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林火是森林演替的重要驱动力,森林火灾作为失去人为控制的异常森林燃烧现象,是一种燃烧机理十分复杂和危害森林比较严重的自然灾害。如何趋利避害,控制林火使其向有利的方向发展,需要对林火的机理有深入的研究。本文引入知识发现的理论、技术及方法,旨在利用知识发现技术的非平凡过程,提高林火研究的自动化水平,得到林火发生的新知识和新模型,为林火的研究提供新的理论、方法和技术。
本研究以北京市房山区为研究试验区域,应用知识发现理论和方法,以R软件为工具,研究了房山区林火发生蔓延与环境因子间的关系,并对树种可燃性、林火气象、林火动态分布等进行了研究分析。
本文研究的主要内容包括
1 林火数据的精准采集问题
应用手持GPS,森林罗盘和了望塔定位技术,结合GIS技术,解决了林火精准采集的问题,提高了林火数据的精度,结合林业局现状,解决了林火数据采集的难题。
2 林火数据的预处理问题
应用知识发现的数据预处理技术,定性定量地分析了数据偏离值产生的原因,去除了林火中的噪声数据,确定了林火数据中缺失值的处理问题。
3 研究了知识发现三大关键技术在林火研究中的应用问题
应用知识发现三大关键技术研究了林火发生气象因子与林火发生及蔓延的问题,得到了新的林火知识,提出了林火气象的复杂性问题,并提出了以知识发现技术处理林火气象数据的关键技术问题。
4 研究了林火时序数据和空间数据的处理问题。
研究了林火时序数据的分析方法,解决了基于时序数据的处理方法,提出了森林防火期的自动计算及林火发生重灾区的自动分析方法。
本研究的主要成果
1 不同的气象条件的组合对于林火的发生有着相关的影响。
林火的气象条件与林火的关系是非常复杂的,不同的气象因子的组合,可能对林火的发生带来相同的影响,而不是传统意义上的可以用单一公式可以表达的关系。这可能就是林火发生难以通过气象因子进行准确预测的重要原因,研究发现制约林火发生的重要因子是降水,影响林火发生数量的因子是湿度,风速与温度对林火发生的影响是间接的,通过影响湿度来影响林火的发生与蔓延,在林火发生期,风速与林火的蔓延成线性关系,但林火发生的记录中,林火的发生是同低风速相关的,低风速,低湿度是林火发生的重要条件。温度与林火的发生成线性关系,低湿是林火发生的必要条件,高温因子与低湿同时存在加剧了林火的发生。
2 平均海拔和道路连通度影响林火的发生频率
研究还发现在不同的尺度上,对林火发生的环境因子的类型是不同的,在大的地域上,道路密度影响林火的发生,道路密度大于1.25km/km2时,林火的发生较轻,当道路密度低于1.25km/km2时,海拔高时林火的发生较轻,海拔低时林火的发生严重,林火主要发生在丘陵地区,特别是人口稠密的平原与丘陵的交错带,其中道路对林火的影响主要由其连通度决定,林火的发生与道路的连通度呈二次曲线(开口向下)的关系。
3 产业调整影响林火的发生
在林业的外部环境中,农业与矿产业对林火的发生关系较大,当农业用地较多时,林火的发生较为严重,当农业用地少时,人口密度高的地区林火发生严重。产业调整对林火发生动态变化影响较大,表现为80年代,林火主要发生在矿区,90年代发生在平原丘陵过渡带的林果种植区,2000年后,林火主要发生在旅游开发区。
4 不同管护方式的交错带林火发生严重
在林区内,林业的管理措施对林火的发生有着重要的影响,管护地区的林火发生明显的少于旅游开发区,并且在几种不同的管理措施的经营区交错地带,林火的发生是非严重的,存在明显的边际效应。
5 杂草在人工林人为火发生中占据重要的地位
在森林内部,树种与林火的发生关系密切,针叶树种的林火的蔓延大于阔叶树种,在浅山地区由于野草丛生,林火的发生现象严重。
本研究的主要创新点有如下3个方面:
1 首次系统地在林火研究中应用了知识发现技术,注重了实现的非平凡过程。
2 以3S技术的精准林火数据获取为基础,利用R软件编程实现了林火知识发现研究的系统化。
3 首次从多角度、多尺度上研究了林火发生和自然、社会、经济因子的关系。