楊 光，黃 喬，盧 丹，邸雪穎，王海淇

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

森林可燃物負荷量是估計林火行為指標（林火蔓延速度、火強度、火焰高度和能量釋放等）的重要的參數(shù)[1]，掌握可燃物負荷量的動態(tài)分布信息對于森林火險預報、林火發(fā)生預報、林火行為預報具有重要意義[2-3]。關于可燃物負荷量的研究工作始于20世紀初，當時針對森林某個類型進行了可燃物負荷量地面調(diào)查的探索性研究[2]。20世紀40年代對于森林火險的預報和管理的需求突顯，許多研究工作圍繞著預估可燃物負荷量和構建火行為模型展開[1]。20世紀60年代，開始考慮林分因子，利用數(shù)學模型來推斷可燃物負荷量的研究[4]。20世紀70年代用時滯對可燃物進行分類，從而為可燃物負荷量測定方法研究注入了新的生機[5]。近年來，隨著遙感數(shù)據(jù)估計林分因子精度關鍵問題的進一步解決，利用遙感技術來估測可燃物負荷量也成為研究的熱點[6-8]。然而由于森林群落的多樣性和復雜性，同時又存在著地域性差異，以及森林火災發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間不同，從而導致了各種類型可燃物負荷量不是固定不變的，是隨著各種相關因素的變化而變化[9-10]，因此衍生出的調(diào)查方法種類繁多、復雜，并且各種調(diào)查方法的結果準確程度以及調(diào)查的難易程度也存在著較大差異。本文對國內(nèi)外可燃物負荷量測定方法的研究進展情況進行綜述，可以對快速且準確地掌握森林地被可燃物的負荷量動態(tài)信息提供借鑒意見，以便后續(xù)研究的開展。

2 可燃物負荷量的概念及其劃分

2.1 可燃物負荷量的概念

森林可燃物負荷量，也稱森林可燃物載量，是指單位面積上可燃物的絕干重量，包括所有活的、死的有機物，單位是kg/m2或t/hm2[11]。可燃物負荷量計算公式由（1），（2）所示：

式中：AMC為絕對含水率（%）；WH為可燃物的濕重；WD為可燃物的干重；FMC為可燃物負荷量。

2.2 可燃物負荷量的劃分

可燃物負荷量的劃分方法主要有下面二種[12-13]：

（1）根據(jù)可燃物載床各層對森林火災的作用的差別，可燃物負荷量分為樹冠可燃物負荷量、死地被物負荷量和林下活地被物負荷量。

（2）按照可燃物在實際特定林火中的燃燒性，可燃物負荷量又可分為總可燃物負荷量、潛在可燃物負荷量和有效可燃物負荷量。

總可燃物負荷量，即從礦物土壤層以上，所有可以燃燒的有機質總量；

潛在可燃物負荷量，指在最大強度火燒中可以消耗的可燃物量，這是最大值，而實際上在森林火燒中燒掉的可燃物比它少得多；

有效可燃物負荷量，是指在特定的條件下被燒掉的可燃物量，它比潛在可燃物負荷量少。

3 可燃物負荷量測定方法

3.1 直接估測法

直接估測法即通過專業(yè)技術人員通過多年實踐經(jīng)驗目測樣地內(nèi)可燃物負荷量，此法專業(yè)性較強，即使對于可燃物分類理論基礎好且實踐經(jīng)驗豐富的技術人員，要想做到準確直觀估測可燃物負荷量都是非常困難的，目前基本不用。

3.2 標準地機械布點法

標準地機械布點法通常選擇有代表性的可燃物類型，布設樣地，記載樣地樹種組成、坡度、坡向等因子，具體測定分為如下兩個過程[1,9,13]：①外業(yè)調(diào)查：在每塊樣地內(nèi)對角線上機械設置幾塊小樣方，對每個小樣方內(nèi)不同種類可燃物進行采集，野外稱重；②內(nèi)業(yè)計算：將樣品帶回實驗室烘干，求每個樣方內(nèi)不同種類可燃物的含水率，并換算成可燃物負荷量。標準地機械布點法通過地面調(diào)查可獲得艱難地段數(shù)據(jù)資料，可以比較準確地獲得負荷量信息，在實際的調(diào)查中得到了很好的應用，由于是人為測量，存在費用高、耗時長而且數(shù)據(jù)獲取工作量大的問題，此法可以在樣地數(shù)量較少的研究或地面驗證中使用[8]，不適合大范圍作業(yè)以及發(fā)生火災后快速調(diào)查。

