雷擊火高發的呼中地區瞭望塔配置的可視性評價*

王明玉 李偉克 舒立福 司莉青 趙鳳君 李 威 李笑笑

（中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所 國家林業和草原局森林保護學重點實驗室 北京 100091）

森林火災突發性強、破壞性大、處置救助十分困難，是當今世界最為嚴重的自然災害和突發性公共危機事件之一（Deet al., 2019；李偉克等2020a；喬澤宇等，2020）。近年來，由于全球氣候變暖加劇，特別是極端高溫、持續干旱等惡劣天氣不斷增加，造成森林火災呈多發、頻發態勢（蘇佳佳等，2021；Farooqet al., 2022；Joneset al., 2022）。我國是世界上森林火災較為嚴重的國家之一，據統計1950—2017 年我國共發生森林火災814 655 次，年均11 980 次；總受害森林面積3 813.82 萬hm2，年均56.09 萬hm2；森林火災傷亡總人數為4 686 人，造成的經濟損失和社會影響不可估量（杜建華等，2019）。因此，森林火災防控一直是我國各級應急管理部門、林草部門等相關單位高度重視的一項工作內容（李偉克等，2020b；張思玉，2022）。

加強火災監測是森林火災防控中的一個關鍵環節，這是及時發現火情并快速撲救火災的重要前提（Kanwalet al., 2016；Banet al., 2020；馮炎等，2022）。當前，林火監測措施分為地面巡護、瞭望塔定點觀測、空中飛機、無人機巡護和衛星遙感監測等（汪東等，2021；Mohapatraet al., 2022）。由于森林火災的突發性和隨機性，使得不同的林火監測手段在時空監測能力和通訊傳遞效率等方面存在差異（Martell, 2015；Zhanget al., 2020）。就呼中地區而言，90%以上的森林火災為雷擊火，多發生在偏遠密林且人員難至處，加之雷擊火多有“陰燃”的特性，航空巡查和衛星監測具有較大的滯后性，因此，當地最主要的監測手段是依靠瞭望塔（張媛等，2018；杜君等，2021）。瞭望塔視野較寬，覆蓋面較大，可以晝夜不停連續監測，受天氣影響較小，效果較好（Kucuket al., 2017；范續等，2020）。其不足是觀察效果受地形限制，一些特殊山地常形成死角，存在監測盲區（Heynset al.,2019；孫思琦等，2020）。因此，如何優化布局瞭望塔建設分布，使監測范圍盡可能大，特別是能有效覆蓋重點火險區域，實現多點配合、聯防聯控，具有重要的意義。

可視性分析（visibility analysis）又稱通視分析，是指以某一點為觀察點，研究某一區域通視情況的地形分析（孫思琦等，2020；Fantiniet al., 2022）?？梢曅苑治鰪V泛應用于選址規劃、路徑規劃、景觀分析等（王明玉等，2013；靳海亮等，2018）。其中，基于可視性分析的森林防火監測點或瞭望塔布設是典型的應用案例，位置良好、布局合理的瞭望塔分布建設不僅可以用較少的塔臺數量實現大范圍的火情監控，同時不同塔臺間協同互助、降低盲區，可及時發現火情，有效降低火災損失（Zhanget al., 2019；Sakellariouet al.,2022）。例如，羅偉等（2018）基于GIS技術對廬山自然保護區森林防火視頻監控系統進行可視性分析，研究結果為后期視頻監控點布設提供了參考。王彥卷等（2020）基于地形要素對賀蘭山自然保護區林火監測點進行可視性分析排序，確定了最優監測點布設位置和能監測到的研究區面積。孫思琦等（2020）基于吉林省林區瞭望塔地理信息數據，利用ArcGIS 技術對瞭望塔的布局配備和林地可視性進行分析，為吉林省瞭望塔的管理優化提供參考。Zhang 等（2020）基于研究區火災風險地圖，綜合可視性分析、空間位置分配和監測范圍交叉覆蓋等多因素，優化瞭望塔的配置布署以提高火災監測水平。賴晨曦等（2021）基于林火強度分析了寧波市溪口鎮森林防火監測點的可視性，對備選監測站點進行了優先級布設，提高了溪口鎮森林防火監測的準確性。

