基于遙感解譯的森林火災(zāi)蔓延模型研究

姜波 陳濤 張立凡 馮智莉 魏斌

0 引言

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的發(fā)展，全球氣候進(jìn)入極端氣候高發(fā)期，各國森林火災(zāi)發(fā)生頻率不斷提升，由于森林火災(zāi)造成的影響非常大，因此各國對(duì)這一問題的關(guān)注度持續(xù)升高。我國同樣面臨著火險(xiǎn)等級(jí)升高，火災(zāi)撲救難度大的問題，這對(duì)我國消防人員的安全造成了極大的威脅，如何在保障消防人員安全的情況下，盡快撲滅火災(zāi)，爭取最低的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失是森林火災(zāi)應(yīng)對(duì)工作的重要課題。

近年來，北京市政府認(rèn)真貫徹落實(shí)中央加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略部署，持續(xù)推進(jìn)園林綠化工作[1]，全市森林覆蓋率由37%提高到41.6%，林木綠化率53%提高到59%，林下蓄積不斷增加，森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也隨之提高。此外，北京市山區(qū)面積占62%，山勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜、植被茂盛、交通不便，森林火災(zāi)具有蔓延速度快且有時(shí)出現(xiàn)跳躍式前進(jìn)的飛火的特點(diǎn)[2]，上述情況使得北京市森林火災(zāi)撲救工作風(fēng)險(xiǎn)較大。北京市作為首都，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，環(huán)境和政治影響難以估量，因此森林防火和應(yīng)急處置工作受到政府部門高度重視。

自應(yīng)急管理部組建以來，北京市應(yīng)急管理局處置了多起森林火災(zāi)事件，得益于各級(jí)高度重視、應(yīng)急準(zhǔn)備充分、應(yīng)對(duì)措施得當(dāng)，均未造成重大的人員財(cái)產(chǎn)損失。然而同時(shí)也要看到，有關(guān)部門在事件應(yīng)對(duì)處置的過程中仍暴露出一些問題。其中，在現(xiàn)場態(tài)勢(shì)的感知與研判方面，北京市應(yīng)急指揮中心目前主要通過接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)和單兵系統(tǒng)回傳畫面的方式了解火場情況，缺少智能化的手段對(duì)火場發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)研判，使得實(shí)際滅火過程中以經(jīng)驗(yàn)型撲火為主，森林火災(zāi)應(yīng)急處置的科學(xué)性有待提升。

1 林火態(tài)勢(shì)研判方法

林火態(tài)勢(shì)研判對(duì)于應(yīng)急處置工作尤其重要，基于林火蔓延速度、火場發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測，分析周邊重點(diǎn)防護(hù)目標(biāo)，制定火災(zāi)撲救、人員轉(zhuǎn)移安置計(jì)劃，將大幅提高應(yīng)急處置工作的科學(xué)性和高效性，是實(shí)現(xiàn)智能化輔助決策和現(xiàn)代化應(yīng)急管理建設(shè)的重要技術(shù)手段。因此，構(gòu)建本地化程度高、落地性強(qiáng)的林火蔓延模型用于火場態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)研判，十分有必要。

