广西森林火险等级精细化监测与预报系统研究

熊文兵，罗永明，曾鹏，刘世学，袁丽军

（1.广西气象服务中心，广西南宁　530022；2.广西区气象减灾研究所，广西南宁　530022）

广西森林火险等级精细化监测与预报系统研究

熊文兵1，罗永明2，曾鹏1，刘世学1，袁丽军1

（1.广西气象服务中心，广西南宁530022；2.广西区气象减灾研究所，广西南宁530022）

利用GIS技术，结合卫星遥感产品、中尺度气象站监测数据和基础地理信息数据，基于Windows系统和C#、C++、JAVA及ASP技术，开发智能化、精细化的千米网格级森林火险等级监测预测系统，为林业防火提供一个全新的服务平台，发布更加客观、及时、精细化的火险等级产品及，能够明显提升气象部门森林火险等级监测与预报业务水平有着明显的帮助，对林业部门加强森林防护工作、提高森林防火业务能力有着积极的意义。

森林；火险等级；精细化；监测；预报；系统

广西地处热带、亚热带季风气候区，降水丰沛，热量充足，森林资源十分丰富，各种珍贵树种繁多，森林面积1252.50万公顷，居全国第六位，森林覆盖率达52.71%，居全国第四位［1］。森林火灾是指失去人为控制并对森林、财物和人身造成损失的森林燃烧现象［2］，是一种世界性的自然灾害，它分布广、发生频度高、破坏性大。近年来，由于气温升高，降水时空分布不均、人为因素等影响，广西频繁发生森林火灾，每年都发生几百起森林火灾，有时甚至造成人员伤亡事故，森林火灾给人民生命财产安全和生态环境造成巨大威胁［3］。干旱少雨以及高温危害，导致广西林区高火险持续，林火频发，森林防火形势严峻。自治区党委、政府领导历来非常重视旱情火情，近年来多次对防火工作作出重要指示，对森林火险等级监测与预报提出了更高的要求，迫切需要我们能够及时提供更加科学、精细化的实时监测预报服务产品。

国外在森林火险预报研究方面处于技术领先地位，20世纪初期，美国于1988年开发了“国家最新火险等级预报系统”［4，5］，该系统较全面考虑了气象、可燃物含水量和地形等因子的影响。20世纪二十年代末，加拿大开展火烧试验和森林火险预报方法研究，于1987年开发了“加拿大森林火险等级系统”［6］，此系统构建了森林可燃物含水率模型。韩国在近年来森林火险预报研究得到较快发展，在消化吸收美、加两国森林火险等级预报的成功做法的基础上，简化了可燃物类型和地形因子对森林火险等级预报的影响，研发了KFFDRI预报系统［7］。我国森林火险等级预报研究起步较晚，始于1955年。到目前为止，我国根据各地气象条件的差异性，已形成了如东北伊春林区的“多因子相关概率火险天气预报”等10多种火险天气预报方法［8］。其中，国家气象中心结合布龙-戴维斯模型［9］，利用特大森林火灾历史数据库对布龙-戴维斯模型进行了修正，计算未来1～5d森林火险天气综合指数。覃先林利用MODIS数据进行可燃物分类，开展全国森林火险等级预报模型的研究［10］。近年来，我国部分省市的研究者也开展了不少适用于地方预报模型和预报系统的研发，取得了不错的成果［11-16］。广西在该方面的研究起步较早，杨望月等［17］在1993年即开发出了针对广西五大片区的火险等级预报业务系统，该系统目前仍在业务运行。廖雪萍［18］、李玉红［19］、莫伟华［20］等在广西林火数据库建设、遥感监测模型及监测系统建设等方面开展了较深入的研究。黄峰等［21］在2008年开展了县级森林火险预报系统的研究与设计。但就目前广西已有的火险等级预报而言，存在产品粗放、科技含量不高、缺乏实况等级监测、产品服务方式落后等诸多问题，没法满足林业部门防火业务发展的需要。本文利用GIS技术，结合卫星遥感产品、中尺度气象站监测数据和基础地理信息数据，基于Windows系统和C#、C++、JAVA及ASP技术，开发智能化、精细化的森林火险等级监测预测系统（产品分辨率达到1Km），为林业防火提供一个全新的服务平台，发布更加客观、及时、精细化的火险等级产品及气象信息。对提升气象部门森林火险等级监测与预报业务水平有着明显的帮助，对林业部门加强森林防护工作、提高森林防火业务能力有着积极的意义。