本研究基于數字高程模型，借助ArcGIS 可視性分析方法，綜合評價呼中地區現有瞭望塔的空間配置和可視性能力，并結合呼中地區歷史森林火災發生數據，評價瞭望塔體系在林火監測方面的能力水平，以期為呼中地區森林火災防控尤其是提升瞭望塔系統在火災監測方面的作用提供理論參考。

1 研究區概況

呼中地區（122°39′30″—124°21′20″E，51°14′40″—52°25′00″N）位于黑龍江大興安嶺伊勒呼里山北坡，東與新林區相連，西與內蒙古相鄰，北接漠河縣和塔河縣。

研究區由碧水、呼中、呼源3 個林場和呼中國家級自然保護區組成，屬高緯度寒溫帶，大陸性季風氣候，平均海拔812 m，具有明顯的山地氣候特征。當地夏季短暫，冬季受西伯利亞蒙古高壓氣團的影響寒冷而漫長，年均氣溫為-4.4 ℃，極端最低氣溫-49.2 ℃，年均降水量481.6 mm，主要集中在6—8 月，無霜期80～100 天（李明澤等，2017）。地帶性植被類型為寒溫性針葉林，以興安落葉松(Larix gmelinii) 為單優勢種的針葉林（圖1）。主要針葉喬木樹種有興安落葉松、樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica) 和紅皮云杉(Picea koraiensis) 。主要闊葉喬木樹種有白樺(Betula platyphylla) 、 山楊 (Populus davidiana) 、 鉆天柳(Chosenia arbutifolia) 。偃松(Pinus pumila) 分布于海拔較高的地帶，構成了亞高山的特有景觀和山地寒溫帶針葉疏林的林下灌木，該樹種對涵養水源、保護珍稀瀕危野生動植物物種具有重要作用（劉志華等，2011）。研究區森林火災發生較為嚴重，近20 年共發生上百起森林火災，其中絕大多數是雷擊火，起火區域常位于高緯度的原始森林中，撲救難度極大，對森林危害十分嚴重（杜君等，2021）。

圖1 研究區植被類型組成和瞭望塔分布Fig. 1 Vegetation type composition and lookout towers distribution in study area

2 數據與方法

2.1 數據來源

火災信息包括1990—2020 年研究區森林火災的發生位置（經緯度）、起火時間、滅火時間、火場面積、火因等。瞭望塔信息包括位置（經緯度）、所屬林場、海拔、瞭望半徑等（附表1）。植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）。數字高程模型（digital elevation model, DEM）數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m。

2.2 數據處理與分析

數據經過Excel 2016 和SPSS 19.0 整理后，利用Origin 2021 和 ArcGIS 10.2 進行分析制圖。其中火災空間分布統計使用ArcGIS 核密度分析（kernel density）工具進行計算（陳建明等，2022）。整體瞭望塔可視性分析采用ArcGIS 軟件中的視域分析（viewshed）工具計算，本研究中只將視域分析結果分為2 大類，即不可見區域（賦值為0 的區域）和可見區域（賦值為非0的區域）（羅偉等，2018）。單體瞭望塔可視性分析采用ArcGIS 軟件中的視點分析（observer points）工具計算，本研究中以林場為單位，計算每個林場中每個瞭望塔的可視性，對單個瞭望塔的監測能力進行評價（賴晨曦等，2021）。

研究區瞭望塔有效監測半徑為15～20 km，本研究統一以20 km 半徑進行可視性計算。平均塔高24 m，考慮觀測人身高，以距地面25 m 高度進行計算，其他參數在分析過程中均為默認值。

