基于面插值法的河南省火災(zāi)風(fēng)險研究

1、第 頁 （共 12 頁）基于面插值法的河南省火災(zāi)風(fēng)險研究 1研究區(qū)簡介1.1自然地理河南界于北緯3123-3622,東經(jīng)11021-11639之間1，全省總面積16.7萬平方公里，其中包括18個市級行政區(qū)，126個縣級行政區(qū)。地勢西高東低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環(huán)形分布；中、東部為黃淮海沖積平原；西南部為南陽盆地。1.2氣候資源河南大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。全省由南向北年平均氣溫為15.712.1，年均降水量13

2、80.6532.5毫米。2. 河南省火災(zāi)特征 (1)據(jù)多年觀察,我省易發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)地區(qū)主要是集中在北部和中部的諸城市如新鄉(xiāng)、輝縣、周口等地，高密市的大部地區(qū)如鄭州等地，低與較低火災(zāi)風(fēng)險區(qū)集中在河南省西部和南部地區(qū)如西峽、淅川、洛寧等地，其余地區(qū)基本是中等火災(zāi)風(fēng)險區(qū)。(2)火災(zāi)發(fā)生幾率總體上隨著經(jīng)濟(jì)和社會消防事業(yè)的發(fā)展而呈波動上升趨勢。(3)隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,社會財富大量增加,火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失呈逐年上升趨勢。河南省既有火災(zāi)隱患較多、較嚴(yán)重的特點(diǎn)2，又有消防能力與消防需求存在一定差距的矛盾。所以，開展河南省火災(zāi)風(fēng)險評估工作，推進(jìn)河南省消防力量建設(shè)，對為河南省快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和社會具有重要的意義

3、。3研究方法在地理信息系統(tǒng)(GIS)中,我們獲得的空間數(shù)據(jù)往往是離散點(diǎn)的形式,或者是分區(qū)數(shù)據(jù)的形式。離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)常是通過對空間采樣點(diǎn)進(jìn)行觀測獲得,我們無法對空間所有點(diǎn)進(jìn)行觀測,但我們可以設(shè)置一些關(guān)鍵的樣本點(diǎn),這些樣本點(diǎn)的觀測值能反映空間分布的全部或部分特征,然后利用空間內(nèi)插方法來獲取未采樣點(diǎn)的值3。另一方面,分區(qū)數(shù)據(jù)常常是根據(jù)某種區(qū)域劃分進(jìn)行統(tǒng)計得到,而這種區(qū)域劃分與我們要研究的區(qū)域未必一致,這就需要通過已知的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)來推算。這種根據(jù)已知點(diǎn)或已知分區(qū)數(shù)據(jù)來估計(推算)任意點(diǎn)或區(qū)域的數(shù)據(jù)的方法就稱為空間內(nèi)插方法,前者稱為點(diǎn)內(nèi)插,后者稱為面內(nèi)插4。本文由河南省市級行政區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險來預(yù)測縣級行政

4、區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險，所以采用面插值法來實(shí)現(xiàn)。4基于面插值法的河南省火災(zāi)風(fēng)險研究分析實(shí)現(xiàn)過程4.1數(shù)據(jù)收集4.1.1地理數(shù)據(jù)1.河南省市級行政區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)2.河南省縣級行政區(qū)圖4.1.2歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)2002-2012年河南省的MODIS MCD45A1火燒跡地數(shù)據(jù)集（分辨率500m）。4.2實(shí)現(xiàn)過程4.2.1導(dǎo)出市級行政區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)由河南省市級行政區(qū)圖導(dǎo)出市級行政區(qū)火災(zāi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，見表1。其中Fire表示11年來該城市被火燒的次數(shù)，Sum cell表示該城市的總單元數(shù)。表1 河南省市級行政區(qū)火災(zāi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)id名稱FireSum cell1安陽市204484492鶴壁市214525013濟(jì)源市22922474焦

5、作市81548265開封市78173096洛陽市2520177097漯河市246838398南陽市3410308329平頂山市42751131010濮陽市1510489911三門峽市1631141712商丘市38081245313新鄉(xiāng)市2497960614信陽昌市522302216鄭州市375873517周口市67281399718駐馬店市7117175834.2.2 創(chuàng)建河南省市級行政區(qū)火災(zāi)預(yù)測表面面插值工作流的第一步是從河南省市級行政區(qū)收集的火災(zāi)風(fēng)險創(chuàng)建預(yù)測表面5。由于面插值要求模型交互擬合，因此必須在Statistical Analyst中創(chuàng)建預(yù)測表面。在整個面

