近年来, 野火成为一种严重威胁生态环境和资源的重要灾害。解决这一问题, 首先需要了解可燃物状况。可燃物类型是描述可燃物状态的基本概念, 通常用于森林火险等级系统火行为模型的基本输入因子。可燃物类型是一组易于识别的不同可燃物种类、形状、大小、排列或其他特征的可燃物要素组合, 用来预测在一定天气条件下火烧蔓延速率和控制火烧的难易程度(National Wildfire Coordinating Group, 1996; Canadian Interagency Forest Fire Centre, 2002)。具体地说, 一种可燃物类型就是一个可燃物复合体, 具有充分的同质性并且具有足够大的面积可以维持稳定的火行为(Forestry Canada Fire Danger Group, 1992)。可燃物类型和地形、小气候条件一样是制定林火管理计划时需要考虑的最重要因子(Keane et al., 2001)。可燃物分类是一项很困难和复杂的过程, 要求熟悉遥感影像分类、火行为、可燃物模型、生态学和地理信息系统分析等方面的知识, 当前还没有一个能为所有用户提供令人满意的结果的分类方法(Trabaud, 1999), 目前大多采用具有不同光谱信息的航片或卫片进行可燃物分类。

制取可燃物图有4种主要方法: 1)野外踏查; 2)直接制图; 3)间接制图; 4)梯度模型(Keane et al., 2001)。可燃物状况会随着时间发生变化, 这就要求进行大量的野外调查对可燃物图进行更新, 否则就限制了它的实用性。卫星遥感技术是获得可燃物数据的一个重要方法, 与传统的航空遥感或野外调查方法相比经济成本大大降低, 覆盖的空间面积大, 并且有高的时间分辨率, 可以及时更新可燃物图(Oswald et al., 1999)。另外, 卫星传感器提供的数字信息可以容易地用于GIS分析, 可以快速输入到火行为和火增长模型中。应用遥感数据进行植被分类和制图正在成为可燃物评估的基本方法。

本文的目的是利用北京市土地利用图和Landsat TM影像, 采用监督分类方法对植被进行分类, 划分可燃物类型, 制得可燃物分布图, 用于北京市的森林火险等级预报, 这也是未来发展森林火险等级系统和火行为预报系统的基础。

1 地区概况和方法 1.1 地区概况

北京位于华北平原的西北端, 115° 20′—117° 30′E, 39° 28′—41° 05′N, 总面积16 807 km²。北京市周围山系属燕山和太行山2个山系, 山区占总面积的62 %。地势西北高, 东南低。一般山区海拔500~800 m; 丘陵区为200~300 m(北京林业志编委会, 1993)。北京市有森林面积69.53万hm², 地带性植被为暖温带落叶阔叶和常绿针叶林。该地区的原始森林植被基本被破坏殆尽, 经过近50年的封山育林和大力植树造林, 植被得到了更新和恢复, 形成了针、阔叶人工林与大量天然次生植被类型镶嵌状分布。自然植被多为松栎林、杨桦林或灌丛草本群落。森林植被的特点是天然次生林和人工林多, 防护林多, 中幼林比重大。北京的气候属暖温带半湿润大陆性季风气候, 气候特点是冬季寒冷干燥, 夏季炎热多雨, 春季干旱多风。因此, 每年的10月到翌年的5月底是防火期。林火主要是人为引起的, 火灾类型主要是地表火。林火多发生在近山、浅山地区。

1.2 方法

采用的数据有1:10万北京市土地利用图、Landsat TM影像(2000年4月30日)和森林资源清查数据。数据处理方法主要有以下几个步骤: 1)对卫星图像进行过地面和几何校正; 2)利用土地利用图划分城市与居民区、农田、灌木、森林、草地、水和其他用地; 3)根据研究地区森林的燃烧特点, 把森林划分为针叶林、阔叶林和针阔混交林3类; 4)根据可燃物的分类方法, 制取可燃物图。图像分类过程如图 1所示。

2 结果与分析 2.1 可燃物分布图

土地利用图和卫星影像不能分别出具体的树种, 考虑到北京地区的森林类型和火行为特征相对比较简单, 所以, 根据现有资料只把森林划分成针叶林、针阔混交林和阔叶林3个可燃物类型。郁闭度>40 %、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地划为S-1, 根据盖度把草地划分成O-1(覆盖度在5 %~50 %)和O-2(覆盖度>50 %)。未成林造林地、迹地、苗圃和疏林地(郁闭度10 %~30 %)的可燃物火行为特征与灌丛基本类似, 所以定义为S-2。森林的垂直结构对火行为影响很大, 梯状可燃物的存在与否影响到地表火是否容易发展成为树冠火。由于根据卫星影像很难区分出林下是否有灌木层, 详细的可燃物分类还需要大量的地面调查资料。由于火险等级预报主要是根据天气因子进行预报, 再对不同的可燃物类型进行火行为预测, 所以, 这样的可燃物分类结果能够满足当前火险等级预报的需要。本文具体采用的可燃物分类原则见表 1。利用Arcinfo 8.3对不同的可燃物分类图层进行合并, 生成北京市的可燃物分布图, 分类结果见图 2。