3 結果與分析

3.1 呼中地區森林火災發生規律

3.1.1 呼中地區森林火災時間發生規律 1990—2020年，研究區共發生森林火災165 起，總面積為34 855 hm2，其中2000 年和2010 年火災較為嚴重，火災面積分別為13 527 hm2和16 391 hm2。整體看研究區森林火災次數呈波動增加趨勢，其中2010 年火災次數最多，共計36 起（圖2a）。從季節分布上看，5—8 月是研究區森林火災高發期，98%以上的火災發生在該時期，特別是6 月發生總數（71 次），相當于7、8 月之和（73 次）（圖2b）。從發生時段上看，超過90%的火災發生在10:00—19:00，20:00—凌晨02:00 無火災發生（圖2c）。研究區的森林火災大多為雷擊火，占比高達96.97%，僅個別人為火和過界火（圖2d）。

圖2 1990—2020 年研究區森林火災逐年（a）、逐月（b）、逐小時（c）發生和火因（d）統計Fig. 2 Annual (a), monthly (b), time (c) and fire causes (d) statistics of forest fires in study area from 1990 to 2020

3.1.2 呼中地區森林火災空間發生規律 研究區森林火災在空間上呈一定程度的聚集性分布，分析結果顯示，有5 個較集中的火災高發區，分別為呼中國家級自然保護區的南部、呼源林場中東部、呼中林場西部、呼中林場中部、碧水林場南部與呼中林場北部的交界處。上述區域為火災高發地帶，但從火災面積空間分布來看，仍有多場重大、特大森林火災不在上述區域之中，火災次數和火災面積的空間分布規律存在一定的差異性（圖3）。

圖3 1990—2020 年研究區森林火災次數和面積等級分布統計Fig. 3 Statistics on the number and area grade distribution of forest fires in study area from 1990 to 2020

基于DEM 和植被類型數據，對火災發生地點的海拔、坡度、坡向和植被類型信息進行提取分析。其中，火災發生的海拔范圍在400～1 400 m 之間呈正態分布，多集中在海拔700～1 100 m 之間，占比74.55%（圖4a）；火災發生的坡度范圍在0～35°之間呈右偏態分布，有70.91%的火災發生在0～15°的坡度上，即相對較緩的坡度地帶（圖4b）；從坡向分布來看，火災多發生在東南坡和南坡，而西坡、西北坡和北坡處的火災數量明顯較少（圖4c）。研究區森林火災多發生于針葉林，占比高達83.03%；其次為草甸，為12.12%；闊葉林和栽培植被區很少，不足5%（圖4d）。

圖4 1990—2020 年呼中地區森林火災海拔（a）、坡度（b）、坡向（c）和發生地植被類型（d）統計Fig. 4 Statistics on the altitude (a), slope (b), slope aspect (c) and vegetation type (d) of forest fires in Huzhong area from 1990 to 2020

3.2 呼中地區瞭望塔可視性分析

3.2.1 整體瞭望塔可視性分析 研究區現有瞭望塔36 座，其中碧水林場、呼源林場和呼中國家級自然保護區各7 座，呼中林場15 座。瞭望塔海拔分布范圍在640～1 528 m，平均海拔1 137 m，塔高平均值為24 m，監測半徑為15～20 km。對瞭望塔整體進行可視性分析，結果顯示，可見區域總面積為603 234.5 hm2，占比64.45%；不可見區域總面積為332 683.94 hm2，占比35.55%（圖5）。其中碧水、呼中、呼源林場和呼中國家級自然保護區內瞭望塔可見區域面積占各自總面積的比例分別為63.68%、66.56%、62.43%和63.64%，不可見區域比例分別為36.32%、33.44%、37.57%和36.36%。整體來看，各林場內瞭望塔可視性能力基本相當，可見區域和不可見區域面積比例基本在2∶1左右。