6、插值工作流中，調(diào)整變異分析耗費(fèi)時間最長，對于獲取準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)果也最為關(guān)鍵。其目的是更改右側(cè)的參數(shù)，以便使大部分經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差（藍(lán)色十字符號）落入置信區(qū)間內(nèi)（紅色條）6。如果正確指定模型，預(yù)計約有 90% 的經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差會落在置信區(qū)間內(nèi)。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)Rational Quadratic與數(shù)據(jù)擬合比較好，大部分經(jīng)驗(yàn)協(xié)方差落入置信區(qū)間內(nèi)，其他一些則剛好落在區(qū)間邊界處，如圖1所示。但是，確信此模型合適之前，還需檢查交叉驗(yàn)證結(jié)果。在生成最終表面之前，應(yīng)該了解模型對未知位置的值所做預(yù)測的準(zhǔn)確程度。交叉驗(yàn)證和驗(yàn)證有助于您準(zhǔn)確地判斷哪個模型提供了最佳預(yù)測7。這些計算的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可用作指示模型和/或其相關(guān)參數(shù)值是否

7、合理的診斷信息。 圖1 選擇模型圖圖2 交叉驗(yàn)證圖圖2顯示預(yù)測值和測量值的差值的分位數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中對應(yīng)的分位數(shù)。如果預(yù)測值與真實(shí)值之間的誤差為正態(tài)分布，則這些點(diǎn)應(yīng)大致沿灰色線分布8。如果誤差呈正態(tài)分布，則可放心使用依賴正態(tài)性的方法可以看到標(biāo)準(zhǔn)均方根值為 1.017969。此結(jié)果不錯，因?yàn)樵撝档睦硐胫祽?yīng)接近 1。正態(tài) QQ 圖還表明標(biāo)準(zhǔn)誤差接近于正態(tài)分布，因?yàn)楦鼽c(diǎn)落在一對一的線的附近。我們將使用此模型進(jìn)行預(yù)測。4.2.3預(yù)測河南省縣級行政區(qū)火災(zāi)風(fēng)險使用面插值創(chuàng)建適當(dāng)?shù)念A(yù)測表面后，可使用 HYPERLINK /zh-cn/help/main/10.2/0030/00300000002n000

8、000.htm 面插值圖層到多邊形通過該表面預(yù)測河南省縣級行政區(qū)火災(zāi)風(fēng)險9。預(yù)測結(jié)果以及真實(shí)的火燒區(qū)分布見下圖。圖3顏色由淺到深依次代表火燒風(fēng)險指數(shù)，概率越大，火燒風(fēng)險越高，概率越小，火燒風(fēng)險越低。圖3 2002-2012縣級行政區(qū)火災(zāi)評估圖圖4 2002-2012河南省火燒跡地數(shù)據(jù)在圖4中，黑色點(diǎn)分布表示11年來被火燒的次數(shù)，點(diǎn)數(shù)分布越密集表示被火燒的次數(shù)越多，點(diǎn)數(shù)分布越少，表示被火燒的次數(shù)越少，無色區(qū)域表示沒有被火燒。該圖是用來檢驗(yàn)的火燒區(qū)數(shù)據(jù)。4.2.4對插值結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證驗(yàn)證方法可采用如下方法：a.按縣級行政區(qū)統(tǒng)計每個行政區(qū)2002-2012年來被火燒的單元總數(shù)。b.計算每個縣級行政區(qū)這

9、11年來的火燒率。c.把計算的火燒率與插值生成的火燒概率進(jìn)行比較。比較結(jié)果如圖5所示。顏色由淺到深表示評估值與真實(shí)值之間的誤差由小到大。 圖5 2002-2012火災(zāi)評估誤差圖5 結(jié)論與討論（1）在圖3中每一個行政區(qū)包含一個概率值，表示被火燒的風(fēng)險值，顏色由淺到深依次代表火燒風(fēng)險指數(shù)，概率越大，火燒風(fēng)險越高，概率越小，火燒風(fēng)險越低10。從圖中結(jié)果可以看出，河南省較高以上火災(zāi)風(fēng)險區(qū)集中在北部和中部的諸城市如新鄉(xiāng)、輝縣、周口等地、高密市的大部地區(qū)如鄭州等地，低與較低火災(zāi)風(fēng)險區(qū)集中在河南省西部和南部地區(qū)如西峽、淅川、洛寧等地，其余地區(qū)基本是中等火災(zāi)風(fēng)險區(qū)。（2）在圖4中，黑色點(diǎn)分布表示11年來被火燒

