基于多源異構數據的森林火災綜合分析系統(tǒng)（WIFIRE）*

南京森林警察學院 張水鋒，彭徐劍，詹慶斌

森林火災行為取決于天氣、地形和水文等多種快速演化的環(huán)境因素[1-3]。為森林火災的蔓延提供準確的預測一直是研究的重要目標[4-5]。無論是作為災前的規(guī)劃工具用于計劃，還是作為災中火災的蔓延預測工具，森林火災蔓延模型的準確性以及其及時提供有用信息的能力都是至關重要的。盡管目前已開發(fā)了大量的火災預測模型[6-8]，但它們在使用操作中的作用仍然相對有限，部分原因在于所有的模型本質上都是近似地對現實的抽象簡化。由于支持這些模型的數據，如可燃物、地形、天氣等會受到不確定性因素和有限的分辨率的影響[9-10]。解決這一問題的一種新方法是將現有模型和實時觀測相結合，利用野外火災動態(tài)的實時觀測來降低模型保真度和輸入數據的不確定性。這種新方法可稱為數據驅動建模，數據驅動建模允許最優(yōu)使用信息，以改進的系統(tǒng)動力學模型進行預測。數據驅動的火災模型動態(tài)集成了遙感等多源異構的數據，有助于捕捉和預測火災變化，數據驅動建模方法是WIFIRE系統(tǒng)設計的核心思想。

一、WIFIRE簡介

WIFIRE是美國國家科學基金會（NSF）贊助的一個合作項目，由圣地亞哥超級計算機中心、加州大學圣地亞哥分校（UCSD）以及馬里蘭大學（UMD）共同合作，并成功地創(chuàng)建了一個用于實時和數據驅動的模擬、預測和可視化森林火災行為的綜合分析系統(tǒng)。為森林火災的蔓延提供準確的預測一直是火災界研究的重要目標，而WIFIRE系統(tǒng)的構建目標之一就是提供一個能夠更準確地預測森林火災蔓延速率的工具。為此，WIFIRE開發(fā)了用于獲取和可視化高密度傳感器網絡數據的接口，并同時基于存檔和傳感等數據開發(fā)了一個復雜有效的數據分析模型，以完善區(qū)域天氣和森林火災的預報工作。此外，為使系統(tǒng)中的地理空間數據可以被訪問，WIFIRE系統(tǒng)中還開發(fā)了一個基于web瀏覽器的平臺[11]。平臺通過將GIS功能與可擴展的大數據集成和處理相結合，能夠簡單地選擇性地執(zhí)行模型以運行WIFIRE，其運行結果很容易查看、共享，并且可以作為時間序列動畫展示。WIFIRE系統(tǒng)利用了異構衛(wèi)星數據和實時遙感數據的計算技術，在信號處理、可視化、建模和數據同化方面提供了一種彈性技術方案，以監(jiān)測天氣模式，預測森林火災的蔓延速度。

二、WIFIRE的技術特征

（一）集成功能模塊

WIFRE系統(tǒng)基于云計算環(huán)境的科學與工程工作流（Scientific and Engineering Workflows）技術，實現了可視化編程、可擴展的并行執(zhí)行、標準化數據接口以及重用性和再現性。其中，技術集成后主要的功能模塊包括數據通信、火災行為建模和數據同化、工作流管理、數據挖掘和系統(tǒng)的可視化交流等五個方面。

（1）數據通信功能模塊。WIFIRE的數據通信功能模塊集中了森林火災建模所需的全部數據，用于處理各種地面和空中傳感器數據、衛(wèi)星圖像以及其他實驗、建模數據集的輸入和整合。對現場部署的傳感器使用低延遲傳感器數據傳遞機制，支持原始或預處理數據的可伸縮性和快速可用性。

（2）火災行為建模和數據同化功能模塊。WIFIRE中密集的天氣傳感器和遠程互聯網連接為森林火災蔓延行為的數據同化計算提供了大量的數據資源，通過數據同化技術可以實時測量火場的火災行為，以糾正模擬誤差。

（3）工作流管理功能模塊。工作流是由數據依賴關系鏈接在一起的步驟或任務組成。工作流管理功能模塊是整個WIFIRE 架構的一個重要組成部分，用于確保所開發(fā)的數據訪問和建模工具的系統(tǒng)集成和可編程性、計算可擴展性和再現性。