3.3 樣線截面法

樣線截面法（planar intersection technique）具體測定可以概括為如下幾個過程[1]：①選擇代表性的可燃物類型；②在布設的樣地內(nèi)打出若干條平行樣線；③確定樣線方位；④查算枝條與樣線交叉點數(shù)；⑤根據(jù)查找參數(shù)推算可燃物負荷量。此法的優(yōu)點是簡單易行，操作簡單，野外不需稱重，計算方便，缺點是只適用于地表枯死可燃物調(diào)查。目前此法在美國的可燃物負荷量調(diào)查中較常使用，在我國引用較少，如需引用，需適當進行改進。

3.4 模型推測法

模型預估法是將可燃物負荷量作為獨立因子與林分因子進行相關分析，對不同種類的可燃物負荷量與相關性顯著的因子進行回歸分析，建立數(shù)學模型，從而通過林分因子推測可燃物負荷量。此法在國外起步較早，Olson導出了計算細小可燃物負荷量的公式，成為自然條件下對細小可燃物量化的第一人[4]。Rothermel和FhiPot提出了可燃物動態(tài)模型，使人為估計可燃物負荷量更精確[14]。Brender等提出火炬松人工林中地被物負荷量公式。Brown對林分中小徑木、灌木和草本的負荷量進行了估測[15]。Vanvilgen建立了灌木總負荷量、灌木大枝負荷量隨灌木直徑變化的數(shù)學模型。Raison等對桉樹屬6種可燃物類型做了研究，建立了細小可燃物負荷量的動態(tài)模型。Conroy在Olson的模型基礎上對悉尼植物類型的可燃物負荷量進行了預測，導出了估測可燃物負荷量的公式[3]。在國內(nèi)，許多學者也做了相關研究，邸雪穎等研究了大興安嶺樟子松林和落葉松林地表可燃物生物量與林分因子的關系，采用一元和多元回歸的方法，建立了利用林分因子估算1 h、10 h、100 h時滯的地表可燃物數(shù)量模型[11]。劉曉東等利用回歸分析方法建立了大興安嶺興安落葉松林的易燃物負荷量和總可燃物負荷量模型[16]。袁春明等利用林分因子，采用多元回歸的方法建立了低山丘陵馬尾松人工幼齡林及中齡林可燃物類型的可燃物負荷量模型[17]。鄧湘雯等采用多模型選優(yōu)的方法，分別建立了不同組分可燃物負荷量預測模型[14]。張國防等應用回歸分析法，建立了福建省杉檫混交林地表可燃物負荷量與郁閉度、樹高、林分平均年齡等主要林分因子動態(tài)關系的數(shù)學模型[18]。單延龍等采用向后逐步線性回歸的方法，利用數(shù)學模型對大興安嶺地區(qū)樟子松林地表的各類可燃物負荷量進行了預測[19]。由于林分因子調(diào)查方便，可以從森林資源檔案直接查到，因此模型預估法為可燃物負荷量計算提供了一個簡便快捷可行的算法。但是目前建立的模型多為線性回歸，數(shù)學線性模型不一定適合所有情況，存在一定的片面性，目前大多數(shù)模型建立方面僅選擇某一地區(qū)或者單一可燃物類型建立可燃物負荷量模型，同一可燃物模型不同地區(qū)的模擬精度有待進一步驗證，另外這種方法預估的可燃物負荷量專業(yè)化比較強，非專業(yè)人士不易操作。

