基于GIS模型的林火蔓延計(jì)算機(jī)模擬

張應(yīng)乾，羅傳文

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

我國是森林火災(zāi)較為嚴(yán)重的國家之一，由于自然與人為的原因，森林火災(zāi)頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1950年以來，中國年均發(fā)生森林火災(zāi)13 067起，受害林地面積653 019 hm2，因?yàn)?zāi)傷亡580人。一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)給國家的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人員造成巨大的損失，林火的防治已成為了一個(gè)世界性難題［2］。

森林火災(zāi)預(yù)防與撲救時(shí)效性很強(qiáng)，影響林火因素眾多，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和森林火災(zāi)蔓延數(shù)學(xué)模型的建立及完善，使人們對(duì)火災(zāi)早期模擬成為可能，林火蔓延可視化模擬逐漸成為森林防火輔助決策的關(guān)鍵。早期對(duì)林火蔓延的研究主要集中于建立自然因素與火行為關(guān)系模型，靜態(tài)的平面的，未將森林大火的空間屬性及時(shí)間屬性體現(xiàn)出來。kessel在1979年在他的林火蔓延模型中加入了空間因素，將林火的蔓延帶入一個(gè)動(dòng)態(tài)的三維空間。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)林火行為模擬研究逐漸轉(zhuǎn)向空間范圍的定量模擬［3－5］。、由于有遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的支持，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)擴(kuò)展的理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)M，取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，并且逐步走向?qū)嵱没?］。早起對(duì)林火蔓延采用橢圓模型，這種模型過于簡(jiǎn)單、粗糙，不能準(zhǔn)確反映和表達(dá)出森林大火在空間時(shí)間上的復(fù)雜性?，F(xiàn)在已發(fā)展到以地形的柵格化數(shù)據(jù)為背景計(jì)算林火火場(chǎng)，將蔓延計(jì)算結(jié)果和地形背景疊加，得到林火發(fā)生發(fā)展的直觀顯示，國內(nèi)的唐曉燕的基于柵格結(jié)構(gòu)的林火蔓延模擬研究及其實(shí)現(xiàn)通過VB和ArcView運(yùn)用迷宮算法實(shí)現(xiàn)對(duì)林火數(shù)學(xué)模型的分析和可視化實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及林火蔓延模型中的若干因素的分析，決定將柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行文本化處理，采用C#3.5中的IO文件的寫入和讀出流來直接運(yùn)算這些文件，更為高效的實(shí)現(xiàn)林火蔓延模擬的計(jì)算機(jī)運(yùn)算，而模擬結(jié)果由ArcEngine控件進(jìn)行來表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了林火的動(dòng)態(tài)蔓延模擬，并且提高了運(yùn)算速度和模擬精度。

1 林火蔓延模型的選取

林火的蔓延模擬的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在地形因子(坡度、坡向等)、氣象因子 (風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等)、燃燒物 (植被類型組成、植被疏密度等)等因子在模型建立時(shí)采集和定量難度上。根據(jù)現(xiàn)有的林火蔓延模型的建模原理，可以分為物理模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］。其中應(yīng)用最為廣泛的一種模型是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鼈円话阌山y(tǒng)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，推導(dǎo)而來，使用性強(qiáng)，具有代表性的模型有:中國的王正非模型，前蘇聯(lián)的謝斯柯夫模型、美國的羅森梅爾模型等，以及其相關(guān)修正模型。

本文采用毛賢敏對(duì)王正非模型的修正模型，并重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行闡述。

王正非模型?；鸬穆铀俣认抵富痤^的前進(jìn)速度，影響火的蔓延速度的因素很多，但有些因素在實(shí)際撲火時(shí)不易確定，故只考慮可燃物類型、風(fēng)速、風(fēng)向和坡度。王正非的模型對(duì)野外的林火蔓延速度R進(jìn)行如下表述

