吳瑞旭，徐偉恒,王秋華，楊磊，劉黃飛

(1.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

云南省是中國(guó)生物多樣性最為富集和獨(dú)特的地區(qū)，據(jù)2016年底統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全省森林覆蓋率達(dá)55.7%，其中林地面積達(dá)2.5×107hm2，居全國(guó)第二位；森林面積達(dá)1.99×107hm2，居全國(guó)第二位；森林蓄積量17.68×107m3，居全國(guó)第二位。由于云南省的林業(yè)資源主要分布于高原山地，所以云南省也是中國(guó)森林火災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。

高原山地林火蔓延模擬復(fù)雜，具有森林植被分布特殊，地形地貌復(fù)雜，小氣候多樣化，火災(zāi)來(lái)源廣泛的特點(diǎn)[2]。隨著林火蔓延模擬技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)和多維可視化技術(shù)構(gòu)建林火蔓延模擬環(huán)境能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，提供更加逼真、信息豐富的火場(chǎng)預(yù)測(cè)信息，可以更加直觀地顯示林火蔓延過(guò)程，及時(shí)制定林火撲救方案，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為云南高原森林防火、撲火工作提供科學(xué)支撐。林火蔓延模型可分為3大類(lèi)：物理模型和半物理模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shù)學(xué)模型和仿真模型。目前世界主流的幾種林火蔓延模型是美國(guó)的Rothermel模型[3]、加拿大林火蔓延模型[4]、中國(guó)的王正非林火蔓延模型以及在這些模型基礎(chǔ)上的修正模型[5]。蔓延模型選擇有4個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)：模型的功能、模型適用的地區(qū)和植被類(lèi)型、模型的假設(shè)條件、模型的檢驗(yàn)頻數(shù)等[6]。目前，廖超[7]基于DEVS林火蔓延預(yù)測(cè)方法結(jié)合王正非林火蔓延模型分解林火蔓延方向，模擬南方林火區(qū)域，結(jié)合模型參數(shù)，實(shí)時(shí)分析相關(guān)地區(qū)柵格數(shù)據(jù)，與實(shí)際蔓延比較分析誤差范圍可達(dá)10%左右。根據(jù)云南本地實(shí)際情況，王惠等[8]使用的Rothermel模型在結(jié)合惠更斯原理的前提下，使用矢量方法，模擬計(jì)算火頭節(jié)點(diǎn)，控制模型的空間和時(shí)間分辨率，模擬結(jié)果的基本特征和實(shí)際的相符。楊廣斌[9]設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)林火蔓延系統(tǒng)表明該技術(shù)在林火蔓延模擬研究具有可行性。

本文基于Rothermel模型[10]，依據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)原理設(shè)計(jì)蔓延方法，利用ArcGIS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[6]，構(gòu)建了三維林火蔓延可視化預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

1 研究區(qū)概況

溫泉鎮(zhèn)隸屬安寧市，位于昆明市西南方40km處，地處102°20′59″-102°31′10″E，24°55′41″-25°2′38″N，面積38.178km2，海拔1 690-2 515m，最大坡度63°，年均溫約16℃，年均降雨量900mm，其中下半年降雨量786mm，約占全年87.3%。該地重大森林火災(zāi)較多，如1986年“3.28”重大森林火災(zāi)、1995年“4.17”重大森林火災(zāi)，因此，森林防火期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月左右。本文以2006年發(fā)生的“3.29”重大森林火災(zāi)作為研究對(duì)象，林火起火點(diǎn)位于溫泉鎮(zhèn)西北部的古朗箐林區(qū)[1]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

安寧“3.29”森林火災(zāi)起始于2006年3月29日下午1700，本文根據(jù)安寧市溫泉鎮(zhèn)DEM、森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)(圖1)及火災(zāi)發(fā)生時(shí)段當(dāng)?shù)氐臍庀笮畔⒆鳛榱只鹉M數(shù)據(jù)。模擬2006年3月29日下午1700-2300時(shí)，共計(jì)6小時(shí)林火蔓延結(jié)果。

圖1 溫泉鎮(zhèn)DEM數(shù)據(jù)及森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)

2.2 蔓延參數(shù)提取

研究區(qū)域地形，坡度變化大，主要使用Rothermel模型[3]，結(jié)合相關(guān)參數(shù)模擬蔓延，根據(jù)蔓延模型特征參數(shù)解析，結(jié)合實(shí)際地理狀況，提取具體參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 Rothermel模型參數(shù)

根據(jù)火災(zāi)蔓延區(qū)域概況，對(duì)森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，模擬Rothermel公式所需參數(shù)。如計(jì)算W0可燃物載量(kg/m2)，可以結(jié)合云南松林可燃物載量預(yù)測(cè)模型研究，需要提取平均胸徑、平均樹(shù)高、年齡、郁閉度參數(shù)，見(jiàn)圖2。模擬計(jì)算得出，可燃物載量=1 045.130-299.811×平均胸徑+57.043×平均樹(shù)高+202.737×年齡+5 068.034×郁閉度/100。

