韓永濤，葉 彪，李大鵬，陳啟良，龍騰騰，單保君，王秋華，李世友

（1.西南林業(yè)大學(xué)，消防學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2.云南森林自然中心，云南 昆明 65010074；3.青島嶗山區(qū)林業(yè)局，山東 青島 83958201）

世界每年發(fā)生的森林火災(zāi)達(dá)數(shù)十萬次，受災(zāi)面積幾十萬公頃。雖然用于森林防火的費(fèi)用每年不斷增長，但森林火災(zāi)面積未發(fā)生明顯變化[1]。長期以來，人類一直在探索和尋找卓有成效的控制火災(zāi)的對(duì)策，但并未從根本上解決問題。時(shí)至今日，森林火災(zāi)仍然屢有發(fā)生，森林火災(zāi)所造成的經(jīng)濟(jì)損失并沒有顯著減少。究其原因，主要是人們還沒有真正解決對(duì)林火的預(yù)測預(yù)報(bào)問題[2-3]。

大數(shù)據(jù)（Big data）是需要新處理模式并具有更強(qiáng)決策力和洞察力能高效和快速處理的海量、多樣化的數(shù)據(jù)資源。大數(shù)據(jù)具有4V特點(diǎn)：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Value（價(jià)值）。目前，大數(shù)據(jù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，如大數(shù)據(jù)對(duì)森林資源的調(diào)查、分析[4]，對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)的判別等[5]。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測的海量林業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，能準(zhǔn)確地預(yù)測、預(yù)警森林火災(zāi)，能夠分析森林火災(zāi)的發(fā)展趨勢，并提供輔助決策。

1 林火預(yù)測預(yù)報(bào)的方法

林火預(yù)測預(yù)報(bào)方法是進(jìn)行林火預(yù)測預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，全世界共有一百多種。我國也有十多種，概括起來有經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)學(xué)方法、物理方法、野外實(shí)驗(yàn)法和室內(nèi)測定法等。林火預(yù)測預(yù)報(bào)的研究方法有利用歷史火災(zāi)資料進(jìn)行林火預(yù)報(bào)，利用可燃物濕度和氣象要素進(jìn)行林火預(yù)報(bào)，通過野外點(diǎn)火試驗(yàn)進(jìn)行林火預(yù)報(bào)，利用林火模型進(jìn)行林火預(yù)報(bào)，利用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行林火預(yù)報(bào)[6]。

2 林火預(yù)測預(yù)報(bào)的特征

林火預(yù)測預(yù)報(bào)是綜合氣象要素、地形、可燃物的干濕程度、可燃物類型特點(diǎn)和火源等，對(duì)森林燃燒的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析預(yù)測。林火預(yù)報(bào)涉及的因子眾多，選擇合適的主導(dǎo)因子對(duì)林火預(yù)報(bào)精度至關(guān)重要。在林火預(yù)報(bào)研究中常用的林火因子是可燃物的含水量、降雨量或干旱日數(shù)、相對(duì)濕度、溫度和風(fēng)5個(gè)因素[7]。

準(zhǔn)確地進(jìn)行林火預(yù)報(bào)面臨著諸多困難，林火預(yù)測預(yù)報(bào)需要考慮的因子眾多，不同的地形、不同的可燃物形成的小氣候各不相同，隨時(shí)變化的氣象因素、復(fù)雜的地形條件、可燃物類型的多樣性與火源條件的多樣性直接影響了林火預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。面對(duì)林火天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性要求高，林火預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)龐大、計(jì)算困難，林火動(dòng)態(tài)時(shí)效性高等問題。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)是對(duì)林火快速準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào)并采取有力措施的重要保障[8]。

3 大數(shù)據(jù)的運(yùn)用方法與特征

大數(shù)據(jù)是指難以用現(xiàn)有的一般技術(shù)管理的大量數(shù)據(jù)的集合，使用主流軟件工具，無法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)獲取、管理、處理，并使之成為有效的輔助企業(yè)運(yùn)營決策的信息[9]。使用這種有更強(qiáng)的決策力和流程優(yōu)化能力數(shù)據(jù)處理模式，能更高效的處理海量的和多樣化的信息資源[10]。