圖5 研究區瞭望塔可視性分析Fig. 5 Visibility analysis of lookout towers in study area

3.2.2 單個瞭望塔可視性分析 在研究區瞭望塔整體可視性分析的基礎上，進一步對每個瞭望塔的單塔可視性進行分析。以林場為單位，對各個林場內的瞭望塔進行編號，并逐一分析。其中碧水林場中2 號瞭望塔可視面積最高，可見區域占本林場面積的19.85%；5 號瞭望塔可視面積最低，占比7.87%；碧水林場單塔平均可視面積比例為13.30%。呼中林場中7 號瞭望塔可視面積最高，占比14.59%；14 號瞭望塔可視面積最低，占比4.60%；呼中林場單塔平均可視面積比例為9.22%。呼源林場中4 號瞭望塔可視面積最高，占比25.70%；5 號瞭望塔可視面積最低，占比4.44%；呼源林場單塔平均可視面積比例為11.81%。呼中國家級自然保護區中5 號瞭望塔可視面積最高，占比16.94%；4 號瞭望塔可視面積最低，占比11.73%；呼中國家級自然保護區單塔平均可視面積比例為14.35%（圖6；附表2）。整體看，呼中國家級自然保護區內的單塔可視性較為平均且處于較高水平，而其他3 個林場內的單塔可視性水平差異較大，部分瞭望塔的可視面積比例遠低于平均水平，需要進一步加強布局建設，協助提升監測能力。

圖6 單瞭望塔可視性分析Fig. 6 Visibility analysis of single lookout tower

3.2.3 基于火災發生的瞭望塔可視性分析 將研究區歷史森林火災發生數據與瞭望塔可視性分析結果進行疊加，其中165 起火災中有120 起是落在瞭望塔可見區域內，占比為72.73%，其中碧水林場19 起、呼中林場43 起（包括1 場特大森林火災）、呼源林場37起（包括4 場特大森林火災）、呼中國家級自然保護區21 起（包括3 場特大森林火災）；45 起落在不可見區域中，其中碧水林場8 起、呼中林場20 起、呼源林場12 起（包括1 場重大森林火災）、呼中國家級自然保護區5 起（包括2 場重大森林火災），無特大森林火災（附表3）。

從空間分布來看，落在瞭望塔可見區域內的火災多集中在以下區域：呼中國家級自然保護區南部，附近有呼中國家級自然保護區1、6、7 號瞭望塔和呼源林場3 號瞭望塔；呼源林場中部，附近主要有呼源林場4、6 號瞭望塔；呼中林場中部，附近有呼中林場1、5 號瞭望塔；呼中林場北部的10、9、15 號瞭望塔周圍；呼中和碧水林場交界處，附近有碧水林場2、6 號瞭望塔和呼中林場2 號瞭望塔（圖7a）。此外，雖然有多起重、特大森林火災的位置未在上述集中區域，但其附近也都有瞭望塔分布，如呼源林場的1 號瞭望塔，呼中國家級自然保護區的2、3、4 號瞭望塔，呼中林場的14 號瞭望塔，碧水林場的4 號瞭望塔等均距離重、特大森林火災的位置較近，可有效進行火情監測（圖7a）。

圖7 1990—2020 年間落在瞭望塔可見區域（a）和不可見區域（b）內的森林火災Fig. 7 Forest fires in the visible (a) and invisible (b) area of lookout towers from 1990 to 2020 in Huzhong area

落在瞭望塔不可見區域內的火災主要集中在呼中林場的西南部和碧水林場的東南部，這2 個區域的周邊分別有呼中林場4、11、7、3 號和呼中國家級自然保護區4 號瞭望塔，以及碧水林場2、6、1 號和呼中林場的13 號瞭望塔，但區域的中心位置附近均無瞭望塔，處于多個瞭望塔的共同監測盲區之內（圖7b）。此外，有3 起重大森林火災位于監測盲區內，其中2起位于呼中國家級自然保護區的核心區，周圍無瞭望塔布設；還有1 起位于呼源林場的6 號瞭望塔附近，雖然距離瞭望塔較近，但也處于監測盲區內（圖7b）。