平均胸徑平均樹(shù)高年齡郁閉度平均胸徑平均樹(shù)高年齡郁閉度4524520602616525353018507025814930703016510065256149507029816350652541732570288174257025415306528173804025415635402761655060252151306527415430602521640652721594060248148040271692565

圖2林業(yè)二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)圖

Fig.2 Forestry second-class survey data

線性回歸分析參數(shù)計(jì)算有多種方法，所提取二類(lèi)調(diào)查參數(shù)不同，線性回歸計(jì)算公式也不同，如果柵格二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)不完整，計(jì)算線性回歸方程參數(shù)也需要調(diào)整，因此需要取舍，見(jiàn)表2。

表2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法

2.3 模型及參數(shù)計(jì)算方法

Rothermel模型以林火實(shí)驗(yàn)為依據(jù)、以燃燒物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，是一種基于能量守恒定律的半理論半經(jīng)驗(yàn)的林火蔓延數(shù)學(xué)模型[13]。模型抽象程度較高，幾乎涵蓋了能影響燃燒的所有因素，Rothermel模型模擬該地區(qū)林火蔓延更具科學(xué)性和合理性，根據(jù)溫泉鎮(zhèn)地理位置、氣候環(huán)境、地形地貌等多方面分析，結(jié)合此次研究，地表火蔓延選擇使用Rothermel模型，公式為R=IRζ(1+ΦW+ΦS)/ρbεQig。式中，R是林火蔓延速度(m/min)；IR為火焰區(qū)反應(yīng)強(qiáng)度(kJ/m2·min)，IR根據(jù)表2參數(shù)計(jì)算；ζ為火的蔓延率(無(wú)因次)；ΦW為風(fēng)速修正系數(shù)；ΦS為坡度修正系數(shù)；ρb為可燃物床層密度(kg/m3)；ε為有效熱系數(shù)(無(wú)因次)；Qig為預(yù)燃熱，即點(diǎn)燃單位質(zhì)量的可燃物所需的熱量(kJ/kg)。蔓延距離計(jì)算，見(jiàn)圖3。

圖3 蔓延距離

由Rothermel模型公式可知，把蔓延距離按順時(shí)針?lè)较蚍纸鉃?個(gè)方向的分力，見(jiàn)表3。

表3 林火蔓延分解

根據(jù)平行四邊形法則，以正北方向?yàn)轫槙r(shí)針起點(diǎn)，設(shè)為0°，計(jì)算風(fēng)向及坡向合力方向?yàn)榛痤^方向，火頭蔓延角度為A°，根據(jù)火頭方向坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)A°后，設(shè)L =(上，上右，右，右下，下，下左，左，左上)，分割坐標(biāo)軸為8個(gè)象限，見(jiàn)表4。

表4 林火蔓延坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)

K(i-1，j-1)K(i-1，j)K(i-1，j+1)K(i，j-1)K(i，j)○K(i，j+1)K(i+1，j)K(i+1，j)K(i+1，j+1)

圖4元胞蔓延原理

Fig.4 Principle of cell spread

2.4 數(shù)字三維地形可視化

DEM是對(duì)地形地貌離散的數(shù)字表達(dá)，是對(duì)地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法和途徑。三維地形的生成，首先利用三角網(wǎng)生成方法，首先提取高程點(diǎn)，把點(diǎn)集劃分到足夠小，使其易生成三角網(wǎng)，然后把子集中的三角網(wǎng)合并生成最終的三角網(wǎng)，由TIN內(nèi)插格網(wǎng)DEM利用等高線建立TIN后，可以由TIN解求該區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的高程，通過(guò)三維分析方法，在三維空間坐標(biāo)系中生成可視化地形[15]。

三維表面生成實(shí)際是DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。ArcGIS軟件二次開(kāi)發(fā)共提供兩種數(shù)據(jù)來(lái)生成三維可視化數(shù)字模型。一種是基于單元數(shù)字地形表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)(Raster)，另外一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)(TIN)，本文三維地形數(shù)據(jù)生成模式以數(shù)字地形表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)(Raster)為主。在提取中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云30m分辨率DEM數(shù)據(jù)影像圖后，獲取相應(yīng)柵格的灰度值，生成三維立體影像圖，并在系統(tǒng)界面中顯示。

三維場(chǎng)景顯示包括瀏覽和設(shè)置兩部分，其中場(chǎng)景瀏覽功能由ToolbarControl控件實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)景設(shè)置功能主要有疊加紋理數(shù)據(jù)和分層設(shè)色。疊加紋理數(shù)據(jù)就是在原有的DEM生成的三維地形表面映射該區(qū)域其他柵格數(shù)據(jù)，讓它具有地形起伏的三維顯示效果，使三維場(chǎng)景也更加真實(shí)。分層設(shè)色是將地貌按高程劃分為若干高程帶，逐帶設(shè)置不同且漸變的顏色表示地面起伏形態(tài)，能立體地直觀地表達(dá)地貌高程分布。首先使用DEM數(shù)據(jù)圖灰度值生成三維可視化立體地形圖，并進(jìn)行柵格處理，生成林火蔓延工作圖，疊加在原有的三維地形圖之上(圖5)。

