基于遙感技術的新疆巴州火點的特征及其成因分析

摘 要：通過對遙感影像解譯和數據分析，獲得了巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱巴州）近10年火點的時空分布特征及變化趨勢，月際變化3月份火險頻次最多，12月份最少；季節變化春季最多，冬季最少，年際變化整體呈現波動減少趨勢，遞減99次/a左右，在2015年有一個突變點，且通過了0.05的顯著性檢驗；地域變化上和靜縣境內發生火險頻次最多，若羌最少；區域變化上北部最多，南部最少，中部位于其次，歷年著火面積亦呈現減少的趨勢。

關鍵詞：巴州；遙感；火點；特征；成因

中圖分類號：X87 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

近年來，森林草原火災頻發，令人擔憂。火災不僅會破壞自然生態，還會危及人民生命財產安全。因此，掌握當地火險時空分布及火險類型，建立火險預警系統提前預警，預防火災事故，顯得尤為重要[1-2]。隨著遙感技術的不斷發展，其在環境監測、生態保護、氣候變化等領域的應用日益廣泛，特別是在火點監測方面[3-5]。遙感技術具有實時性、準確性、大范圍等優勢，對于火點時空分布特征的分析具有重要意義[6-7]。巴州是中國西部重要的生態屏障，為典型的山地風景區，森林草原較多，屬火災高發區。本文以該地區為研究對象，利用遙感技術對火點時空分布特征進行分析，以期為該地區的火點監測和預防提供科學依據。

1 巴州下墊面植被的分布概況

巴州位于新疆維吾爾自治區東南部，東鄰甘肅、青海，南倚昆侖山與西藏相接，西連新疆和田、阿克蘇地區，北以天山為界與伊犁、昌吉、烏魯木齊、吐魯番等地州市相連。該州總面積4 715萬 hm2，占新疆總面積的1/4，是我國面積最大的地級行政區，被譽為“華夏第一州”。巴州下轄庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣、若羌縣、且末縣、焉耆縣、和靜縣、和碩縣、博湖縣共八縣一市，州府設在庫爾勒市。受氣候和地理環境的影響，巴州境內主要有以下4種植被：（1）沙漠植被，分布在塔里木盆地邊緣和沙漠地區，由于水分蒸發較快，植被分布較少，主要是一些耐旱的植物；（2）草原植被，分布較廣，南北部山區及平原地帶均有；（3）山地植被，分布在天山山脈和昆侖山脈地區；（4）濕地植被，分布在一些河流、湖泊和沼澤地區。總的來說，巴州的植被分布呈現出多樣化、復雜化的特點，主要受到氣候、地理環境和人類活動的影響，且全州的林地、草地和耕地主要分布在南北部山區及沿塔里木河兩岸中下游地區。

2 火情遙感監測原理

2.1 火點的判識

火點屬于高溫目標，其遙感影像特征識別建立在普朗克定律、維恩位移定律、斯特藩-玻爾茲曼定律基礎之上[8]。但他們都只是對于絕對黑體才是正確的。本文所研究的高溫目標是基于理想化模型所開展的。

維恩位移定律表述如下：

λmax×T=2897.8 μm×K

從上式可知，黑體輻射能力最大值所對應的波長λmax與其絕對溫度T呈反比，物體的溫度越高所對應的輻射波長就越短。一般情況下，紅外波段的通道適用于火情監測，紅外通道探測到的是物體的輻射強度，由斯特藩-玻爾茲曼定律：E=σ×T4可知，其中σ=5.6704×10-8 W·m-2·K-4，物體的輻射能力E與其絕對溫度T的4次方呈正比。物體的溫度越高輻射能力就越強，反之亦然。反映在衛星圖像上是溫度越高顏色越深。