1　系统结构

本研究应用广西区域的遥感监测资料，引入FY-2地面入射太阳辐射量，建立广西森林火险等级监测与预报模型，并在模型基础上进行相关业务系统开发。该业务系统包括数据处理分析、监测预报模型构建、产品制作、服务平台开发等四个部分。

数据处理包括：气象卫星FY-2地面入射太阳辐射、MODIS_LandCover的数据、遥感火情监测数据收集与处理；气象自动观测站数据收集与分析；数值模式预报产品预处理。

模型构建包括：分析各种气象要素对森林火险的影响权重，得到各要素的权重系数，构建基于卫星遥感的精细化监测与预报模型。

产品研发与制作：将模型输出数据转换成精细化图形，开发出广西森林火险等级逐日监测和滚动预报产品；根据气候预测结果，制作广西森林火险等级周、旬、月分析与预测产品；制作火情遥感监测产品、重大火险预警专报产品。

服务平台开发：开发一个B/S架构的服务平台，以图形方式提供精细化逐日的监测结果和滚动预报结果，以图文方式提供中长期预测产品、火情遥感监测产品及重要专报等。

2　系统功能实现

2.1数据处理功能

2.1.1FY-2气象卫星数据

风云二号C星（以下简称：FY-2C）是我国第一颗业务运行的静止气象卫星，为天气分析和预报服务提供遥感资料。FY-2静止气象卫星每小时对地扫描一次，具有很高的时间分辨率，时间连续性好。FY-2地面入射太阳辐射数据能较好地反映地面入射实际情况。经研究，FY-2地面入射太阳辐射与蒸发量有很好的正相关性，能够反映地表的干燥程度。

国家卫星气象中心提供的FY-2地面入射太阳辐射产品覆盖范围为60°E～150°E，0°～60°N之间，分辨率和投影方式为：0.01*0.01等经纬度投影，产品物理意义为辐照度（E），单位为：瓦/平方米（W/ m2）。

对上游数据的处理需要编写数据处理程序，完成以下任务：1、截取广西区内范围104.3°E～112.3° E，20.8°N～26.8°N的数据。2、计算每小时地面入射辐射大小，计算公式：

其中，H为曝辐量，E为辐照度。

计算每天的地面入射太阳辐射大小，计算公式：

其中，H为每小时的曝辐量，t为时间，R为每天日出到日落的总的地面入射辐射量。

2.1.2MODIS_LandCover数据

Modis-Landcover是根据国际岩石圈、生物圈项目（InternationalGeosphereBiosphereProgram简称：IGBP）土地覆盖分类系统对MODIS数据进行分类。MODIS土地覆盖类型产品包括从每年Terra星数据中提取的土地覆盖特征不同分类方案的数据分类产品。基本的土地覆盖分为有IGBP定义的17类，包括11类自然植被分类，3类土地利用和土地镶嵌，3类无植生土地分类。根据Modis-Landcover数据可以获得土地覆盖上的植被，并且从中对覆盖物（植被）进行可燃物分类，进而获得地面的可燃系数。

Modis-Landcover产品原始分辨率为0.00833＊0.00833经纬度，等经纬度投影。为了便于与其它数据进行研究分析，在ENVI4.2软件下，重采样为0.01＊0.01等经纬度投影数据。根据研究要求，截取范围为：104.3°E～112.3°E，20.8°N～26.8°N覆盖全广西的数据。利用GIS空间分析技术，在ArcMap软件中，打开广西面状shap文件，利用SpatialAnalyst Tools的ExtractbyMask裁切功能，得到广西境内的Modis-Landcover数据。

2.1.3气象观测数据分析

目前已经建设完成的高密度自动气象站为我们提供了高时空分辨率的气象观测数据，使我们为森林火险等级的精细化监测成为可能。最近两年，林业部门也在主要林区建设了244个自动气象观测站，可以直接观测到林区的气象要素。

研究表明，影响林区干燥程度的气象要素主要有相对湿度、气温、降水、风。这些气象条件的综合作用决定了影响林区火险等级的高低。为了在模型中定量的表示火险等级的量值，选取对当日火险等级参数影响最大的气象要素，即日最低相对湿度、日最高气温、日最低气温、日降水量、日平均风速。