3.1 大數(shù)據(jù)的運(yùn)用方法

林火預(yù)測預(yù)報(bào)需要對(duì)林火歷史資料、氣象要素資料（降水量、蒸發(fā)量、風(fēng)、相對(duì)濕度等）、森林可燃物特征（可燃物種類、密度、干濕、空間分布、垂直分布等）、地形地貌特征等進(jìn)行分析，這些復(fù)雜林火因子分析必須依賴于分析模型。大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些巨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，使用聚類、相關(guān)分析、決策樹等算法分析林火資料數(shù)據(jù)集，通過計(jì)算、分析并挖掘出新的信息的模式。模式中的信息能顯著提高林火預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.2 大數(shù)據(jù)的特征

1）實(shí)時(shí)性。大數(shù)據(jù)分析具有時(shí)效性。在林火預(yù)報(bào)有嚴(yán)苛的時(shí)效要求，如果通過傳統(tǒng)方式基于海量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)論時(shí)火情早已變化，預(yù)測將毫無價(jià)值。大數(shù)據(jù)的快速處理能力應(yīng)用于林火預(yù)測預(yù)報(bào)能大量地縮減計(jì)算時(shí)間，特別是在林火行為預(yù)報(bào)中，能夠依據(jù)地形條件、風(fēng)等復(fù)雜的因素，快速準(zhǔn)確地處理大量的數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)林火行為，制定撲火方案，組織撲火隊(duì)伍。

2）動(dòng)態(tài)性。在不同時(shí)點(diǎn)的，用于林火預(yù)報(bào)的不穩(wěn)定因子是變化的，任何一個(gè)因子的變化都可能會(huì)引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)變化，甚至?xí)l(fā)蝴蝶效應(yīng)。難以捕捉的林火主導(dǎo)因子對(duì)預(yù)測結(jié)果起決定性作用，會(huì)使林火預(yù)報(bào)難上加難。林火預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)需要對(duì)每一個(gè)主導(dǎo)林火因子數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)捕捉，并接近實(shí)時(shí)地調(diào)整預(yù)測。

3）準(zhǔn)確性。大數(shù)據(jù)技術(shù)從大量的歷史數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中尋找數(shù)據(jù)與結(jié)果之間隱藏的規(guī)律。假設(shè)這些規(guī)律對(duì)以后的數(shù)據(jù)依然有效，捕捉變量并實(shí)現(xiàn)預(yù)測。林火的發(fā)生、蔓延、周期等都遵循一定的規(guī)律，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)基于林火資料數(shù)據(jù)挖掘出的林火規(guī)律，其可靠的精確度能夠正確指導(dǎo)林火預(yù)報(bào)及撲火、滅火行動(dòng)。

4）區(qū)域性。大數(shù)據(jù)具有一定的區(qū)域性，大數(shù)據(jù)研究的歷史火災(zāi)資料和天氣資料是針對(duì)某一區(qū)域的，這在其他區(qū)域不一定能夠完全適用。

4 大數(shù)據(jù)技術(shù)在林火預(yù)測預(yù)報(bào)中的應(yīng)用設(shè)想

1）使用大數(shù)據(jù)技術(shù)制作林火預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)的高速、大量、準(zhǔn)確等特征，研發(fā)出能夠在局部地區(qū)、小范圍更具適用性的林火預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過計(jì)算、分析并挖掘出新的信息的模式，模式中的信息能顯著提高林火預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2）使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析火災(zāi)規(guī)律。對(duì)衛(wèi)星監(jiān)測到的熱點(diǎn)進(jìn)行分類，分析火源發(fā)生的地點(diǎn)規(guī)律和時(shí)間規(guī)律，火點(diǎn)遙感監(jiān)測統(tǒng)計(jì)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況的對(duì)比，分析人為因素和社會(huì)因素對(duì)火災(zāi)的影響。使用聚類分析處理歷史火災(zāi)資料，探究林火的時(shí)空分布特征，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)預(yù)防和管理并根據(jù)不同的分類采取不同的措施。