2.2 過火面積的估算

林草地火災發生后，下墊面光譜特征與火災發生前相比會發生明顯的變化，由于地物部分或者全部被火燒毀，地物顏色將變深變暗，從而導致在可見光波段的光譜反射率明顯下降。經過分析，采用森林火災前后歸一化植被指數NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的變化來建立過火面積估算模型，并通過統計分析確定面積估算的量化判識指標，繼而對比火災前后的植被覆蓋狀況，估計其過火面積[9]。

歸一化植被指數NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）。NIR和R代表近紅外與紅光波段的反射率。針對MODIS影像數據來說，NDVI=（Band2-Band1）/（Band2+Band1），通過波段運算即可得出。

3 數據和方法

為了確保資料的完整性和時間序列的代表性，剔除無效的數據和時間，通過對遙感影像解譯和數據分析，最后獲得數據序列和衛星遙感火點資料為2013年1月1日至2022年12月31日，共計10年的完整歷史數據序列。

先對歷史火點資料按八縣一市、年、月際進行分類，統計各地區發生火點的歷史狀況，并進行一元線性回歸擬合，分析其變化趨勢和特征；按林地、草地、耕地和其他等4種著火類型進行歸類，然后對其進行變化趨勢分析和時空特征分析。

4 結果與分析

4.1 時間分布特征

為了分析巴州地區八縣一市近10年每月的火險發生頻次特征，把數據按年、月進行歸類并整理。

從圖1可以發現，每年的3月份火險發生頻次最高，為1 982次，占全年的19.0%，12月份發生頻次最低，為112次，占全年的1.1%。從季節變化來看，春季最高，為3 872次，占全年的37.2%，秋季次之，為2 971次，占全年的28.5%，冬季最低，為814次，占全年的7.8%。

從圖2可以看到，全州火險頻次在2013—2022年整體呈現波動減少的趨勢，2013年火險頻次最大，為1 675次，2016年火險頻次最小，為661次。前3年（2013—2015年）處于火險頻次高發期，均超過1 000次，年均達到1 544次，中期3年（2016—2018年）處于火險頻次低發期，年均次數為791次，均在1 000次以下，后期4年（2019—2022年）亦處于火險頻次低發期，年均851次，僅2019年火險頻次為1 070次，其余年份亦在1 000次以下。從線性變化趨勢來看，火險頻次呈現整體減少的趨勢，大致每年遞減99次左右。

采用M-K（Mann-Kandell）趨勢顯著性檢驗法對2013—2022年火險頻次進行分析[10]，發現巴州火點在2015年有一個突變點，且該突變點在UF和UB之間，說明該突變點通過了0.05的顯著性檢驗，整體呈現下降趨勢。

通過以上分析，從時間上來看，火點主要集中在春季和秋季，夏季次之，冬季最少，這與該地區的氣候條件和植被覆蓋有關。

4.2 空間分布特征

按照八縣一市區域進行數據歸類，統計分析各個縣、市內近10年發生的火險頻次及其占總火險頻次的比例可以得出，和靜縣內發生的火險頻次最多，占比達到28%，其次是博湖縣占比達到20%，再次是庫爾勒市占比17%。3個縣市的火險頻次占比總和達到65%，火險頻次最少的是若羌縣，僅有2%。從地域范圍來看，北部區域即焉耆盆地占比57%為最多，中間區域即庫尉輪一帶占比為33%，位列其次，南部區域占比10%為最少。

根據火點發生地下墊面的屬性進行分類[11]，因巴州地區植被類型相對單一，為了便于統計，將下墊面屬性按照草地、林地、耕地和其他（荒漠、戈壁、工礦地、山地等）類型進行歸類，火險發生頻次最高的是草地，達到96%，其次是林地，達到3%，草地和林地發生的火險頻次占比達到99%，幾乎囊括了所有火險；耕地和其他類型的火點發生頻次僅占總火險頻次的1%。這與巴州地區的土地利用類型和人類活動有關。其中，南部山區的火點主要由自然因素引起，如雷擊和野生動物活動，北部和中部地區草原地帶的火點則主要由人類活動引起，如放牧和農業活動等。