（1）数据来源。日最低相对湿度、日最高气温、日最低气温、日降水量、日平均风速等五类要素数据来自于广西气象部门大型SQLSERVER数据库的逐小时数据表（TabTimeData）。林业部门的数据通过FTP共享获取，并按照气象部门的数据格式存入专门的数据库表，供系统与原气象数据库进行联合查询。

（2）数据处理。火险等级模型要求输入的数据为网格数据，因此需要将数据库检索得到的散点数据进行网格化处理。由于所有站点均在广西区域范围内，这里即取广西经纬度范围作为网格四边（104.3°～112.3°E，20.8°～26.8°N），利用插值工具Surfer分别对五类散点观测数据进行网格化插值，插值格距为0.01度（约1Km）。经过尝试，加权反距离算法得到的数据最符合实际，且该方法最快捷省时。插值分析后得到Surfer输出的ASCII格式的网格数据，根据模型需求，需要经过再次转换，以没有头文件的网格形式输出二进制格式（数据行列数为600*800），结果为每个要素一个文件。

2.1.4预报数据预处理

火险等级模型建立后，将各监测因子替换为预报因子，即可输出火险等级预报结果。预报因子选用欧洲中心数值预报结果。

（1）数据来源。数值预报资料来源于欧洲数值预报中心（ECMWF）每日20时下发的逐24小时间隔的细网格预报资料，预报时效为24～192h，分辨率为1.25*1.25°，要素为24小时累积降雨量、日最高气温、日最低气温、日最低相对湿度和10米高度最大风速，原始数据存储格式为MICAPS第4类格点数据格式。

（2）数据处理。广西区域格点资料范围（104.3°～112.3°E，20.8°～26.8°N），通过调用Grads软件提取指定时次的格点数据要素场，然后对每日的要素场进行统计获得日最高/最低气温、日最低相对湿度等要素场的每日预报极值。

（3）插值。根据需求将广西区域格点场插值为分辨率0.01度（约1km）的格点场，插值方法为双线性插值，并对缺测和无效资料进行处理和质量控制，将插值场形成二进制文件并分目录保存。

2.2业务流程

按照系统逻辑结构，建立了自动化的业务流程。首先定时运行自动站数据分析模块和预报数据处理模块，处理后的数据进入监测预报模型功能模块中，并定时运算输出结果，最后对输出的结果进行图像处理，输出各种图形产品。

2.2.1观测数据分析模块

为了实现观测数据实时分析，编制了专门的功能软件，该软件在指定的时间自动检索数据，自动计算，最后输出数据到指定路径下。

该模块从自动站数据库中提取日最高气温、日最低气温、日降雨量、日最低相对湿度、日平均风速共五个要素，组合成专门的文件，从后台调用SURFER插值软件执行分析计算，插值分辨率0.01度。软件可以提供手动模式和自动模式运行，手动模式供调试或回补数据使用，自动模式为业务运行使用。

2.2.2预报数据处理模块

通过Python语言开发资料处理自动化平台，每日处理一次，也提供手动/自动处理两种方式，形成未来24～192h的数值要素场，并可以对历史资料进行补充处理。

2.2.3模型运算模块

将研究得出的模型利用计算机编制成软件模块，模型输入实况监测数据，则可以输出精细化监测结果，模型输入数值预报数据，则可以输出的精细化预报结果。软件模块属于整个业务系统的一部，可以设定为每天定时自动运行，定时输出精细化监测数据和预报数据，文件格式为ENVI格式。其中加入了检索输入数据的功能，并对错误或缺失数据进行判别。

2.2.4图形输出模块

为了能直观的给用户展示监测与预报结果，需要将模型输出的数据文件转换为图形图像的形式，提供给服务平台调用，按照流程，专门为这个功能模块编制了能够自动运行的监测预报产品制作程序

（1）模块程序每日02时根据模式输出的监测数据文件自动转换为监测图像文件，并输出至服务平台为用户提供直观查询浏览之用。

（2）每日08时根据模式输出的预报数据文件自动转换为七天滚动预报图像文件，并输出至服务平台为用户提供直观查询浏览。

（3）实时分析广西森林火险实况数据，获取广西14个城市各自的林场代表站点的监测值，并采用平均算法计算出每个城市的监测数据，制作输出最近十五天的广西各城市森林火险实况变化曲线图。

