1 绪论
1.1 研究背景及研究意义
乌珠穆沁草原是我国水热条件最好的草原，优良牧草丰富，植物生长繁茂，生产力高，是优良的放牧草场和割草场，是我国十大重要牧区之一，在我国温带草原中占有重要的地位。 草原火是草原生态系统重要的生态因子，其产生发展具有一定的规律。草原火具有自然属性、灾害属性和工具属性。
草原火的发生必须具备可燃物、火源这两个条件。当草原中存在一定的可燃物，并且具备引起草原火的气候条件，当有火源产生时就能发生草原火，草原火未能及时扑灭，对草原生态系统和经济社会等造成损失便可称之为草原火灾。
中国是世界上发生草原火灾次数多的国家，我国的4亿公顷草地中，容易发生火灾的区域占 1/3，1/6 的地区频繁发生火灾。根据统计数据，草原火灾每年都会发生上百次，大部分发生在内蒙古东部地区。根据苏和，刘桂香等人1994 年以后的监测结果看，北纬 45 度以北、东经 110 度以东地区是内蒙古草原火灾多发区，其中，境外火频繁入境区域处于北纬45~52度和东经115~120度。内蒙古的草原火灾多发区主要分布在呼伦贝尔盟、锡林郭勒盟和兴安盟，其中火灾发生最频繁区域是锡盟的东乌珠穆沁旗、呼盟的陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗。从时间尺度上看，草原火灾频繁发生的时间段每年春天的 3~6 月份，草原火灾最严重的时期是 4 月份。从 1994 年的资料统计看，仅1994 年内蒙古地区发生草原火60多次，其中3月份3次，4月份39 次，5 月份 21 次，而且损失巨大的 5 次草原火灾全部发生在 4 月份。另外，每年 11 月份到 12 月初也是火灾频繁发生期，但是 12 月中旬至来年的 2 月底由于降雪量增大，雪层覆盖住了枯枝落叶层，此时草原火灾发生的危险性很小。草原火灾导致草地资源大面积破坏，植被生态系统被严重破坏，植物物种的数量以及生物大量减少，甚至有些分布较窄的植物物种濒临灭绝。由于火灾发生区放牧场和打草场牧草被烧光，产量剧减，畜牧业生产受到直接影响。草原火灾还会造成草地地表裸露，这样不仅会加剧草地水土流失，而且会加快土壤水分的蒸发速度，直接导致沙尘暴的发生次数不断增加，加快草原退化的速度。另外火灾常常引起房屋烧毁、牲畜死亡和人员伤亡。建国以来在草原火灾中，死伤1800人，其中烧死 400多人，还有一部分伤员成为终身残废，而且近十年来我国草原火灾的受灾面积是同期森林火灾的受灾面积的 10倍左右，足可以见草原火灾的危害之大。
我国草原地区是一个生态环境脆弱区。以草本植物为主体的生物群与其生长的环境构成的统一体就叫草原生态系统，草原生态系统是开放性系统，也是各类生态系统中最为脆弱的，非常容易受到各种人为灾害的破坏和自然灾害的侵袭。我国的草原生态系统主体是东北-内蒙古的温带草原。锡林郭勒草原是内蒙古的温带草原的一个重要组成部分，本区草地类型多样、资源丰富，涵盖了我国隐域性草原及地带性草原的多数类型，是研究北方草原的最典型地域，又是北方地区最重要的畜牧业生产基地和绿色生态屏障。每年的春季和秋季是锡林郭勒草原火灾频繁发生时期，尤其是春季，气候干燥，空气湿度低，气温持续升高，火险等级也相应的不断升高，防火形势十分严峻。
1.2 草原火灾风险评估研究进展
1.2.1 国外研究进展
灾害评估，是当前国际防灾减灾管理工作中的先进模式，因此受到学术界和国内外灾害管理者的重视。灾害风险评估是灾害预警的基础工作，许多国内外专家进行了较深入的研究，取得一些有实践意义的理论模型。对于草原火灾的研究，到目前为止主要还是侧重于对草原火行为和草原火险研究 。以往草原火灾风险评估中，由于资料的限制，草原火灾发生的概率主要用频率（历年草原火灾的发生次数）来代替。由于草原火灾是突发性小样本事件，草原火灾发生概率用对历史统计数据和草原火灾频率代替是很不科学的。
国外，草原火灾分类研究的发展过程主要可分为三个阶段：第一阶段，在二十世纪六、七十年代，主要用于气象要素作为预报的指标因子。第二阶段，在20 世纪八、九十年代，地理信息系统和遥感技术的相结合应用，大大地推进了火灾危险指数的研究发展，开始了将多种因子引入评估研究阶段。第三阶段，从20 世纪九十年代以后，全球网络化和多种多样的数据源发展，使得火灾监测和火灾危险指数的计算变得十分的快捷。