目前國內(nèi)外在林火蔓延模型方面已經(jīng)有一定的研究。模型建立的基本思想是，在簡化條件的前提下，對(duì)影響林火蔓延的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)化的處理，得出參數(shù)之間的關(guān)系式，根據(jù)一系列的關(guān)系式來刻畫森林火災(zāi)時(shí)空演化的速度等特征變量，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測已經(jīng)發(fā)生的森林火災(zāi)后續(xù)的蔓延變化過程。根據(jù)模型原理及參數(shù)簡化程度，蔓延模型主要可以分為純物理模型、參數(shù)化耦合半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)多次點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)獲得火災(zāi)蔓延速度與氣象或地形影響因子之間的相關(guān)關(guān)系來構(gòu)建模型，而不會(huì)考慮任何熱傳導(dǎo)機(jī)制。模型的優(yōu)點(diǎn)在于模型需要的參數(shù)較少，且計(jì)算簡單。其中較為典型的有加拿大林火蔓延模型[3]、澳大利亞的McArthur模型[4]和中國的王正非模型[5]。由于依賴大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型只有在實(shí)際境況與測試參數(shù)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境相似時(shí)，才能成功的預(yù)測林火蔓延的過程；但當(dāng)實(shí)際情況差異較大時(shí)，結(jié)果的準(zhǔn)確性則會(huì)降低。例如，加拿大林火蔓延模型及McArthur模型，其推演是建立在本國內(nèi)各地不同植被分類和不同火險(xiǎn)尺的基礎(chǔ)上完成的，適用的植被和氣候類型較為單一。而王正非等人的模型構(gòu)建依據(jù)是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得到的火災(zāi)燃燒速度與坡度和風(fēng)速的相對(duì)關(guān)系，且僅適用于60°以下的上坡。盡管經(jīng)過發(fā)展，目前可以應(yīng)用于更多不同的坡向，但模型仍然缺少火場前進(jìn)方向的精確計(jì)算方法。

物理模型的基本方法是通過給定溫度、擴(kuò)散系數(shù)、熱輻射系數(shù)等一系列假設(shè)前提后，將林火蔓延問題簡化為熱傳計(jì)算問題。再結(jié)合物理方法進(jìn)行模擬，利用復(fù)雜的流體力學(xué)方程實(shí)時(shí)計(jì)算出火焰蔓延過程。目前物理模型主要有：美國的Emmons根據(jù)輻射傳熱原理用冪因子進(jìn)行修正的蔓延模型及W.L.Fons等人利用相似理論修正系數(shù)得到的林火蔓延模型等。物理模型涉及了如流體力學(xué)方程、綜合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和擴(kuò)散方程等較多的復(fù)雜的方程式，導(dǎo)致算法的求解速度慢，且參數(shù)繁復(fù)、不易獲取，因此，物理模型目前應(yīng)用較少。

半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ偷奶攸c(diǎn)，以燃燒物理學(xué)為基礎(chǔ)和林火實(shí)驗(yàn)建立的模型。其中，最經(jīng)典半經(jīng)驗(yàn)林火蔓延模型，是以研究者名字命名的Rothermel模型[6]，該模型根據(jù)能量守恒，綜合坡度風(fēng)速和可燃物信息推算林火蔓延最大速度。模型的部分參數(shù)仍然依賴于實(shí)驗(yàn)獲取，但模型以物理機(jī)理為基礎(chǔ)，因此仍有較寬泛的應(yīng)用范圍。

綜上所述，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用范圍十分有限，不適宜大范圍的應(yīng)用，物理模型輸入?yún)?shù)難以采集，計(jì)算復(fù)雜，算法實(shí)用性較差。Rothermel模型抽象程度高，在考慮盡量多的燃燒特性影響因素的前提下，輸入的特征參數(shù)相對(duì)較少，因此本文選用Rothermel模型作為林火蔓延速度計(jì)算的依據(jù)。

Rothermel模型利用地形、氣象及植被可燃物參數(shù)，對(duì)森林火災(zāi)的蔓延速度進(jìn)行計(jì)算，除地形和氣象數(shù)據(jù)外，植被可燃物參數(shù)的獲取是模型應(yīng)用最大的難點(diǎn)所在。經(jīng)過梳理，涉及到的可燃物參數(shù)有9項(xiàng)：可燃物烘干載量、熱含量、烘干顆粒密度、表面積體積比、可燃物床深、含水率、熄滅含水率、總礦質(zhì)含量和有效礦質(zhì)含量。美國、加拿大等先進(jìn)國家的林火蔓延模擬軟件，如FARSITE、PROMEETHUES等，普遍采用劃分可燃物類型，并利用各類植被的統(tǒng)計(jì)平均值對(duì)全套參數(shù)進(jìn)行配置的方法進(jìn)行模型應(yīng)用。事實(shí)上，以上參數(shù)一部分是與植被種類相關(guān)且變化較小的，如可燃物熄滅含水率、總礦質(zhì)含量、有效礦質(zhì)含量等，另外一部分卻同時(shí)受氣候情況和植被生長狀態(tài)影響，動(dòng)態(tài)變化的屬性較強(qiáng)，如可燃物烘干載量和含水率。為了提高模型的可用性和準(zhǔn)確性，本文探索性地采用遙感技術(shù)獲取相關(guān)參數(shù)，將遙感反演算法與模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)本地化的森林火災(zāi)蔓延趨勢(shì)智能預(yù)測。