2.2 各类可燃物的特征描述

根据对各类可燃物类型的地面调查和火行为分析, 分别对北京市各类可燃物的特征进行具体描述。

2.2.1 O-1草地(低盖度)和O-2草地(高盖度)

这类可燃物类型的特征是主要有草本覆盖, 偶尔有灌木或灌丛出现, 但不明显影响火行为特征。北京地区的草地类型主要有白羊草(Bothriochloa ischaemum)草丛、野青茅(Clamagrostis arundianacea)草甸、大齿山芹-梅花草-日本乱子草(Ostericum grosseserratum-Parnassia palustris-Muhcenbergia japonica)草甸、远东芨芨草-红柴胡-拳参(Achnatherumext remiorientale-Bupleurum scorzonerifolium-Polygonum bistorta)草甸等类型, 主要分布在沟谷和亚高山部分地段。根据覆盖度的不同将草地划分为2类, 草本盖度在5 %~50 %, 植被较稀疏, 定义为可燃物类型O-1, 草本盖度大于50 %, 植被生长茂密, 定义为O-2。草本平均高度和疏密度影响草地的火行为。O-1植被稀疏, 容易发生地表火, 但火烧蔓延速度慢; 而O-2容易发生连续的地表火烧, 火蔓延速度快, 火强度低或中等。

2.2.2 C-1针叶林

针叶林包括寒温性针叶林和温性针叶林, 以人工林为主, 有部分天然次生林, 天然林比较少见。人工针叶林的特征是纯林、林冠郁闭, 没有明显的下木层或灌木层。林地覆盖物主要是针叶凋落物, 腐殖质层薄(不超过10 cm)。林冠的枝下高度影响火蔓延速度和树冠火的形成。北京地区常见的针叶林有:华北落叶松(Larix principis)人工林, 主要分布在山坡上部阴坡或半阴坡; 侧柏(Platycladus orientalis)林, 主要分布在阳坡、半阳坡; 油松(Pinus tabulaeformis)林, 在阴坡、半阴坡有大面积分布。有些早期的人工林, 现在呈现为半天然状态。林中乔木层有少量栎树, 如栓皮栎(Quercus variabilis), 蒙古栎(Quercus mongolica), 有的林分有明显林下植被, 有灌木和草本分布。这些空间可燃物的存在, 有利于地表火向树冠火的蔓延。

2.2.3 B-1阔叶林

这类可燃物的特征是阔叶纯林, 常伴有发育良好的灌木层。火烧多发生在春季发芽前或秋季阔叶后, 以地表火为主, 火消耗的可燃物主要是阔叶树凋落物和枯死的草本, 在干燥的防火期内林地腐殖质也可能成为有效可燃物。北京地区常见的阔叶林有蒙古栎、栓皮栎、山杨(Populus davidiana)、白桦(Betula platyphylla)、北京杨(Populus×beijingensis)等天然次生林或人工林。天然次生林多分布在阴坡、半阴坡, 林下灌木层以荆条(Vitex negundo var. heterophylla)、三裂绣线菊(Spiraea fritschiana)、多花胡枝子(Lespedeza floribunda)等为主, 草本植物主要有北京隐子草(Cleistogenes squarrosa)、半夏(Pinellia ternata)、地黄(Rehmannia glutinosa)、紫花地丁(Violae phillica)、茜草(Rubiae cordifolia)、苦荬菜(Ixeris denticulata)、南蛇藤(Celastrus orbiculatus)等, 盖度一般在70 %以上。人工林则主要分布在居民区附近的沟谷, 林下灌木和草类较少。

2.2.4 M-1针阔混交林

这类可燃物以针叶树种和阔叶树种不同比例的混交为特征, 主要树种有油松、华北落叶松、蒙古栎、栓皮栎、山杨、白桦等树种。北京地区的针阔混交林以松栎混交林为主。除了树种组成变化, 针阔混交林在结构和发育程度上也有很大变化, 但通常分布在立地条件较好的地段。随着季节变化(树木生长期), 林分燃烧性发生变化。夏季, 林冠层和林下阔叶树种有叶片, 火蔓延速度大大降低, 最高的火蔓延速度只发生在春季阔叶树萌芽前或秋季相似的火烧条件下。火烧类型和蔓延速度与针阔叶树种组成比例相关。

2.2.5 S-1灌木林

这类可燃物的主要特征是郁闭度>40 %、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地, 主要树种包括二色胡枝子(Lespedeza bicolor)、山杏(Armenica sibirica)、榛子(Corylus chinensis)、三裂绣线菊、荆条、酸枣(Ziziphus acidojujuba)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、黄栌(Cotinus coggygria)等。火烧多发生在春季萌芽前或秋季落叶后, 有效可燃物主要有地表凋落物和直接暴露在风和阳光下的草本组成, 在春季腐殖质层有常常因为含水率低而成为有效可燃物。北京地区常见的灌丛有荆条灌丛、绣线菊(Spiraeat rilobata)灌丛、照山白(Rhododendron micranthum)灌丛、平榛(Corylus heterophylla)灌丛、毛榛(Corylus manshurica)灌丛、胡枝子(Lespedeza bicolor)灌丛、大果榆-山杏(Ulmus macrocarpa _Armeniaca vulgaris)灌丛。灌草丛主要有荆条-白羊草群丛、荆条-矮丛苔草+猪毛蒿(Carex pumila+ Artemisia scoparia)群丛、荆条-北京隐子草群丛、胡枝子+荆条-矮丛苔草群丛、荆条+三裂绣线菊-矮丛苔草群丛等。灌草丛是森林或次生灌丛经反复砍伐后, 导致土壤日益贫瘠, 生境趋于干旱造成的(李清河等, 2002)。灌草丛的枯落物较多, 有效可燃物多, 容易发生中高强度火烧。