（4）數據挖掘功能模塊。數據挖掘技術應用于WIFIRE主要是為了了解影響火災行為的環(huán)境條件。例如，對氣象站數據的分析可以確定與目標區(qū)域條件相關的天氣數據模式。

（5）系統(tǒng)的可視化交流功能模塊。WIFIRE在可視化方面的研究正試圖拓展包括虛擬現實、移動數據采集和網絡地圖等方面的功能。其中，虛擬現實的沉浸式、可視化對于理解火災行為的復雜過程和測試可視化火災事件數據非常重要。

（二）數據特征

WIFIRE系統(tǒng)的運行以大量的多源異構數據為支撐。首先，遴選區(qū)域高分辨率衛(wèi)星圖像和土地利用類型圖作為基礎數據，采用監(jiān)督機器學習等人工智能技術重新分析處理數據的空間異質性，從而制作更高分辨率的圖像輸入系統(tǒng)，為實現更好的火災預測提供精確的背景數據。WIFIRE系統(tǒng)中集成的數據還包括氣候研究和預報模型數據、森林火場布置的氣象傳感器數據、山頂布置的網絡攝像機數據、MODIS衛(wèi)星圖像的火點數據，以及通過UAV拍攝的低空影像數據等（如表1所示）。其中，數據的獲取注重對實時傳感器遙測數據的集成，由此可為系統(tǒng)運行提供更好的態(tài)勢感知，將其集成到森林火災應急處理的決策過程中是該系統(tǒng)的關鍵。

表1 WIFIRE系統(tǒng)中的數據類型與分辨率

隨著區(qū)域環(huán)境中多源異構傳感遙測數據的不斷增加，需為大數據分析提供一個系統(tǒng)的、易于維護的編程環(huán)境，以便將高維度異構傳感器數據實時縮降為低維度的表示。而系統(tǒng)中采用的數據同化和參數估計技術可用于解決將高維數據集降低到適合分析的低維的需求。

（三）基本系統(tǒng)架構

WIFIRE系統(tǒng)是為解決方案而設計的，這些解決方案能夠實現森林火災管理的聯合創(chuàng)新和不同用戶之間的協作。WIFIRE作為一個軟件產品集成了豐富得多源異構傳感遙測數據。系統(tǒng)中新的數據同化和參數估計技術的應用將這些遙測數據集縮減為參數化的低維模型，以預測不斷變化環(huán)境中的森林火災的蔓延速率?？茖W工作流也被用于已開發(fā)技術的集成，并作為分布式編程與執(zhí)行模型支持系統(tǒng)不同組件和異構計算平臺的接口（其基本系統(tǒng)架構如圖1所示）。為改進對森林火災蔓延的監(jiān)測、建模和預測的數據處理功能，主要包括三大組件：

圖1 WIFIRE的基本系統(tǒng)架構

（1）基于開源的開普勒科學工作流系統(tǒng)的科學與工程中央組織模塊，在分布式計算環(huán)境中協調實時數據的處理和火災蔓延分析工具的執(zhí)行。

（2）連接存檔數據與信息、實驗數據、建模工具和來自不同數據源集的異構傳感器數據的數據通信層。

（3）用于向不同終端用戶傳播數據的接口，包括政府管理單位、科研工作者、各種終端接收器以及基于Web 2.0的公共系統(tǒng)發(fā)布展示平臺。

三、總結與展望

WIFIRE系統(tǒng)作為一個端到端的森林火災綜合分析網絡基礎設施，可實時和大數據驅動模擬、預測和可視化森林火災行為，主要用于分析大維度異構實時傳感數據。系統(tǒng)支持在新的模型下使用新的數據，使數據能夠服務于森林火災管理的態(tài)勢感知、火災建模和應急響應。該系統(tǒng)是多學科交叉合作深入研究而形成的成果，它提高了森林火災的預警和監(jiān)測能力，有利于提高對森林火災作出應急響應和災后恢復的能力。該系統(tǒng)改善了實時信息在動態(tài)數據驅動操作程序中的使用，并以一種前所未有的方式將從研究中提煉出來的變革性概念集成到操作環(huán)境中。未來應更加注重對WIFIRE等森林火災綜合分析應急響應系統(tǒng)平臺的研究和推廣，提高科學和技術的轉化利用率，為相關的森林火災防范、準備、響應和恢復等政策制定提供幫助。