2 基于遙感解譯的植被參數(shù)獲取

本文采用多光譜遙感解譯技術(shù)對(duì)植被含水量、可燃物烘干載量進(jìn)行采集。

2.1 植被含水率參數(shù)獲取

植被含水率是決定植被燃燒特性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，在林火蔓延預(yù)測模型中尤為重要。目前國內(nèi)外已發(fā)展了多種基于遙感技術(shù)估算植被含水率的方法[7]。首先是基于光譜反射率的植被含水率反演方法，可直接利用葉片水分吸收帶光譜波段特性反演植被含水率，也可以結(jié)合光譜分析技術(shù)，計(jì)算特征光譜指數(shù)（吸收波段波長位置、寬度、深度、斜率、面積等）或紅邊參數(shù)（紅邊位置、紅波段吸收谷、紅邊振幅等），實(shí)現(xiàn)植被含水率的反演。其次可通過計(jì)算植被指數(shù)反演植被含水率，常用的植被指數(shù)包括水分指數(shù)（WI）、水分脅迫指數(shù)（MSI）、歸一化差異水分指數(shù)（NDWI）、可調(diào)節(jié)水分指數(shù)（SWAI）、全球植被水分指數(shù)（GVMI）、簡單比值指數(shù)（SR）等[8]，在地面實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用多元回歸分析法建立葉水分含量與植被指數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，估算水分信息。除此之外，還可通過模型模擬方法進(jìn)行植被含水量反演，即將葉水分作為PROSPECT葉光學(xué)模型、PROSAIL輻射傳輸模型、ACRM模型等的模型參數(shù)，通過模型反演中優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的方式獲得。

由于植被指數(shù)反演法可有效減少單波段的散射效應(yīng)，且算法簡單易實(shí)現(xiàn)，本文選擇該方法進(jìn)行植被含水率的估算。已有研究表明在眾多常見光譜指數(shù)中，簡單比值指數(shù)（SR）與植被含水率（FMC）的相關(guān)性較高。根據(jù)地面實(shí)測含水率樣本數(shù)據(jù)，通過建立FMC與SR的統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型，從而通過SR指數(shù)的計(jì)算提取植被含水率。

R1600和R820分別表示遙感采集的820nm和1600nm波段的光譜反射率。

2.2 可燃物烘干載量參數(shù)獲取

模型所需的參數(shù)可燃物烘干載量，是指單位面積上可燃物的烘干重量，該參數(shù)可用遙感反演獲得的森林生物量（AGB）表示。經(jīng)過遙感技術(shù)的多年發(fā)展，基于遙感生物量估算模型[9]也經(jīng)歷了多個(gè)階段的技術(shù)變遷，逐漸由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖驒C(jī)理模型轉(zhuǎn)變。最初的生物量遙感估算主要基于單波段進(jìn)行研究，該方法運(yùn)算簡便但精度較差。第二階段主要采用構(gòu)建植被指數(shù)與生物量之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型的方法進(jìn)行生物量反演，常用的植被指數(shù)有歸一化植被指數(shù)（NDVI）、葉面積指數(shù)（LAI）、垂直植被指數(shù)（PVI）、比值植被指數(shù)（RVI）等。上世紀(jì)90年代后，隨著主動(dòng)微波遙感技術(shù)的興起，利用SAR技術(shù)進(jìn)行生物量估算，使計(jì)算精度進(jìn)一步提高。

