论文部分内容阅读
及时发现、预警及火蔓延准确模拟对阻击、扑灭草原火非常重要。蒙古国是我国北方的重要邻国,与我国共有4676.8km边境线,边境线两侧的地形、气候、植被类型等相近。近年来蒙古国境内频繁发生草原火,火借风势,经常蔓延到边境线处,严重威胁到我国北方草地生态安全及边境地区人民生命财产安全。本文以中蒙边境地区为研究区,利用时间分辨率较高的新一代静止气象卫星HIMAWARI8/9数据,开展了快速判别火点、实时跟踪监测草原火的发展动态、提取火烧迹地等工作,并对现有的火蔓延元胞自动机模型进行改进,结合气象、地形、可燃物等数据,模拟研究了草原火的蔓延趋势。研究结果表明:(1)开展了基于HIMAWARI8/9数据的草原火快速识别和实时跟踪监测研究。对2019年4月29日-30日发生在蒙古国境内的草原火进行了连续动态监测,发现此次草原火共持续11h30min,HIMAWARI8/9卫星共监测70次,火烧面积共3098.09km~2。最初监测到火点坐标为东经115°49′,北纬49°2′,时间为29日14:50(UTC),距离国境线24公里。通过实时跟踪监测发现,火势向东南方向蔓延,直到30日02:20(UTC)时火头不再往外扩散,逐渐熄灭。火场蔓延过程中,蔓延速度呈增加-减少-增加的趋势,平均蔓延速度约6.08km/h,为急进地表火。采用标准差椭圆分析法评估火点空间分布的准确性,发现基于MODIS、S-NPP/VIIRS和HIMAWARI8/9三种数据判识的火点,其标准差椭圆重心十分接近,均在49.03°N,115.96°E附近,火点分布方向均为西北—东南,与火线移动方向相一致。(2)在火烧迹地提取方面,归一化燃烧指数(Normalized Burn Ration,NBR)与归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)、全球环境监测植被指数(Global Environment Monitoring Index,GEMI)、燃烧面积指数(Burned Area Index,BAI)四种指数相比,分离指数M取值大于1,对火烧迹地的分离能力较好。通过GEMI、BAI、NBR指数对HIMAWARI8/9卫星数据提取火烧迹地并利用Sentinel-2卫星数据进行精度评价,发现NBR指数识别能力较好,总体精度达到96.25%,Kappa系数为0.91,而BAI、GEMI指数提取火烧迹地的潜力相差不大,总体精度分别达到84.86%、83.96%,Kappa系数均为0.60。(3)在掌握元胞自动机原理和王正非—毛贤敏林火蔓延模型的基础上,对张菲菲提出的基于地理元胞自动机的林火蔓延模型进行了改进,构建了草原火蔓延模拟模型。新模型中引入元胞自身燃烧的影响,重新定义元胞的转换规则函数,采用Python语言开发了模拟软件,输入HIMAWARI8/9数据提取的火点信息和气象、地形、可燃物等其他数据,进行了火蔓延模拟实验。根据HIMAWARI8/9数据观测频次和风向风速数据获取时间,采用三种方式进行了模拟,并用实际过火区来验证模拟精度。采用多种方式进行模拟后发现模拟的过火面积总是大于实际过火面积,其中最好的结果显示92.24%的实际过火区域被模型成功模拟重现,模型精度达到73.29%。本文研究结果表明,通过高时间分辨率的静止气象卫星可及时提取火点和实时跟踪,在此基础上结合草原火蔓延模型,可准确模拟火蔓延方向和速度,对境外火越境问题而言,可为防火管理部门提供越境火到达边境的位置和时间等信息,对阻击扑灭工作和应急管理工作提供有效信息。