其中，聚集性強的主要分布在森林覆蓋率較高的贛中南地區。這類地區火點的發生在時間和空間上都表現為聚集模式，林業部門需要加強對林火的監測管理，做好清林工作，增強防火宣傳力度，對不同的時間段和地區采取針對性措施。同時，林火是諸多自然和人為因素綜合作用的結果，為了能夠系統地對林火進行研究，今后需要結合地形、氣候等因子做更細致深入研究。例如，對江西省未來氣候變化情景下的火點進行時空預測，從而對江西省的林火管理提供科學依據和數據支撐。