式中:R0為可燃物在無風(fēng)時(shí)，燃燒的初始蔓延速度;Kw為風(fēng)速更正系數(shù);Ks為可燃物配置更正系數(shù);Kf為地形坡度更正系數(shù)。

各個(gè)系數(shù)的確定方法如下:

(1)風(fēng)速更正系數(shù)Kw是由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的，或可以由公式Kw=e0.1793Vcosθ計(jì)算。其中V為風(fēng)速 (m/s)的數(shù)值，θ為風(fēng)向與坡向的夾角。

(2)可燃物配置更正系數(shù)可以由觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)查得。

(3)地形坡度更正系數(shù)Kf，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由公式確定:

這樣，林火蔓延速度計(jì)算公式可以推導(dǎo)為:

公式 (2)僅對(duì)上坡和風(fēng)順著上坡吹的情況下適用，實(shí)際情況當(dāng)然不那么簡(jiǎn)單［1］。通過毛賢敏的研究將公式 (2)修改如下:

公式 (7) 中 (θε {0°，90°}U{270°，360°})。

公式 (8)中 (θε {90°，270°})。

修改模型中參數(shù)φ為坡度角，其余參數(shù)意義同王正非模型。

修改后的蔓延模型更加注重地形與風(fēng)向?qū)α只鹇硬煌挠绊懀怀隽只鹇铀俣茸鳛橐粋€(gè)有大小，并且有方向的矢量數(shù)據(jù)的差異性。

由于林火蔓延速度是一個(gè)矢量數(shù)據(jù)，假定在同一空間位置，坡度、坡向、可燃物和風(fēng)速都完全相同的情況下，那么林火從不同方向蔓延而來到此位置時(shí)的蔓延速度是不會(huì)相同的，單純的在不考慮林火火點(diǎn)空間位置風(fēng)向與蔓延方向的情況下，計(jì)算空間各個(gè)柵格范圍內(nèi)的林火蔓延速度，而得到一張靜態(tài)林火蔓延速度圖的做法，如《基于柵格結(jié)構(gòu)的林火蔓延模擬研究及其實(shí)現(xiàn)》(唐曉燕等，2003)，《基于GIS模型的林火蔓延計(jì)算機(jī)仿真》(毛學(xué)剛等，2008)等文章所寫，在空間地形起伏不明顯，自然風(fēng)速對(duì)林火蔓延影響微弱的情況下，是科學(xué)的，但是不夠精確，正是考慮到此點(diǎn)因素，毛賢敏對(duì)王正非模型進(jìn)行了修正，細(xì)化了地形和風(fēng)向風(fēng)速對(duì)林火蔓延的影響，對(duì)林火的蔓延描述更加準(zhǔn)確，而使用毛賢敏的修正模型，關(guān)鍵點(diǎn)在于林火蔓延速度的動(dòng)態(tài)方向不明確性，再通過靜態(tài)的一次性生成林火蔓延速度圖，顯然不能發(fā)揮此修正模型的全部功效。

2 算法分析與選擇

柵格數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單性、規(guī)則性及離散性與計(jì)算機(jī)計(jì)算的簡(jiǎn)單重復(fù)性的結(jié)合，使林火蔓延的計(jì)算機(jī)模擬得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)柵格數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與遙感影像等數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)完全相同，對(duì)于計(jì)算機(jī)而言這些都是二維及多維矩陣數(shù)據(jù)，林火蔓延的模擬過程就是對(duì)二維或多維矩陣數(shù)據(jù)的計(jì)算過程。由于柵格數(shù)據(jù)的冗余度大，因此選擇合適的數(shù)據(jù)分辨率就顯得很重要，柵格單元越小，數(shù)據(jù)越精細(xì)，數(shù)據(jù)量就大，計(jì)算時(shí)間就會(huì)越漫長(zhǎng)，但柵格過大又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算誤差擴(kuò)大，精度降低，數(shù)據(jù)計(jì)算的精度和計(jì)算機(jī)的計(jì)算量需要用經(jīng)驗(yàn)來確定。林火蔓延模擬算法主要有如下幾種:

(2)邊界外延算法。邊界外延算法從火蔓延所具備的時(shí)間和空間特性兩方面來考慮的，假定燃燒過的柵格不再燃燒，林火蔓延表現(xiàn)為由已燃區(qū)向未燃區(qū)延燒的性質(zhì)，它反映為林火在空間位置上的變化和時(shí)間的延續(xù)上，林火燃燒的路徑遵循在所有可達(dá)的路徑中選擇最快到達(dá)的那一條，它的路徑并不一定是地理上的最短路徑［6］。

邊界外延算法描述為:以總時(shí)間T為燃燒邊界限制，記錄下每次增加的一個(gè)新的引燃柵格后形成的林火邊界并將其記錄形成一個(gè)柵格坐標(biāo)集合，循環(huán)遍歷這個(gè)林火邊界坐標(biāo)集合，查找每個(gè)邊界柵格的周圍8個(gè)方向上未燃燒的所需時(shí)間t0最小的柵格，將其引燃，加入到燃燒邊界柵格坐標(biāo)集合中，這樣就完成一次火圖邊界的調(diào)整;之后再對(duì)此柵格坐標(biāo)集合進(jìn)行一次循環(huán)，同樣如上述判定，直到邊界燃燒到的時(shí)間達(dá)到燃燒限制時(shí)間T為止，結(jié)束燃燒。

(3)迷宮算法。迷宮算法，簡(jiǎn)單說來就是同樣按照8個(gè)方向 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，正東開始順時(shí)針進(jìn)行循環(huán)，計(jì)算每個(gè)方向的柵格中裝燃燒時(shí)間，直至給定的燃燒時(shí)間T用完為止;第一次從東邊開始，在一個(gè)起火點(diǎn) (i0，j0)被引燃后 (此時(shí)就這一個(gè)著火點(diǎn))，向東傳播燃燒，并記錄下這一行在每個(gè)柵格累計(jì)到自身被引燃所需要的時(shí)間ti，i從 (i0，j0)為位置開始積累，只到ti大于等于T時(shí)結(jié)束，此時(shí)認(rèn)為正東的所有能燒的柵格都燒過了;第二次燃燒從每個(gè)燃燒點(diǎn)開始，每個(gè)燃燒點(diǎn)，現(xiàn)在都有一個(gè)累積時(shí)間ti，它們都開始向東南方向開始蔓延，其算法同正東方向蔓延的算法相同，如果說第一次只有一個(gè)點(diǎn)被當(dāng)成初始燃點(diǎn)，那么第二次就有第一次所有被引燃點(diǎn)個(gè)數(shù)的柵格作為新的初始燃點(diǎn)，不同點(diǎn)只是現(xiàn)在都開始向東南方向開始蔓延了;其余方向的燃燒與此相同，注意判斷每個(gè)燃燒柵格點(diǎn)的燃燒方向上的柵格是否已被點(diǎn)燃，若被點(diǎn)燃，則此次方向循環(huán)其不再被計(jì)算，8個(gè)方向被計(jì)算完成后，形成的柵格圖就是林火蔓延圖。

邊界插值算法只考慮由中心起始燃點(diǎn)開始向8個(gè)方向蔓延，每次都從初始燃點(diǎn)開始，而中間燃點(diǎn)通過差值方式給出，簡(jiǎn)化了蔓延復(fù)雜性，對(duì)于復(fù)雜地形而言，表達(dá)的不夠詳細(xì)。邊界外延算法計(jì)算量大，每次邊界發(fā)生一點(diǎn)變化后，邊界集合就需要重新進(jìn)行調(diào)整，修改。邊界外延算法以循環(huán)邊界柵格并修改邊界，直到達(dá)到燃燒時(shí)間，迷宮算法循環(huán)時(shí)間，其實(shí)也是按照8個(gè)方向哪個(gè)方向可燃燒時(shí)間最短，則最先在之后的某一秒中被引燃，兩者的計(jì)算結(jié)果是一致。