3）使用大數(shù)據(jù)技術(shù)篩選林火預(yù)報(bào)主導(dǎo)因子。影響林火發(fā)生的隨機(jī)因子眾多，若選取預(yù)報(bào)因子太多，會(huì)引起計(jì)算量過大、計(jì)算時(shí)間過長，而且并不是選取的預(yù)報(bào)因子越多越精確。通過用Logis?tic回歸或逐步回歸檢驗(yàn)分析預(yù)報(bào)因子對(duì)預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)，得分范圍比較小的因子是不太重要的且可以剔除的因子[11]。林火的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的自然現(xiàn)象，既受自然因素（氣象因子、可燃物狀況、地形條件）的影響，人為因素（火源條件、地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況、人口密度、群眾防火意識(shí)等）也是不可忽視的。分析林火發(fā)生時(shí)的自然因素和人為因素，通過回歸檢驗(yàn)分析得到影響最大的幾個(gè)因子，有針對(duì)性對(duì)林火預(yù)測預(yù)報(bào)的主導(dǎo)因子實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4）使用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理林火因子。溫度、濕度、風(fēng)向都能通過實(shí)地的傳感器監(jiān)測獲得；降水、含水量這兩個(gè)參數(shù)不能夠簡單地通過傳感器得到。因此，通過歷史數(shù)據(jù)獲得的林火因子，每個(gè)因子的數(shù)據(jù)量非常龐大，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理林火因子，可以更準(zhǔn)確的預(yù)測森林火險(xiǎn)主導(dǎo)因子，有助于指導(dǎo)決策對(duì)林火預(yù)測預(yù)報(bào)。

5）使用大數(shù)據(jù)技術(shù)預(yù)報(bào)林火行為。林火行為預(yù)報(bào)是火災(zāi)發(fā)生后，預(yù)測林火蔓延速度、能量釋放、火強(qiáng)度以及撲火難易程度[7-10]。林火行為受到諸多要素的影響，林火蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰高度一直都處于變化中，風(fēng)、溫度、可燃物狀況、地形等都是變化因子。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，預(yù)定出具有科學(xué)指導(dǎo)性的林火撲救方案，更好地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

5 應(yīng)用展望

大數(shù)據(jù)將繼續(xù)以每年40%的速度持續(xù)增加，而大數(shù)據(jù)所帶來的市場規(guī)模也將以每年翻一番的速度增長。隨著數(shù)據(jù)的價(jià)值凸顯和信息的重要性提高，大數(shù)據(jù)技術(shù)在森林防火中的運(yùn)用給林火預(yù)測預(yù)報(bào)帶來了新的方法和途徑。

1）林火因子的數(shù)據(jù)挖掘。林火預(yù)測預(yù)報(bào)包含因子眾多，含水率、氣象等不穩(wěn)定因子時(shí)刻在變化，這里面蘊(yùn)藏著巨大的價(jià)值，使用大數(shù)據(jù)與林火預(yù)測預(yù)報(bào)的結(jié)合就能擁有大量的數(shù)據(jù)資源。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以改進(jìn)計(jì)量與監(jiān)控手段，進(jìn)而改善觀察的效果。這依賴于分析模型對(duì)林火數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析挖掘，從中發(fā)現(xiàn)信息并加以利用，輔助林火預(yù)測預(yù)報(bào)。但是要讓數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策活動(dòng)朝著對(duì)林火預(yù)測預(yù)報(bào)有利的方向發(fā)展絕非易事。這需要對(duì)數(shù)據(jù)的清楚無誤的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控與觀察。

2）利用其他數(shù)據(jù)與林火預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)相結(jié)合。使用林火預(yù)測預(yù)報(bào)原創(chuàng)數(shù)據(jù)通過與其他數(shù)據(jù)的整合催生出新的附加價(jià)值，從而升華成增值數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相乘的放大效果，這是大數(shù)據(jù)運(yùn)用的價(jià)值之一。林火預(yù)測預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與森林公園游客量數(shù)據(jù)相結(jié)合得出火源規(guī)律就是很好的例子。選擇什么數(shù)據(jù)與林火預(yù)測預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)整合需要想象力，在某一方面沒用的數(shù)據(jù)，在林火預(yù)測預(yù)報(bào)中有可能挖掘出重要的數(shù)據(jù)。對(duì)于林火預(yù)測預(yù)報(bào)來說，不應(yīng)該將目光局限在已有的方法中，應(yīng)該用更加開闊的視野，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，從中獲得有價(jià)值的觀念和認(rèn)識(shí)。