（4）程序自动分析森林火险等级模型输出的预报数据文件，获取广西14个城市各自的多个代表点的预报值，采用算术平均法计算出每个城市点的预报数据，并制作出未来7天的广西各城市森林火险预报变化曲线图。

2.3服务平台

为了能把研发的服务产品实时提供给林业厅防火部门，广西森林火险精细化监测与预报系统的研究还包括一个基于B/S架构的服务平台的开发。为了提高服务效率和稳定性，主要采用ASP+ SQLServer、JAVA Script、JAVA Applet技术完成网站开发，并实现独立运行。网站包括“首页”、“火险检测”、“火险预测”、“专题服务”、“广西天气”共五个部分。

3　产品结果检验分析

本系统于2015年8月投入试运行。在2015年秋冬到2016年春季，只有2015年9月底到10月上旬、2016年3月中旬出现了阶段性火险等级较高的时段。这里选择其中具有代表性的两次过程来分析精细化预报产品的效果。

3.12015年10月初的一次较高火险天气过程

从9月27日开始，广西连续晴热少雨，局部出现高温天气，模型监测结果表明，从10月1日开始，受台风“彩虹”西侧下沉气流影响，广西大部火险等级逐渐升高，到10月2～3日，部分地区（尤其是桂东北）出现3～4级的较高火险（图1，见彩页），同时2～3日的遥感监测也发现桂东北有热源点出现。

从系统的预报结果来看，模型从9月25日开始就已经有所反映。逐日的预报结果略有变化，也反映了数值模式为基础的预报结果是随着时间有调整的。但是总体来说系统可以提前一周就对本次较高火险天气过程有所反映，而且预报的落区和强度也比较准确（图2，见彩页）。

3.22016年3月18～20日的高火险天气过程

3月中旬桂西降雨偏少，至中旬后期百色崇左等地出现较高火险，局地火险等级达到四级（图略）。从系统的预报结果来看，从3月13日开始，系统产品就预报了桂西北18～20日有较高火险（图略），并且从13日到19日，系统都持续做出预报，预报的落区准确，量级也较准确，其中19日预报20日（24小时预报）的桂西北四级火险落区与量级均准确。

4　结果与讨论

（1）模型对高火险天气过程的预报与监测结果对比，落区基本吻合，量级基本对应，但是有波动变化。经过分析认为有两方面的原因。一方面，模型监测结果的分级是按照聚类分析进行划分，而火险等级的划分本身也是一个较难的课题，需要进行较深入的研究，目前我们正在着手研究这方面的行业标准。另一方面，模型的预报是基于数值模式的预报产品计算得出，其准确性会随着数值预报而波动。

（2）一个地区每日实际出现的森林火险等级到底该如何描述？本系统逐日输出的监测与预报结果可能也只能反映实际情况的一个层面，表示的是气象条件造成的火险等级，这样的监测结果有必要与林区火情数据、遥感监测数据进行印证。而具体林区火灾发生危险性程度还受许多因素的影响，对林区气象条件的监测也还很不足，林区火险等级的监测工作还需要进一步深入研究。

（3）森林防火工作是一个系统性的工作，除了火险等级的监测与预报，还包括火情监测，火灾扑救等大量的工作，气象为森林防火的服务也应当延伸到各个方面，提供监测预警以及应急保障等全面的多方联动的服务。因此，建立全区的林业气象综合保障业务体系应该是我们将来研究工作的重要内容。

［1］http://wwww.nanning.gov.cn.

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Fine monitoring and forecasting system of forest fire danger class of Guangxi

Xiong Wen-bing，Luo Yong-ming，Zeng-peng，Liu Shi-xue，Yuan Li-jun
（1.Guangxi Meteorological Service Centre，Nanning Guangxi 530022；2.Guangxi Institute of Mitigation Disaster，Nannig Guangxi 530022）

Based on GIS technology，the mesoscale weather monitoring data，satellite remote sensing products and geographic information data，intelligent-and-refining monitoring and forecasting system of forest fire danger class was developed by Windows system and c#，c++，JAVA，ASP technology to provide a new service platform for forest fire prevention，which publishes more objective，timely and intensification of fire danger class products and weather information.It is useful in improving the service of monitoring and forecasting forest fire danger class of meteorological department.

forest；fire danger class；refinement；monitor；forecast；system

P49

A

1673-8411（2016）02-0059-05

2015-12-11

熊文兵（1974-），男，高级工程师，主要从事专业气象服务与技术研究。