2.2.6 S-2幼林等

这类可燃物的主要特征是未成林地, 郁闭度10 %~30 %, 主要造林树种是油松、侧柏和少量阔叶树种, 山杏、黄栌。由于造林整地破坏了原有植被, 可燃物的不连续分布是这类可燃物的一个主要特征。地表可燃物载量比S-1少, 主要地表可燃物是灌木(荆条、酸枣、胡枝子等)落叶和草本(白羊草、苔草), 腐殖质层也呈不连续分布。春季和秋季易发生地表火, 但蔓延速度和火烧强度比S-1降低。

3 结论与讨论

利用土地利用图和TM遥感影像把北京地区的森林可燃物分成6类, 即O-1草地(覆盖度在5 %~50 %)、O-2草地(覆盖度>50 %)、S-1灌丛、S-2幼林、C-1针叶林、M-1针阔混交林和D-1阔叶林。由于TM卫星影像分辨率的限制, 很难分辨出林分垂直结构的差异。本文的分类结果, 基本可以满足森林火险等级预报的需要。但对于进行火行为预报来说, 这个分类结果还不够详细, 特别是对针叶林需要根据林分燃烧性、林分垂直结构及可燃物分布状态进一步分类。

可燃物分类是建立火险等级系统和进行火行为预报的基础, 许多国家很早就完成了可燃物分类的工作。例如, 加拿大森林火险等级系统(CFFDRS)包括2个主要子系统, 加拿大火险天气指标(FWI)系统(Canadian Forest Service, 1987)和加拿大林火行为预报(FBP)系统(Forestry Canada Fire Danger Group, 1992), FWI只采用了一种可燃物类型进行火险预报, FBP系统包括5组(针叶林, 阔叶林, 混交林, 采伐迹地和草地)共16个可燃物类型(Forestry Canada Fire Danger Group, 1992)。美国的国家火险等级系统采用一系列的可燃物模型来描述可燃物床的特征, 作为运行Rothermel火蔓延模型的输入因子(Rothermel, 1972)。可燃物模型把主要的可燃物类型分成4个植被组, 草地、灌木、森林和采伐迹地。这4个植被组进一步细分为20个具体的可燃物模型用于火险等级预测, 每个可燃物模型具有不同的参数用于火行为的计算。火行为预测系统对20个可燃物模型进行了整合形成13个可燃物模型(Anderson, 1982)。希腊把可燃物分成7个类型(Giakoumakis et al., 2002), 分别是: 1)地表可燃物, 包括农田和草地; 2)低矮灌木, 包括草地、低矮灌木(30~60 cm), 也包括采伐迹地; 3)中等灌木林, 包括中等到大型的灌木(0.60~2.0 m)盖度可能大于50 %, 也包括新恢复的自然或人工植被; 4)高的灌木林, 包括高的灌木(>2.0 m)和人工幼林; 5)没有下木的森林, 包括采用机械或化学的方法清理了下层林木的森林; 6)有中等下木的森林, 林冠远远高于下层植被; 7)有高且稠密下木的森林, 林冠和下木层之间没有间隙或间隙很小, 有可燃物梯, 容易发生高强度树冠火。澳大利亚的火险等级系统采用了3类可燃物类型:草地、桉树(Eucalyptus spp.)林和石楠(Erica spp.)树丛灌木(Cheney, 1992), 采用草地火险尺和森林火险尺来预测火险和火行为。我国也急需开展全国森林可燃物的分类研究, 为建立国家火险等级系统奠定基础。

目前, 国外普遍采用的可燃物图多是根据土地利用图和遥感影像制取。加拿大火险等级预报系统采用的可燃物图就是来源于根据卫星影像数据制取的土地分类图, 该土地分类图采用的是1988—1991年获得的NOAA—AVHRR数据, 该土地分类图也没有划分针叶林种, 因此, 这种可燃物图用于描述可燃物概况和大尺度火险预测。Sebastián-López等(2000)根据欧洲自然植被图和土地利用图制取的欧洲可燃物图已经用于欧洲大尺度的林火管理。van Wagtendonk等(2000)为了改善单一图像制图的缺点, 根据植物的季节变化特点, 采用多时相Landsat TM影像来确定可燃物类型, 提高了可燃物分类的精度。未来可以考虑采用高分辨率卫星遥感数据(如Quick bird卫星遥感资料)或航片进行更加详细的可燃物分类, 特别是区分可燃物垂直结构的变化, 用于火行为预报系统的建立。