基于MODIS数据的2001—2015年江西省林火时空特征分析

顾先丽，吴志伟，张宇婧，闫赛佳，付婧婧

（1.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022；2.江西师范大学地理与环境学院，江西 南昌 330022）

森林生态系统受各种自然和人为因素的干扰[1]。其中，林火是最重要的干扰因子之一[2]，影响森林景观的结构和功能。单一次的林火发生可能被视为随机事件，但是在景观乃至区域尺度上林火的发生与分布不是完全随机的，而是呈现一定的时空分布特征[3]。因此，分析林火时空特征对合理分配林火管理资源、维持森林生态系统健康至关重要。

历史统计数据是研究林火时空分布特征的重要数据来源之一。田晓瑞等[4]根据1992—2005年西藏藏族自治区森林火灾统计数据，分析了森林火灾发生的时空规律。Vega等[5]根据瑞士联邦森林、雪和景观研究所提供的林火统计资料，分析了瑞士提契诺州1969—2008年森林火灾的分布状况。但是，林火统计数据通常难以获取，且在数据的完整性和时空明细性方面有限。相比之下，遥感数据（如MODIS 、LANDSAT、Quick Bird等）具有更新速度快、空间分辨率高、覆盖范围广等特点，成为林火研究的基础数据源之一。其中，MODIS数据因其具有全球免费、光谱范围广、数据接收简单等优势，被广泛应用于火点的检测、识别、提取以及火灾面积评估和火灾时空分布研究[6-8]。

目前，国内对林火的研究主要集中在寒温带针叶林区[9-10]，而亚热带常绿阔叶林区林火的研究有待加强。柳生吉等[11]采用广义线性模型和最大熵模型对黑龙江省林火空间分布进行模拟。马楠楠等[12]利用Arc GIS10.2等工具对呼玛县森林火灾发生的时空分布规律以及火源类型进行了研究。在寒温带针叶林区，森林植被空间分布的连续性高（如集中成片分布），人口密度低，且道路网络不发达，林火多为雷击火。相比之下，亚热带常绿阔叶林分布较散，林区人口密度高，道路网络发达，林火主要是人为火。虽然亚热带常绿阔叶林区火烧面积通常较小[13]，但林火发生频率高，且大多分布在人口较为密集的区域，对社会经济（农田、房屋烧毁）以及空气质量等的影响较大。因此，开展亚热带常绿阔叶林区林火的研究，对充分理解全国尺度上林火发生的时空格局特征具有重要意义。

江西是我国亚热带常绿阔叶林典型林区之一，林火发生频率高。1950—2010年共发生林火41 846次，面积约98万hm2（约占全省林业用地面积9.0%），分别位列全国第8、9位[14]。江西是首批被列入国家生态文明试验区的省份之一，要打造美丽中国“江西样板”，实现2020年全省森林覆盖率稳定在63%。因此，研究江西省林火时空规律对维护区域森林生态系统健康，稳定森林覆盖率和保障人民群众生命财产安全具有现实意义。本研究基于MODIS火产品数据（MCD14ML），提取了江西省2001—2015年的森林火点，研究江西省森林火点时间分布特征（年际、季节、月际变化）、空间分布（空间聚集性）特征、时空结合的聚集性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西省位于长江中下游南岸（2 4°07′～29°09′N，114°02′～117°97′E），境内东、西、南三面环山，北部较为平坦，中部以丘陵为主，属中亚热带温暖湿润气候，年均温16.4～19.8℃，年均降水量1 340～1 930 mm。据2017年中国统计年鉴显示，到2016年底，江西省森林面积共1 001.81万hm2，森林覆盖率为60.01%，居全国第2位；主要植被类型有针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林、常绿落叶阔叶混交林、竹林、矮林和灌丛等。设区市森林覆盖率由大到小依次是赣州市（76.24%）、吉安市（67.61%）、萍乡市（66.02%）、景德镇市（65.07%）、抚州市（64.54%）、上饶市（61.67%）、鹰潭市（57.38%）、宜春市（56.97%）、新余市（56.49%）、九江市（54.92%）、南昌市（21.96%）。