3.5 照片推測法

照片推測法是按照不同類型的可燃物進行照相存檔，并測定其可燃物負荷量作為參數(shù)，建立照片庫，通過照片查找比對，推測可燃物負荷量的方法。此法是植物群落和可燃物模型兩種分類方法的結合。Anderson提出了13種各徑級可燃物負荷量的圖片識別方法，給出了圖片實例和其對應的各徑級可燃物負荷量值[20]。Robert等提出照片可燃物負荷量采樣技術，估計了6種可燃物類型相同的可燃物負荷量（1 h、10 h、100 h、1000 h 時滯，死地被物，木本，灌木，草本植物的負荷量），照片可燃物負荷量采樣方法中照片的排列順序可按時滯序列[21]，見圖1。

照片推測法是指把可燃物按照可燃物分類標準進行分類管理，可以使管理人員需要更好的估計可燃物負荷量。但作為可燃物的每一種類型，需要有多幅照片及其相應的可燃物負荷量參數(shù)才能達到分類的目的[15]，因此該法的缺點是費時且費用高。

3.6 圓盤地面調(diào)查法

圖1 照片推測

圓盤地面調(diào)查法是利用圓盤尺為工具（圖2），通過在野外調(diào)查中圓盤尺測定可燃物的高度和拍攝的圓盤高度照片，通過查找已建立的圓盤高度和可燃物負荷量的關系表和參考已建立的圓盤照片指南，以便估算可燃物負荷量。此法是地面調(diào)查法、模型法和照片法的綜合。Baxter等利用圓盤尺在加拿大亞伯達省的中部和北部開展了關于草地可燃物負荷量的調(diào)查，通過野外調(diào)查，建立圓盤高度和可燃物負荷量的關系表，將樣地拍攝照片用作照片指南，根據(jù)關系表和照片指南預估亞伯達省春季、秋季防火期的可燃物負荷量[22]。此法優(yōu)點是圓盤取樣簡單方便，照片參考指南直觀呈現(xiàn)，可以快速預估可燃物負荷量，特別是對于火場現(xiàn)場測量具有重要的實際應用價值，缺點是關系表和照片參考指南需要根據(jù)當?shù)貙嵉氐臋z驗校正。

圖2 圓盤尺地面調(diào)查

3.7 遙感圖像法

遙感圖像法是以GIS等技術為基礎從遙感數(shù)字圖像中提取像素值參與建模估測森林可燃物負荷量的方法。該法核心問題是確定像元的可燃物負荷量，根據(jù)對像元負荷量的分配方法，對現(xiàn)有方法分為兩種[8]：①直接分配法。該法根據(jù)像素的光譜數(shù)據(jù)和地面抽樣調(diào)查所得的可燃物模型，對遙感圖像直接進行分類，建立可燃物模型，然后對圖像中的像素分配可燃物負荷量。Oswald等根據(jù)地面調(diào)查數(shù)據(jù)和圖像特征，建立不同可燃物類型的判別函數(shù)[8]。直接分配法是遙感圖像法早先使用的方法，目前已較少使用。②間接分配法。該法是從遙感圖像上判讀與可燃物負荷量相關聯(lián)的中間特征，并建立特征與可燃物負荷量關系模型，為各像元分配可燃物負荷量，從而解決了林冠的遮擋效應的影響。在國外，Scott等以美國新墨西哥州的針葉混交林、西黃松（Pinus ponderosa）林和杜松（Juniperus rigida）林為研究對象，以樹冠覆蓋比率、胸高斷面積為中間特征，通過建立可燃物負荷量和這些中間特征的線性回歸方程，實現(xiàn)了利用航空照片推測可燃物負荷量[23]。Robert創(chuàng)造性地提出要綜合運用GIS、遙感信息和生態(tài)模型相結合的方式研究可燃物特征，方法是通過對遙感圖像分析，得到林分特征，基于數(shù)學方法建立林分特征與可燃物特征之間關系，完成了由遙感圖像研究可燃物特征的目的[8]。Brandis提出了運用遙感圖像結合火災歷史資料、地理信息系統(tǒng)估算可燃物負荷量的方法，并利用LandsatTM圖像對南威爾士州國家公園進行了可燃物負荷量估算，取得了良好的效果[24]。在國內(nèi)，已有學者利用航天遙感數(shù)據(jù)和少量地面樣地信息進行森林可燃物負荷量定量估測。趙憲文、游先樣等從林分模型，地物反射亮度值，以及反映林木生物量的波譜密度值之比等途徑研究估測森林可燃物負荷量的可行性[3]。王強利用TM圖像以圖像像素的光譜數(shù)據(jù)和地面的坡向和海拔為自變量，分別利用多元線性回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，分別建立了從遙感圖像上估測我國東北的次生闊葉林的地表可燃物負荷量的預測方程[7]。王強等在東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場，以對應的遙感信息和GIS信息為基礎，采用嶺回歸分析方法對影響森林可燃物負荷量的估測因子和GIS因子進行了篩選優(yōu)化，建立以像元為單位的森林可燃物負荷量估測模型[25]。利用遙感圖像分類方法進行可燃物負荷量的預估是一種全新、快速發(fā)展的和不斷完善的可燃物負荷量的預估方法，遙感圖像法相對于其他方法的優(yōu)點是速度快、耗費低；缺點是從資源衛(wèi)星上獲得的信息還不夠豐富、不夠精確，從遙感圖像上獲取可燃物負荷量還具有一定的局限性，目前我國的研究工作甚少。