3 研究區(qū)域狀況及數(shù)據(jù)處理

3.1 研究區(qū)域自然狀況

塔河林業(yè)局盤古林場(chǎng)始建于1969年，位于位于黑龍江省塔河縣西北部96.5 km處，地理坐標(biāo)為北緯 52°41'57.1″，東經(jīng)123°51'56.5″，施業(yè)區(qū)面積152 127 hm2。

盤古河為轄區(qū)內(nèi)第一大河，發(fā)源于白卡魯山，主河道長(zhǎng)127 km，共有23條支流，流域面積為3 875 km2，為西南東北流向，注入黑龍江。白卡魯山海拔1 397 m，是塔河縣境內(nèi)最高山峰。盤古林場(chǎng)轄區(qū)內(nèi)森林覆蓋率為88.86%，經(jīng)濟(jì)材樹種主要有:落葉松、樟子松、白樺樹和楊樹等。

3.2 數(shù)據(jù)處理

王正非模型中對(duì)參數(shù)的需求主要為以下4點(diǎn):

(1)R0林火初始蔓延速度，此速度由室外林場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到。

(2)V風(fēng)速風(fēng)向，由實(shí)地實(shí)時(shí)確定。

(3)Ks可燃物配置更正系數(shù)，此參數(shù)由塔河林業(yè)局小班中優(yōu)勢(shì)木字段得到，對(duì)小班數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化重分類，重新分類得到1.0、0.7和0.4。

樹種與分類值關(guān)系見表1。

表1 可燃物類型等級(jí)劃分［8］Tab.1 Fuel type hierarchy

(4)使用arcgis將塔河林業(yè)局等高線數(shù)據(jù)生成Tin數(shù)據(jù)，之后將其生成為坡度和坡向柵格圖。

(5)林火初始蔓延速度、風(fēng)向、風(fēng)速和模擬燃燒時(shí)間，由模擬運(yùn)算時(shí)傳入。

以上矢量小班數(shù)據(jù)和等高線生成的Tin數(shù)據(jù)投影方式需一致，并且由它們生成的柵格數(shù)據(jù)空間分辨率一致，邊界完全重合。

4 林火蔓延計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)

4.1 對(duì)運(yùn)算柵格數(shù)據(jù)的文本化處理

為便于數(shù)據(jù)的直接讀寫與計(jì)算，將柵格數(shù)據(jù)由十進(jìn)制文本文件進(jìn)行存儲(chǔ)，文本文件中數(shù)據(jù)的空間幾何排列與柵格圖中柵格位置是一致的，直接讀取文本文件較通過ArcEngine方式間接讀取柵格圖中柵格值效率更高、更簡(jiǎn)便;采用十進(jìn)制文本格式存儲(chǔ)方便數(shù)據(jù)的查看與經(jīng)驗(yàn)判讀，那么林火蔓延的數(shù)學(xué)運(yùn)算就完全可以用文本文件的輸入輸出流來操作。

4.2 計(jì)算機(jī)模擬算法改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)