1.2 数据来源

江西省2001—2015年MODIS动态火产品数据—MCD14ML（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）。该数据是MODIS的L3级，空间分辨率为1 km的全球每月火灾位置产品，记录了火点时间、经纬度、可信度等。可信度分为3个等级：低（0～30%）、中（30%～80%）、高（80%～100%）。为减少误差，本研究选取了可信度＞80%的火点。

2001年中国土地覆盖数据（http：//westdc.westgis.ac.cn/）的空间分辨率为1 km，共17个分类系统。本研究对象是森林火点，因此，只提取了前5个代表林地的土地类型：常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林。

1.3 MCD14ML产品介绍

MODIS火产品为解决生物质燃烧在地球系统中的作用提供了帮助，同时在社会和文化分析方面也具有实用性[15]。该产品的算法使用来自MODIS 4-和11-Am信道的亮度温度[16]。MCD14ML数据是综合了Terra 和Aqua的监测结果，并基于MOD/MYD14产品制作的以月为单位合成的1 km分辨率L3火灾位置产品，主要包含地理位置、日期及传感器检测到的单个火灾像素的附加信息。

1.4 数据处理与统计分析

MODIS火点数据处理，主要包括投影转换、林地信息提取等。对预先处理的影像进行二值化处理，采用ArcGIS空间分析技术，进行重分类等，得到各月份、年份的林火点位。建立火点点状图层，再与具有相同投影坐标系的江西省行政区图和土地覆盖图叠加，提取落在不同区市和不同植被类型上的火点。

从空间、时间、时空3个方面对江西省林火时空特征进行统计分析。

1.4.1 空间分布特征 利用ArcGIS软件中的空间分析工具Getis-Ord-Gi*统计识别林火热点和冷点在空间上分布的位置，热点和冷点区域发生的概率都被划分为3类，分别是90%、95%、99%[17]。

式中，xj为要素j的属性值，wij为要素i和要素j之间的空间权重，n为要素的总和。

聚类的程度由产生的z得分和P值确定，z得分为正且越高，则表示高值空间聚类（热点）越强；若z得分为负且越低，表示低值空间聚类（冷点）越弱；z得分接近零，表示不存在明显的空间聚类[18]。

1.4.2 时间分布特征 利用Excel软件对江西省2001—2015年林火数据的年际、季节和月份变化特征进行统计。

1.4.3 时空聚集性特征 为识别火点时空相结合的分布模式是聚集、分散还是随机，采用基于信息熵的时空点模式分析理论，对江西林火分布模式进行分析。将空间位置信息与时间信息结合，用信息熵度量空间最邻近的时间距离分布的不确定性。不确定性越小则信息熵越小，数据的聚集程度越高[19]。信息熵计算公式如下：

式中，k为区间单元个数，Ci为第i个区间的对象数目，N为点对象的总数。NI（Normalized Index）取值为[0，1]，NI值趋近于0时，为随机分布，NI值越大，则聚集程度越大。

2 结果与分析

2.1 江西省林火空间分布特征

图1 2001—2015年江西省森林火点分布

江西省森林火点分布的总体格局为南多北少，部分地区火点较为密集（图1）。赣州的火点个数最多，15年共累计火点2 217个，约占总个数的39%。其余依次是吉安市1 318个、抚州市754个、上饶市371个、九江市327个、景德镇市247个、宜春市198个、萍乡市141个、新余市64个、鹰潭市58个、南昌市7个（图2）。林火发生密度较高的是吉安市、赣州市和抚州市，较低的是上饶市、宜春市和南昌市。利用热点分析方法，得出江西省林火空间分布有3个较大的独立热点区，主要分布在赣州市西南部、吉安市西北部和抚州市南部（图3，封二）。

图2 2001—2015江西省各市森林火点分布

图3 2001—2015年江西省林火热点分布

2.2 江西省林火时间分布特征

2001—2015年江西省森林火点共5 702个，年均380个（图4）。火点数最多的年份为2008年，占总火点数的14.77%；最少的为2002年，占总数的0.77%。森林火点数年际变化分为两个阶段：2001—2008年（共计火点2 640个）是上升阶段，年际波动较大，峰值出现在2004年（462个），占该阶段总数的17.5%；2008—2015年（共计火点3062个）是下降阶段，年际波动较小，峰值出现在2008年（842个），约占该阶段总数的27.5%。