3.2.4 不同可視性區域內森林火災時空屬性分析對落在瞭望塔可見區域和不可見區域內火災的時間屬性進行分析，其中2 個區域內不同年際間的火災數量和火災面積均呈波動變化，尤其火災面積的年際間差異較大。在火災發生月份上，可見區域內火災在4—10 月中均有分布，6 月最多；不可見區域內火災只分布在5—8 月，以6—8 月占比最多，且這3 個月內的火災數量較為平均。在發生時間上，可見區域內除08:00 時段沒有火災外，其他時段均有火災，其中凌晨時段火災數量較少，從10:00 開始逐漸增多，以中午至傍晚時段多發。而不可見區域內的火災是從08:00 開始逐漸增多至18:00 結束，整體也是集中在下午時段。2 個區域內的火災類型都以雷擊火為主，其他類型火災數量很少（附圖1、附圖2）。

對落在瞭望塔可見區域和不可見區域內的火災空間信息進行分析，從海拔分布上看，不可見區域內火災集中在海拔900 m 以下（75.56%），而可見區域內火災分布在海拔900 m 以上的占多數（59.17%），兩者略有差異。在坡度分布上，不可見區域和可見區域內火災都多分布在小坡度（0～15°）范圍內（62.22%和74.17%），但相對來說不可見區域內火災分布在較大坡度（＞15°）范圍內的比例更高（37.78%）；坡向是2 個區域內火災差異較為明顯的一個屬性，不可見區域內火災多分布在北、東北、東 3 個坡向內，而可見區域內的火災分布最多的是在東南和南 2 個坡向，整體來看陽坡和半陽坡內的火災更容易被發現，而陰坡和半陰坡的火災落在瞭望塔盲區的概率更大一些（附圖3、附圖4）。

4 討論

瞭望塔監測作為森林火災防控的一項重要手段，在及時發現火情，撲滅火災于初發期具有關鍵作用（李偉等，2015）。尤其是在呼中地區雷擊火多發，起火地點大多在偏遠密林中，交通不便，航空監測、衛星監測等手段作用有限，主要就是依靠瞭望塔進行監測防控（張媛等，2018；杜君等，2021）。因此，綜合評價呼中地區現有瞭望塔的監測能力，查明瞭望塔的監測盲區，特別是對重特大森林火災的監測缺失情況，對于完善呼中瞭望塔的建設布局以及監測能力的有效提升具有重要應用價值。

整體來看，研究區瞭望塔可視域面積占比超過60%，高于全國重點火險區瞭望塔監測水平的平均值（43.6%）（孫思琦等，2020）。但由于瞭望塔的空間布局、位置選取及地形起伏等多種因素影響，導致不同瞭望塔之間可視性差異較大，存在監測盲區?；诤糁械貐^森林火災發生規律，對當地瞭望塔配置建設及監測能力提升進行如下討論并提出建議。

1）完善重點區域瞭望塔增設，有效消除監測盲區。結合歷史火災時空分布規律，在火災高發區和主要監測盲區新增建設瞭望塔臺，如在呼中林場的4、11、3 號和呼中國家級自然保護區的4 號瞭望塔中間擇址增設一座瞭望塔，以及在呼中林場的7、10、9、15 號瞭望塔之間，碧水林場南部的1、2、6 號和呼中林場的13 號瞭望塔之間等重點區域增設瞭望塔，可有效減少監測盲區，從而大幅提升瞭望塔對區域森林火災的監測能力。另一方面，對于重特大森林火災應高度關注，如在呼中國家級自然保護區核心區的南部缺少瞭望塔分布區域已發生2 起重大森林火災，應考慮增設瞭望塔以加強重點區域防控。

2）綜合考量瞭望塔監測能力，有針對性補強監測短板。整體來看，呼中地區各個瞭望塔之間的監測能力存在較大差異，個別瞭望塔可視面積占比低于5%，監測范圍十分有限。針對這些瞭望塔一方面應深入分析監測能力低下的具體原因，或改址再建擇優布局，若不可移動則建議再因地制宜增設新塔，加強區域配合，擴大監測范圍；另一方面可補充輔助監測手段，如增加無人機監測配合，特別是微型無人機，具有小巧輕便、操作簡單、機動靈活、費用較少等優點，可大幅提升瞭望塔監測范圍，從而有效提升監測能力（何誠等，2015）。