自上世纪九十年代以来，国外研究主要集中在草原火灾火行为，火灾报警和草原火灾管理研究方面。其中，在火行为研究方面，Francielle de Silva Cardozo 等以GLOBCOVER、VCF、FRP、TRMM 等遥感影像为数据来源，分析了可燃植被生物量的燃烧分布，表明可燃物主要发生在常绿阔叶林和半落叶阔叶林区以及农用地的整理区。M.Val Martin,J.A.Logan 等利用 5 年的 NASA 卫星观测资料，分析了不同植物群落在燃烧中烟柱的高度，并评价了北美的气象条件和着火条件对烟柱高度的影响；在火管理方面，Christine Wiedinmyer 等人在气候变化和土地管理措施的改变可能导致野火发生密度和程度增大的背景下，利用野火排放模型来估测在美国西部的干燥温带森林系统中应用野火规划时，碳排放的潜在减少量，对火行为管理提供了一定的依据。Winston S.W.Trollope 对比了现代火管理模式和原始的土著火管理模式，发现在两种模式中都认为火的使用对家畜和野生动物的植被管理很有效，并且，燃烧时草地的草皮对减少植被的负面影响起主要作用，而适当的范围管理是保持生态系统功能的另一个重要因素。
加拿大森林火险等级系统（CFFDRS）是很多国家和地区采用系统模块或采纳研究思想的系统，目前，两个主要的子系统： CFFDRS加拿大森林火险天气指数（ FWI ）系统和加拿大的森林火灾行为预测（ FBP ）系统已运作多年。美国的森林火险预报工作始于20 世纪初期，到2001年已形成了最新的森林火险预报系统，该系统以1km2的火险潜在指数图（Fire Potential Index，简称FPI）来定量化预报火险等级。虽然这些系统都比较完美，但由于可燃物的类型不同、存在地区差异和软硬件的条件不同等众多原因，不能将这些系统直接引用到本研究中。
2 研究区概况与数据源
2.1 研究区概况
2.1.1 研究区自然概况
东乌珠穆沁旗在大兴安岭西麓，处于锡林郭勒盟东北部（简称东乌旗） ，东边是兴安盟，通辽市，南面是锡林浩特市，西乌旗，西边接阿巴嘎旗，北与蒙古国南部接壤，地理位置介于北纬 44o 42' 到 46o47’，东经 115o00’到 120o00’之间。旗境内有国际性一类陆路口岸——珠恩嘎达布其口岸，距离旗政府所在地乌里雅斯太镇以北68公里处，是继满洲里、二连之后另一个连接欧亚大陆桥的桥头堡。
东乌珠穆沁旗是色也勒钦郭勒、乌拉盖河发源地，旗境内能源丰富，风能，太阳能、水资源等充足；额吉淖尔盐湖是自治区三大盐湖之一；矿产资源有煤、石油、钨、锡、芒硝、金、银、铜、铁、锌等，全国储量第一的锡矿主要分布在东乌珠穆沁旗境内；全旗现辖2个苏木、5个镇，分别是：呼热图淖尔苏木，萨麦苏木、乌里雅斯太镇、额吉淖尔镇、道特淖尔镇、满都胡宝拉格镇、嘎达布其镇。有57个牧业嘎查，1个国营林场，土地面积 47554 万平方公里，该旗天然草场面积可达到 6917 万多亩，可利用草场面积占天然草场面积的95%。
2.1.2 研究区草原孕灾背景
乌珠穆沁草原是我国水热条件最好的草原，生产力高，是优良的放牧草场和割草场，是我国十大重要牧区之一，在我国温带草原中占有重要的地位。乌珠穆沁草原地区同时也是锡林郭勒草原中火灾发生最频繁和境外火频繁入境区域。草原地区大风日数多，极端最大风速能达34米/秒，所以一旦起火大风助火势迅速蔓延，火情不断向外扩散。过火区域烧毁草场和房屋、烧死牲畜，甚至时有导致人员伤亡。草原火能够引发森林火灾，对于当地草原森林生态系统会造成严重破坏，有形损失和无形损失都是非常惨重的。
单看锡林郭勒草原，刘桂香、苏和等人的统计结果显示，自1953 年到1999年的43 年间(1967-1970 年没有数据)草原火灾发生一共 1603 起；1953-1959 年间 327 起、年平均 46.7 起；1960-1966 年间 558 起、年平均 79.7 起；1971-1979 年间 191 起、年平 21.2 起；1980-1989 年 313 起、年平均 31.3 起；1990-1999 年间 214 起、年平均21.4起；1953年到1999年平均每年火灾发生次数为 38起。锡林郭勒草原自 2000年以来共有 31次火灾发生，过火面积235148.9hm2 ，直接经济损失达 66453600 元。给畜牧业生产及当地的人民生命财产安全造成了巨大的损失。
2.2 数据源
本文中具体使用的数据包括如下：
2.2.1 遥感数据