考慮到數(shù)據(jù)獲取的便捷性和模型構(gòu)建的難易程度，綜合估算結(jié)果的準(zhǔn)確性要求，本次研究基于多光譜遙感數(shù)據(jù)和森林調(diào)查數(shù)據(jù)，采用支持向量回歸方法（Support Vector Regression）估算研究區(qū)森林可燃物質(zhì)。利用地表反射率、多種植被指數(shù)以及圖像紋理信息等作為自變量，并利用隨機(jī)森林（RF）算法對(duì)所有輸入變量進(jìn)行優(yōu)選，選擇貢獻(xiàn)度大的變量建立最優(yōu)的反演模型，計(jì)算獲得森林AGB值。具體流程如圖1所示。

3 林火蔓延趨勢(shì)預(yù)測模型構(gòu)建

圖1 森林生物量估算技術(shù)路線

利用遙感反演獲得的植被參數(shù)，結(jié)合氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)和GIS分析獲得的地形參數(shù)，代入Rothermel模型進(jìn)行運(yùn)算，獲得任意柵格在風(fēng)坡影響下林火蔓延的最大速度，公式如下式所示。

通過上述算法獲得的林火蔓延速度是火災(zāi)最大蔓延方向上的蔓延速率，對(duì)其他方向的蔓延速率仍需進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)火災(zāi)蔓延的通識(shí)性規(guī)律，采用最具有代表性的橢圓模型對(duì)火場趨勢(shì)進(jìn)行模擬，在無風(fēng)無坡的場景下，火向四周等速蔓延，火場形狀接近圓形，氣象和地形條件穩(wěn)定不變時(shí)，蔓延形狀為長橢圓形。在已知最大蔓延速率和方向的前提下，計(jì)算火點(diǎn)朝著周圍不同方向蔓延時(shí)的速率。

因此其他方向的蔓延速度可按如下公式4構(gòu)造。

無風(fēng)無坡時(shí)，火點(diǎn)向四周蔓延的速度一致，記為，為風(fēng)坡對(duì)林火蔓延速度的加成。為最大蔓延速度方向與目標(biāo)（待計(jì)算）方向的夾角。圖2展示了橢圓模型計(jì)算林火蔓延速度的基本原理。林火向四周蔓延，在風(fēng)和坡影響下，火場形狀為橢圓形。矢量表明了在風(fēng)坡綜合影響下，起火點(diǎn)蔓延的速度和主方向；又稱“前火頭”的方向。同時(shí)，起火點(diǎn)也會(huì)朝著背風(fēng)背坡的方向緩慢蔓延，背向蔓延速度最快的方向?yàn)椤昂蠡痤^”的方向。根據(jù)下圖可知，在1個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，火點(diǎn)順著火頭方向蔓延最遠(yuǎn)距離為b+c，火尾方向蔓延距離最遠(yuǎn)為b-c，火場側(cè)翼寬度為2a。

基于不同柵格間林火蔓延速度估算的結(jié)果，利用柵格分析方法，將已起火的點(diǎn)視為當(dāng)前火源，火源周邊相鄰的一層?xùn)鸥褚暈榇紖^(qū)域，計(jì)算當(dāng)前火源向待燃區(qū)域任意一點(diǎn)的最快蔓延時(shí)間。采用MIIT最短路徑法，逐柵格向外傳播，從而實(shí)現(xiàn)地表火蔓延趨勢(shì)推演的效果。算法流程圖如圖3所示。

4 “3·30”丫髻山森林火災(zāi)案例驗(yàn)證

4.1 案例基本情況

丫髻山，位于平谷區(qū)劉家店鎮(zhèn)北部，且與北京市密云縣接壤，是華北道教圣地，山頂上的碧霞元君祠距今已有1300余年的歷史。2019年3月30日，密云區(qū)鄭某等6人修理水管，不慎將水管下方土坑內(nèi)雜草點(diǎn)燃，引發(fā)密云山火，因風(fēng)勢(shì)較大，火迅速蔓延至丫髻山。本次火災(zāi)出動(dòng)2000余名撲救力量參與撲救，歷時(shí)22小時(shí)才將明火全部撲滅?？傆?jì)造成過火面積680畝，是北京市近年來過火面積最大、撲救時(shí)間最長、投入力量最多、處置難度最大的一起森林火災(zāi)。