根據衛星遙感著火面積的算法，對巴州地區2013—2022年近10年的著火面積進行了計算，并按年做了歸類整理，從中可以得出，前3年（2013—2015年）的著火面積占據總面積的53%，2014年的著火面積最大達到23%，后面連續7年的時間著火面積均在10%以下，最小年份2016年僅為5%。整體來說呈現明顯減少的趨勢。

5 成因分析

眾所周知，火災的發生一是人為造成的，二是自然造成的。人為因素包括煙頭、篝火、野外明火取暖等，自然因素包括雷電、火山噴發、物質的自燃等。了解火災的成因對于預防和減少火災的發生具有重要意義[12]。

在統計火點數據時，每個火點都有經緯度信息，把這些點用ArcGIS軟件疊加到巴州地區行政區域上，得到圖3。可以看出，巴州的火點主要分布在焉耆盆地及庫尉輪一帶，塔里木河流域附近，南部主要分布在車爾臣河流域。這些地點相對而言林地、草地和耕地植被覆蓋面積較大，人類活動較為集中。在塔克拉瑪干沙漠腹地有個集中火點，是塔中石油作業區，通過調查發現該地區的火點主要是人為因素造成的。人類把不用的廢氣或有害氣體點燃排放到空氣中，造成此處的像元溫度異常偏高而被看作是火點。南、北部山區的火點較少且分散，這里雖然植被覆蓋面積較大，但因人類活動較少或常年積雪覆蓋，火災發生頻次相對較低。

6 結論

利用遙感技術對新疆巴州地區2013年1月1日至2022年12月31日近10年火點的時空分布特征進行分析，獲得了較為準確和實時的火點數據。研究發現主要有以下結論：

（1）從月際變化來看，火點主要集中在每年的3月份，占比達到了19.0%，每年的12月份最少，僅占1.1%；從季節變化來看，春季發生火險頻次最高，占全年的37.2%，冬季最低，占全年的7.8%；從年際變化來看，全州火險頻次整體呈現波動減少的趨勢，2013年火險頻次最大，2016年火險頻次最小，大致每年遞減99次左右。前3年處于火險頻次高發期，中期3年和后期4年時間處于火險頻次低發期。

（2）從地區來看，全州八縣一市和靜縣發生火險頻次最高，占比28%，若羌最少，占比僅為2%；從地域范圍來看，北部區域即焉耆盆地占比最大，為57%，中間區域即庫尉輪一帶占比為33%，位列其次，南部區域占比最少，為10%。

（3）從火點的下墊面屬性來看，草地發生火險的頻次最高，達到96%，林地發生火險的頻次位列其次，為3%，兩者占比99%，幾乎囊括了所有火險；耕地和其他類型占比僅為1%。

（4）從著火面積來看，整體呈現下降趨勢，前三年著火面積達到總面積的53%，2014年著火面積最大為23%，2016年著火面積最小為5%。

（5）近10年巴州地區著火面積和頻次均呈現下降的趨勢。

未來，可以進一步拓展遙感技術在火點監測中的應用，如利用高分辨率影像和高精度算法提高火點識別精度，或結合其他數據源進行綜合分析等。此外，針對巴州地區獨特的自然環境和人類活動特點，可以開展更加深入的研究，例如，探討氣候變化對該地區火點的影響、火點與人類活動的相互關系等。

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基金項目：新疆巴音郭楞蒙古自治州科技局2021年開放基金項目“基于遙感技術構建巴州森林草原火險預警平臺的研究”（202115）。

作者簡介：趙戰成（1979—），男，河南民權人，副研級高級工程師，研究方向為氣候預測及遙感應用。#通信作者：武鵬飛（1977—），男，山東沂水人，副研級高級工程師，研究方向為環境遙感及氣候變化，E-mail：wpf7848@sina.com。