本文采用了MCD45（MODIS Collection 5 Burned Area Product）过火迹地遥感产品。MCD45产品是MODIS陆地产品5系列中的一款，是专门为监测过火面积而生产的产品。此产品的空间分辨率为 500 米，以 Julian 日表示每个像元的燃烧信息，有HDF 和 Geotiff 两种格式，是以 Julian 日表示的逐日的全球过火迹地产品，栅格转矢量的数据可以从马里兰大学的火烧迹地产品网站上下载。
随着火险评估技术和遥感技术的发展，利用全球或区域尺度的火灾产品提取火灾信息，进行灾情监测管理已成为火灾灾害研究的主要手段之一。例如，国际地圈生物圈计划火灾工作组（International Geosphere-Biosphere Program- Fire Working Group， IGBP-FWG）利用 NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) 数据开发了1公里尺度全球火灾产品以便监测全球火灾事件发生的日变化。欧洲空间局（European Space Agency，ESA）研制了2000年全球火烧迹图GlobScar，欧洲委员会联合研究中心（Joint Research Centre，JRC）开展了全球火烧区项目GBA2000。到目前为止已经有了 L3JRC、GlobCarbon、MCD45 和 AQS 等火灾产品，其中 L3JRC 和GlobCarbon 是 GBA2000 和 GlobScar 的升级版，MCD45 和 AQS（Area QuemadaSu-damerica）是 MODIS 产品。Jesús Anaya 等通过对比这四种产品的准确性，发现在 1km的空间分辨率层次上L3JRC比较合适，但综合而言，最好的是MCD45，优于其它产品。Helen M.de Klerk 等指出 MCD45 数据有较低的错分误差和较高的用户精度。Roy 等分别验证MCD45、L3JRC和GlobCarbon产品发现MCD45 有较高的制图精度，使探测到小范围的地表火成为可能。
本文采用了 MOD13A1-level3 16 Day Vegetation Indices 数据产品，空间分辨率为500米，下载地址：http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html
本文中使用的夜间灯光影像为火灾发生时间段的DMSP/OLS非辐射定标的夜间灯光强度影像，分别是北京时间2012年4 月7 日和2012 年4 月8 日两天，空间分辨率为1000米。
2.2.2 空间矢量数据
本文中涉及的矢量数据是内蒙古锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗行政边界图。包括以乡镇为行政单元的边界图和以嘎查为行政单元的边界图。
3 草原火灾风险评估研究 ..................... 11
3.1 研究区火源指数 .............. 11
3.1.1 研究区草原火现状分析 .............. 12
4 草原火灾遥感监测与风险评估结果验证 ........................ 23
4.1 基于 DMSP/OLS 夜间灯光数据的过火区域监测 ................ 23
4.1.1 DMSP/OLS 数据介绍 .................................. 23
5 结论与展望 ...................... 30
5.1 结论 .................. 30
5.2 展望 .................. 31
4 草原火灾遥感监测与风险评估结果验证
草原火的遥感监测是目前较常用的监测手段之一，能够快速、大范围、准确地提取草原过火区域，所以也成为了验证草原火险的最好的手段。本文中采用 DMSP/OLS夜间灯光数据来提取了2012年4月8日到12日的过火区域，与第三章中火险评估研究中得出的结果图相对比分析，验证了风险评估的合理性和有效性。
4.1 基于 DMSP/OLS 夜间灯光数据的过火区域监测
4.1.1 DMSP/OLS 数据介绍