表1 Rothermel模型參數(shù)說明

表2 補(bǔ)充公式

圖2 橢圓模型計(jì)算原理示意圖

圖3 分種類林火蔓延模型算法流程圖

表3 “3·30”丫髻山森林火災(zāi)關(guān)鍵事件時(shí)間表

這次山火給丫髻山造成巨大損失，萬余棵樹木被燒毀，千年古觀險(xiǎn)些毀于一旦，火場一度距主峰碧霞元君祠和玉皇閣不足30米。根據(jù)表3所示的事件詳細(xì)時(shí)間線判斷，至3月30日當(dāng)晚20時(shí)許，火場邊界擴(kuò)展蔓延的趨勢(shì)已基本得到控制。

4.2 模型案例驗(yàn)證結(jié)果

本次研究使用Landsat8衛(wèi)星提采集2019年3月26日的OLI傳感器多光譜數(shù)據(jù)制作林地覆蓋圖、植被含水率圖和林地可燃物質(zhì)圖，數(shù)據(jù)空間分辨率為30米。如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 丫髻山林地二值圖

圖5 丫髻山林地植被含水率圖（單位：%）

圖6 丫髻山林地可燃物質(zhì)圖（單位：噸/公頃）

圖7 森林火災(zāi)蔓延趨勢(shì)預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果

采集林火蔓延模擬時(shí)間段內(nèi)（3月30日12:00至20:00）的氣象站逐小時(shí)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用30米分辨率DEM數(shù)據(jù)，代入模型進(jìn)行計(jì)算。模型分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 中紅色漸變區(qū)域?yàn)槟Ｐ屯蒲莸倪^火區(qū)域，不同顏色代表火災(zāi)到達(dá)時(shí)間（逐小時(shí)區(qū)分），綠色為植被覆蓋的區(qū)域，黑色為無植被覆蓋（不可燃）的區(qū)域。黑色分割線左右兩側(cè)分別為密云及平谷區(qū)，圖中黃色三角為起火點(diǎn)位置，黃色五角星為碧霞元君祠的位置。從圖中可以看出，起火約8個(gè)小時(shí)，火場蔓延至碧霞元君祠附近，與新聞報(bào)道中火場距主峰碧霞元君祠不足30米的描述基本吻合。事件發(fā)生第一時(shí)間，利用模型進(jìn)行火場態(tài)勢(shì)分析，將有助于提前部署救援力量，制定人員轉(zhuǎn)移方案，可以認(rèn)為，模型分析結(jié)果對(duì)于森林火災(zāi)事件的處置決策具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)論與展望

遙感技術(shù)的利用，可以有效解決森林火災(zāi)蔓延趨勢(shì)預(yù)測模型參數(shù)獲取難、算法落地性差的問題，使用模型對(duì)林火蔓延態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析將有效提高火場態(tài)勢(shì)研判、應(yīng)急處置輔助決策的科學(xué)性。未來還可以進(jìn)一步研究可燃物床層厚度、可燃物表面積體積比等參數(shù)的遙感技術(shù)采集方法，進(jìn)一步提高模型研判的科學(xué)性。

隨著科學(xué)的發(fā)展，森林火災(zāi)應(yīng)急管理智能化水平進(jìn)一步提升，對(duì)森林防火預(yù)警預(yù)測、信息發(fā)布和指揮研判能力提出了更高的要求。融合高精度高光譜遙感影像、智能模型分析等高新技術(shù)的智慧林火將是未來的發(fā)展方向，將助推北京市森林火災(zāi)應(yīng)急處置工作向高精準(zhǔn)、智能協(xié)同的方向發(fā)展。