由于林火蔓延速度方向的不確定性，靜態(tài)一次性生成林火蔓延速度圖不能發(fā)揮王正非、毛賢敏修正模型的功能，林火蔓延速度的計(jì)算必不可少，但筆者認(rèn)為它更應(yīng)該在林火初始預(yù)備向此柵格蔓延時(shí)計(jì)算出來才精準(zhǔn)。在考慮到數(shù)據(jù)量過大，將所有運(yùn)算數(shù)據(jù)都存放在相應(yīng)文本文件中，它們由坡度、坡向、可燃物重分類、燃燒布爾文件、駐留時(shí)間圖、燃燒累計(jì)時(shí)間圖、頭文件等文本文件組成。坡度、坡向、可燃物重分類分別存放地形坡度坡向值;燃燒布爾文件中存放所有著火的位置信息，由中心火點(diǎn)向外圍蔓延所有燃燒的位置記為1，默認(rèn)為0;駐留時(shí)間圖，即存儲(chǔ)由每塊柵格分辨率與當(dāng)前林火蔓延速度的比值;燃燒累計(jì)時(shí)間圖也就是最終的結(jié)果圖，存放所有著火柵格從開始燃燒到當(dāng)前模擬時(shí)間的累計(jì)值［9］。筆者具體思路為:第零次時(shí)間循環(huán)計(jì)算出林火起火點(diǎn)位置，并將此位置記錄到布爾文件中，燃燒狀態(tài)為1，未燃燒為0，運(yùn)用王正非修正模型計(jì)算出此位置的林火蔓延速度及此柵格燃燒完所需時(shí)間t，將其填入到駐留時(shí)間文件未燃燒位置初始化為0，燃燒累計(jì)時(shí)間圖初始化為0;進(jìn)入第一次單位時(shí)間循環(huán)，首先讀取布爾文件獲得火點(diǎn)位置，對(duì)累計(jì)燃燒時(shí)間圖中此位置數(shù)值加1，讀取此值T，判定此值與當(dāng)前位置下駐留時(shí)間t大小，若 (T＜t)，繼續(xù)循環(huán)下一柵格位置，若 (T＞t)，那么就開始進(jìn)行八臨域計(jì)算判定 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，判定此位置的八鄰域位置是否存在，不存在則不計(jì)算，每個(gè)存在位置是否燃燒 (通過布爾值文件讀取)，若某一位置燃燒，則不計(jì)算，未燃燒則將其點(diǎn)燃，此布爾值位置改寫為1，通過模型計(jì)算出此位置的林火蔓延速度，進(jìn)而算出此位置的駐留時(shí)間，計(jì)入到駐留時(shí)間圖文件相應(yīng)位置，T－t差值存入燃燒累計(jì)時(shí)間圖對(duì)應(yīng)位置，之后進(jìn)行下一鄰域位置判定計(jì)算，完成鄰域計(jì)算后進(jìn)行順序下一柵格位置計(jì)算，最終的燃燒累計(jì)時(shí)間圖即為一定時(shí)間后林火蔓延模擬圖，但準(zhǔn)確地說此時(shí)的林火蔓延模擬圖還只是個(gè)文本文件，在對(duì)它加上頭文件后調(diào)用AO工具將其轉(zhuǎn)換為可視化柵格圖，最終完成林火蔓延的可視化。起火點(diǎn)在同一位置時(shí)，初始蔓延速度、風(fēng)向、風(fēng)速、燃燒時(shí)間不同的火場(chǎng)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 起火點(diǎn)在同一位置初始蔓延速度、風(fēng)向、風(fēng)速和燃燒時(shí)間不同的火場(chǎng)狀態(tài)圖Fig.1 Fire state diagrams under different initial spread speed，wind direction，wind speed，and burning time for the fire in the same position

5 結(jié)論分析

實(shí)驗(yàn)表明風(fēng)向和地勢(shì)的不同導(dǎo)致林火蔓延方向的不同，林火蔓延方向與順風(fēng)方向趨于一致;風(fēng)速及林火的初始蔓延速度，對(duì)林火蔓延有顯著影響，風(fēng)速越大、初始蔓延速度越大，林火蔓延就越為劇烈;時(shí)間越久，林火蔓延將更加擴(kuò)大，因此在森林火險(xiǎn)等級(jí)高、山林地勢(shì)復(fù)雜、氣象條件惡劣的情況下，提早發(fā)現(xiàn)林火苗頭，及時(shí)撲滅就顯得尤為重要。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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