DMSP/OLS 传感器的应用始于 20 世纪 70 年代，刚开始的研究主要集中在城市化进程研究中。国外较早开始研究夜间灯光影像，Croft首次将该数据定义为研究城市化扩展的有效手段，他指出，通过对 DMSP/OLS 夜间灯光数据进行空间分析能够探测人类活动强度的高低。Sutton等在将 DMSP/OLS 数据和人口分布、人口密度数据对比分析后，提出以不同的阈值，分别提取低收入发展中地区、高收入发达地区和一些如埃及尼罗河地区等特殊地区的城市建成区域的设想；Imhoff在研究了夜间灯光数据中代表城市建成区的光斑的空间形态特征，提出在逐渐减少或增加阈值做反复试验，在此过程中，在某一个临界点建成区光斑周长会大幅度变化，假设这个临 界点就是提取城市区域的最佳阈值点；Henderson则从更高分辨率的 TM 影像中解译统计城市区域作为辅助数据，与 DMSP/OLS 数据提取的建成区面积做对比分析，获取更高精度阈值，从而更有效的提取城市建成区面积。1992 年开始美国国家海洋和大气管理局(NOAA) 和美国国防部开始启用数码文档，从此将夜间灯光数据用于区域尺度的学者日益增多，研究领域也扩展到多个领域，例如城市发展、经济、火灾监测、灾后过火面积计算等诸多方面。
我国此类研究开展较晚，目前为止也没有利用夜间灯光影像做火灾监测方面的研究，仍然停留在做城市化扩展这一阶段。美国国防气象卫星计划(Defense Me-teorological Satellite Program，DMSP)是美国国防部极轨卫星项目。NOAA 卫星的轨道特点类似于该卫星，在高度约830 km的太阳同步轨道运行，扫描条带宽度3000 km，周期约 101 min，绕地球一天飞行 14 圈，能够得到清晨，白天，黄昏和晚上四次覆盖全球地图。
5 结论与展望
5.1 结论
草原火险评估研究在防灾减灾领域占据着十分重要的意义，将遥感数据和遥感技术引入到草原火险指数的计算，非常有利于评估发生火灾的可能性，也有利于发生后及时对火灾进行实时监测，并且能够给决策部门提供更多的信息和依据用于火灾的及时扑救工作。
在本文中第三章和第四章中，作者对草原火灾风险评估进行了研究，并对火灾监测方法进行了初探，选取的遥感数据主要是MODIS 数据集当中的子数据集。本文的研究主要还是侧重于对特大草原火灾发生前 12 年的研究区草原火险指数的建立这一部分。DMSP/OLS 夜间灯光数据提取的过火区域验证了第三章中草原火热点分析结果和可燃物状态指数分级结果的准确性，选取指标的适宜性，对得出的草原火险指数等级分布做了合理性评价，在时间和空间上提高了草原火险指数计算的精度。具体来讲，本文的结论可以归纳为以下几点：
（1）基于遥感的草原火灾风险评价：这部分内容中，首先回顾了以 MODIS 数据为主要数据源评估草原火险的国内外研究进展，并着重介绍了锡林郭勒盟的草原火孕灾背景和研究区草原火现状。针对本文研究目标的针对性和实时性的特点，拟定了2 个指标因子进行火险指数的计算，火源用2001-2011 年草原火冷热点分布情况代表，应用的是2000-2001年的火烧迹地产品，通过计算时空分布模式得出了2000-2011 年总热点分布图。可燃物状态指数则用研究区 2001-2011 年的 NDVI 数据表示，采用了MOD13A1/NDVI 产品，该数据一年有 23 个数据，每一年的 NDVI 分别进行最大值合成，再将这 11 年的数据取平均值。本文基本忽略了火环境对研究区草原火的影响，因为研究区国家气象站点的分布很少，不足以对火灾当日的气象数据进行插值运算。在考虑了影响草原火发生的2个条件的基础上，综合评价了研究区草原火灾发生的风险。相对于以往基于 NOAA/AVHRR 数据或单纯的气象数据的火险指数算法，重点分析了MODIS 产品当中 MOD45 火灾产品的优势和算法的应用。
（2）基于夜间灯光影像过火区域自动提取方法的研究：这部分内容中首先回顾了DMSP/OLS 数据在短期草原火灾监测当中的国内外研究进展；随后阐述了 DSMP/OLS 影像上提取火光信息的三种方法对于本文火灾监测中的适用性，选取了突变检测法对“4.7”在锡林郭勒盟东乌珠穆沁发生的特大草原火灾进行了夜间火光的提取，对本次火灾实现了实时监测的同时，也对比了论文第三章得出的结果，验证了火源指数和可燃物状态指数对于火险评估的适宜性。另一方面则验证了夜间灯光影像对于夜间火灾监测的适宜性。从 DMSP/OLS 夜间灯光影像上提取的过火区域基本在高火险区和中火险区内，这验证了本文选取的火灾指数是合理的，对于草原火灾的发生有很高的相关性。
参考文献（略）