3）結合火災時空分布規律，針對性開展火情監測。本研究發現，落在瞭望塔可見區域和不可見區域內的火災具有一定的時空差異性，其中最主要的差異體現在坡向分布上。落在監測盲區內的火災多分布在山的陰坡和半陰坡面，這可能與最初瞭望塔選址建設有關。一般情況下陽坡和半陽坡光照充足，溫度較高，可燃物干燥，更容易發生火災，因此人們更多關注陽坡和半陽坡的火情變化，在瞭望塔建設時也更多考慮陽坡和半陽坡的視野，容易忽略對陰坡和半陰坡的重視。但呼中地區森林火災多為雷擊火，其發生具有很強的隨機性，同時陰坡雖然溫度較低，可燃物較為潮濕，但雷擊火“陰燃”現象十分普遍，而且“陰燃”的持續時間從數小時至數天不等，最長甚至可達十幾天，在此期間一旦天氣條件合適，“陰燃”很可能轉變為明火燃燒并迅速蔓延，釀成大的火災（舒洋等，2022）。因此，在后續瞭望塔布設中應慎重考慮對陰坡和半陰坡的有效覆蓋，同時對于在陰坡和半陰坡上的落雷應高度重視并持續監測，防止疏忽大意釀成火災。

5 結論

基于研究區數字高程模型，利用地理信息技術分析了呼中地區瞭望塔的可視性，并結合研究區近30年森林火災發生數據，評價瞭望塔的火災監測能力。

1）研究區森林火災多為雷擊火，且近年來有多發的趨勢。夏季尤其是6 月是雷擊火最嚴重的時期，多發生在下午時段，傍晚至凌晨之間很少發生。從空間分布上看，雷擊火主要分布在海拔700～1 100 m、坡度較緩（0～15°）、東南坡和南坡的針葉林中。

2）研究區瞭望塔整體可視面積占比為64.45%，各林場內的瞭望塔系統可視性能力大致相等，可視面積占比均在2/3 左右。單瞭望塔可視性分析表明，呼源林場的4 號瞭望塔可視性最高，呼源林場的5 號瞭望塔可視性最低，其中呼中國家級自然保護區內的各瞭望塔的整體可視性水平最高也最為平均。

3）疊加分析結果顯示，研究區超過70%的森林火災落在瞭望塔可視域范圍內，另外45 起落在瞭望塔監測盲區的火災主要集中在呼中林場的西南部和碧水林場的東南部。從時間分布上看落在瞭望塔可視域內的火災在4—10 月均有分布，以6 月最多，而落在監測盲區內的火災在6—8 月之間平均分布；從空間分布上看上述2 類火災的坡向分布差異明顯，前者多分布在東南坡和南坡，而后者多分布在北坡、東北坡、東坡。

附表 1 呼中瞭望塔基本信息Appendix Tab. 1 Basic information of lookout towers in Huzhong

附表 2 單瞭望塔可視性分析Appendix Tab. 2 Visibility analysis of single lookout tower

附圖2 1990—2020 年呼中瞭望塔不可見區域內的森林火災逐年（a）、逐月（b）、逐小時（c）發生和火因（d）統計Attached Fig. 2 Annual (a), monthly (b), time (c) and fire causes (d) statistics of forest fires in the invisible area of the lookout tower in Huzhong area from 1990 to 2020

附圖3 1990—2020 年呼中地區瞭望塔可見區域內的森林火災海拔（a）、坡度（b）、坡向（c）和發生地植被類型（d）統計Attached Fig. 3 Statistics on the altitude (a), slope (b), slope aspect (c) and vegetation type (d) of forest fires in the visible area of the lookout tower in Huzhong area from 1990 to 2020