4 展望

綜上所述，經(jīng)過近幾十年的開展，可燃物負荷量的研究產(chǎn)生了較好的效果，其間產(chǎn)生了許多可行的可燃物負荷量的測定方法，為可燃物管理和林火管理提供了有力的支持，但是現(xiàn)有的可燃物負荷量測定方法各有優(yōu)劣，顯然還沒有一種快速、完善的方法，特別是一些細節(jié)上還需要深入分析探討才能更好地運用。

（1）在模型推測法中模型因子的引入上應考慮從林分這一單因子向地形、土壤、氣象等多因子發(fā)展，同時應考慮對各因子之間的相互作用的研究；模型類型上除了考慮數(shù)學線性模型，還有待進一步探討人工神經(jīng)網(wǎng)絡等非線性方法在森林可燃物負荷量估測中的應用；模型應用范圍上應深入進行不同立地條件、不同林型、不同可燃物類型的可燃物負荷量模型的研究，從分散的地區(qū)性研究向建立區(qū)域可燃物模型、全國通用的可燃物負荷量模型過渡。

（2）照片推測法和圓盤地面調(diào)查法在國外使用較多、適用性較好，在我國的研究尚屬空白，未來可燃物負荷量的研究應結合我國可燃物負荷量研究實際發(fā)展情況，對照片推測法和圓盤地面調(diào)查法進行深入研究與引進，并進一步適當改進，使其適合我國國情、林情。

（3）遙感圖像法應考慮使用更高分辨率的或新類型遙感圖像，充分利用圖像像素的鄰域信息，控制像元和中間特征的匹配，提高中間特征的判別準確率，更好地揭示林分結構，可能會提高準確率；使用多種不同分辨率的圖像，通過多圖像融合，提高光譜分辨率和空間分辨率，提升可燃物負荷量估測的準確率；基于遙感技術探測和獲取森林可燃物復雜的結構和地理多樣性，建立完善和系統(tǒng)的中間特征以及它們與可燃物負荷量的關系模型；目前技術的發(fā)展使直接使用連續(xù)的可燃物描述成為可能，我國目前沒有系統(tǒng)的可燃物模型體系，更需要使用連續(xù)變量來描述可燃物負荷量。

隨著可燃物負荷量研究的不斷深入，可燃物負荷量的測定方法會不斷創(chuàng)新，從定性到定量，從靜態(tài)到動態(tài)，從人工調(diào)查向遙感估測的方向深入發(fā)展，未來的工作需要對多種方法比較分析，通過地面調(diào)查與可燃物負荷量等特征的遙感估測研究工作相結合，不斷提高估測的準確度。

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