图5表明，江西省2001—2015年森林火点有明显的季节性，主要集中在冬、春两季。冬季火点最多，共3 398个，约占总数的60%；春季次之，共1 296个，占总数的22.73%；秋季较少，共916个，占总数16.06%；夏季最少，共有火点92个，占总数的1.61%。

图4 2001—2015年江西省森林火点数

图5 2001—2015年江西省春、夏、秋、冬森林火点统计

从图6可以看出，15年来江西省森林火点个数月际间的波动较大。高发的月份是2月和1月，分别发生1 315、1 101个，占火点总数的23.06%、13.31%；其次是12月和3月，分别发生982、974个，占总数的17.22%、17.08%；林火低发月份是6月，共发生7个，占火点总数的0.12% 。高发月份和低发月份之间的火点数相差高达1 308个。

图6 2001—2015年江西省各月森林火点统计

2.3 江西省林火时空聚集性

江西省林火发生的信息熵N I值均在0.3～0.4之间（图7）。由此判断江西省2001—2015年森林火点在时空分布上为聚集模式，且聚集程度较高。对江西省11个市的NI值进行计算，得出在区域小尺度范围上，表现为较高时空聚集模式的主要是赣州、景德镇和吉安（图8）。

图7 江西省林火火点数据的K区间划分对应的NI值

图8 江西省11个市林火发生的NI值

3 结论与讨论

本研究结果表明，2001—2015年江西省林火发生的空间差异大，南部明显多于北部。其中，地处赣中南的赣州市、吉安市的火点较多，赣中北的南昌市最少。这是因为赣州市位于江西南部，森林覆盖率（76.2%）远高于北部地区，且多为阔叶林，地表枯枝落叶多。而南昌市位于江西中北部，城市化水平高，森林覆盖率低，因此火点相对较少。进一步分析发现，林火密度与林火发生个数不呈正相关关系。例如，吉安市的火点数和林地面积均低于赣州市，但林火发生的密度最高，说明吉安市林火发生状况较为严重，同样需要加强这一地区的森林防火工作。

林火发生的年际波动较大，在2004、2008年出现两个高峰值，这可能与历史气候环境有关联。2004年出现第1个林火发生高峰是因为2003年江西省遭遇了特大干旱天气。2003年7～12月雨量之少居历史第一位，导致2004年出现最高干旱指数，蒸发量大，森林可燃物干燥，极易诱发林火的发生。2008年出现第2个高峰值，与2008年我国南方遭受冰雪冻害有关。冰冻雪害后，森林火灾呈现集中暴发的态势，林区的道路，森林防火设施包括瞭望台、通讯设施等都受到很大程度的损坏[20]。江西省是该年冰冻灾害重灾区之一，大面积的森林遭受机械损伤，大量的枯枝落叶为林火的发生提供了丰富的可燃物[21]，引发了高频率的次生火灾害[22]。

林火发生季节差异明显，冬、春两季最多，秋季次之，夏季最少。冬季受北方冷空气的影响，江西省气候寒冷、干燥，且多大风，加剧林火的发生和蔓延；春季气温升高，为给春耕作准备，开始烧荒整地，且多为林农间种[23]，加之清明节上坟烧纸的影响，林火发生频率高。因此要加强冬、春季森林的防火力度，尤其是在高发的1、2月份。这与我国北方林火发生的季节性分布有一定的区别。我国北方针叶林地区，如黑龙江[24]、内蒙古[25]等，林火的发生集中在春、秋两季。这是因为北方春季气温回升，积雪消退，大量枯草露出，为林火发生提供了丰富的可燃物；秋季气温回落，植被生长期结束，林木枝叶开始枯黄，大量枯枝落叶堆积地表，易引发森林火灾。

江西省林火时空分布在总体上表现为高度聚集模式，但聚集性强弱有地域差异性。其中，聚集性强的主要分布在森林覆盖率较高的赣中南地区。这类地区火点的发生在时间和空间上都表现为聚集模式，林业部门需要加强对林火的监测管理，做好清林工作，增强防火宣传力度，对不同的时间段和地区采取针对性措施。同时，林火是诸多自然和人为因素综合作用的结果，为了能够系统地对林火进行研究，今后需要结合地形、气候等因子做更细致深入研究。例如，对江西省未来气候变化情景下的火点进行时空预测，从而对江西省的林火管理提供科学依据和数据支撑。