10、的次數(shù)，點(diǎn)數(shù)分布越密集表示被火燒的次數(shù)越多，點(diǎn)數(shù)分布越少，表示被火燒的次數(shù)越少，無色區(qū)域表示沒有被火燒。對比2002-2012年河南省的MODIS MCD45A1火燒跡地數(shù)據(jù)集11發(fā)現(xiàn)，河南省火災(zāi)風(fēng)險評估與實(shí)際火災(zāi)風(fēng)險發(fā)生程度較為符合，例如鄭州市作為河南省的省會，位于河南省的中北部，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度較高，同時火災(zāi)發(fā)生頻率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他地市，鄭州市 2007-2012 年六年間共發(fā)生火災(zāi) 8197 起，占到了全省火災(zāi)總數(shù)的 37.8%12，火災(zāi)形勢比較嚴(yán)峻。因此，研究結(jié)果較好地反應(yīng)出河南省各市級行政區(qū)及縣級行政區(qū)火災(zāi)風(fēng)險的實(shí)際情況，其提供的信息有較高的參考價值。（3）用面插值統(tǒng)計出的火燒概率減去20

11、02-2012河南省真實(shí)的火燒率可以得出河南省火災(zāi)評估誤差圖，其中負(fù)值表示評估的火燒概率值小于真實(shí)的火燒率，即低估了該地區(qū)火燒率，正值表示評估的火燒概率值大于真實(shí)的火燒率，即為高估了該地區(qū)火燒率。無論低估還是高估，都表示評估值與真實(shí)值之間存在誤差13。在圖5中，統(tǒng)計出各地區(qū)評估值與真實(shí)值之間的誤差。顏色由淺到深表示評估值與真實(shí)值之間的誤差由小到大。（4）由于災(zāi)情數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)的不全面性14，導(dǎo)致沒有充分考慮各個指標(biāo)中的每一個影響因子，致使分析結(jié)果精確度還有待提高。鑒于以上多種因素的影響，以及火災(zāi)產(chǎn)生影響后果的復(fù)雜性，河南省火災(zāi)風(fēng)險分析還需要進(jìn)行更加深入地研究。參 考 文 獻(xiàn)1 傅澤強(qiáng)，戴爾阜河

12、南省森林火險季節(jié)動態(tài)特征及其氣候條件分析J自然災(zāi)害學(xué)報,2001, 10(4)：113-116.2 張冬有，鄧歐，李亦秋河南省19802005 年森林火災(zāi)時空特征J林業(yè)科學(xué)，2012, 48(2):175-179.3 張海軍，戚鵬程. 基于頻率比和邏輯回歸模型的東北地區(qū)火險制圖研究J. 地理與地理信息科學(xué)，2012, 28(5)：35-38.4 潘志強(qiáng),劉高煥.面插值的研究進(jìn)展J.地理科學(xué)進(jìn)展,2002, 21(2):146-152.5 Lam N S. Spatial interpolation methods: a review J.The American Cartographer, 1

13、983, 10(2): 129 -149.6 Goodchild MF, Lam N Sacral interpolation: a variant of the traditional spatial problem J.Geo-processing, 1980, 1: 197 -312.7 Goodchild MF, Anselin L, Deichmann U.A framework for the areal interpolation of socioeconomic data J.Environment and Planning,1993, 25: 383 -397.8 Tober

14、 W R. Smooth psycnophylactic interpolation for geographical region J.Journal of the American Statistical Association, 1979, 74: 519 -530.9 黃杏元,馬勁松,湯勤.地理信息系統(tǒng)概論M.北京:高等教育出版社,2001.93 -103.10 Kevin Hawley; Harold MolderingA Comparative Analysis of Areal Interpolation MethodsJ.Cartography and Geographic I

15、nformation Science,2005, 32(4):411-423.11 張雪英，朱少楠，等.地理與地理信息科學(xué)，2012，28(5)：35-38.12 ZHANG H J, HAN X Y, DAI S. Fire occurrence probability mapping of Northeast China with binary logistic regression modelJ. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2013, 6(1): 12

16、1-127.13 郭其樂，陳懷亮，鄒春輝，等河南省近年來遙感監(jiān)測的森林火災(zāi)時空分布規(guī)律分析J氣象與環(huán)境科學(xué)，2009, 32(4)：29-32.14 Yoshiyuke Yoshida.Evaluating building fire safety through egress prediction:a standard application in Japan,Fire ,1995, 31(2):158-174. Based on Areal Interpolation Method of Fire Risk Research of Henan ProvinceAbstract: Fire

17、risk resulted in serious economic losses in Henan province, the fire risk analysis and evaluation is not only an important part of fire science research but also a means of the ability of fire prevention and mitigation capacity measure. Adopting the method of reasonable analysis of fire risk in Henan province can correct evaluation of fire risk. In this paper, according to the characteristics of fires in Henan province and regional characteristic, through areal interpolation method of county-level administrative region of Henan province to evaluate the fire risk, helping Henan fire p