圖5 三維可視化地形

疊加衛(wèi)星遙感圖像，使三維可視化效果更加明顯，見(jiàn)圖6。

(a)

(b)

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)輸入

中心火點(diǎn)位于安寧市溫泉鎮(zhèn)，坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為138°12′49.9″E,26°49′47.105″N。三維林火蔓延預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)輸入有2種模式：

(1)直接輸入固定參數(shù)即調(diào)查模擬數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖7。

圖7 參數(shù)輸入界面

(2)讀取林業(yè)二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，定義public string GetField (double x1,double y1,string FieldName)函數(shù)，根據(jù)坐標(biāo)提取林業(yè)二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)得到指定屬性值并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，代入蔓延模擬模型進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖8。

圖8 參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算

風(fēng)向、風(fēng)速、時(shí)間步長(zhǎng)等因素在系統(tǒng)軟件界面直接錄入，見(jiàn)圖9。

圖9 其他參數(shù)計(jì)算

3.2 模擬蔓延過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化

蔓延模擬以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，每當(dāng)火點(diǎn)處于柵格范圍中，同時(shí)讀取柵格范圍里相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出八方向速度，渲染柵格求出模擬蔓延范圍，見(jiàn)圖10。

圖10 蔓延模擬流程圖

結(jié)合研究方法，計(jì)算蔓延面積，系統(tǒng)界面見(jiàn)圖11。在系統(tǒng)界面中可以輸入或點(diǎn)取坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)安寧3.26火災(zāi)預(yù)測(cè)火點(diǎn)位置(102.41875°E，25.012408°N)作為初始火點(diǎn)。設(shè)置一定的時(shí)間步長(zhǎng)，蔓延總時(shí)長(zhǎng)以分鐘為單位共計(jì)360min，即6h。保存并復(fù)制研究區(qū)域DEM圖，并作為火災(zāi)區(qū)域浮于其他圖層數(shù)據(jù)之上。結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)原理，當(dāng)火頭與柵格火點(diǎn)中心的蔓延距離超過(guò)柵格邊長(zhǎng)，將未蔓延?xùn)鸥褡鳛樾碌臇鸥窕瘘c(diǎn)并進(jìn)行渲染，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，林火蔓延區(qū)域逐步擴(kuò)大，并在三維地形可視地圖中顯示，見(jiàn)圖12。

圖11 系統(tǒng)界面

(a)

(b)

當(dāng)火災(zāi)結(jié)束時(shí)，渲染結(jié)束，計(jì)算面積和周長(zhǎng)，見(jiàn)圖13，過(guò)火區(qū)域?yàn)榧t色，過(guò)火面積為22.68km2，周長(zhǎng)為3.66km。

圖13 模擬完成圖

4 結(jié)論與討論

本研究使用Rothermel模型結(jié)合動(dòng)態(tài)元胞自動(dòng)機(jī)原理對(duì)林火蔓延進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，在ArcGIS軟件Scene的基礎(chǔ)上，生成林火區(qū)域三維可視化場(chǎng)景。系統(tǒng)根據(jù)需要直接輸入或計(jì)算可燃物載量、含水率、可燃物床深等模型參數(shù)，在輸入火點(diǎn)位置信息后，可以預(yù)測(cè)地表火發(fā)生后時(shí)間段范圍內(nèi)林火區(qū)域的面積、周長(zhǎng)，在三維系統(tǒng)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬火情。該系統(tǒng)可以為林火預(yù)警、分析、統(tǒng)計(jì)和應(yīng)急預(yù)案的制定提供參考，讓滅火者直觀了解火場(chǎng)動(dòng)態(tài)，從而有助于對(duì)火情做出正確的判斷。

云南高原山地分布范圍廣，數(shù)據(jù)參數(shù)獲取復(fù)雜，如果要進(jìn)一步提高林火蔓延模擬應(yīng)用的精度水平，需要建立更加有效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，形成蔓延區(qū)域柵格數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)調(diào)取參數(shù)信息，從而提高林火蔓延計(jì)算效率，為以后的研究工作做出進(jìn)一步貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖慧娟,岳彩榮,袁華,等.滇中安寧“3·29”重大森林火災(zāi)火燒跡地的可燃物特征初步分析[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2013,38(6):72-76.

[2]鄧歐,李亦秋,馮仲科,等.基于空間Logistic的黑龍江省林火風(fēng)險(xiǎn)模型與火險(xiǎn)區(qū)劃[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(8):200-205.

[3]單延龍,舒立福,王洪偉,等.Rothermel火蔓延模型特征參數(shù)的解析[J].森林防火,2003(1):22-25.

[][]

[4]Aleander M E.Surface fire spread potential in trembling Aspen during summer in the Boreal Forest Region of Canada[J].The Forestry Chronicle,2010,86(2):200-212.

[5]毛學(xué)剛,范文義,李明澤,等.基于GIS模型的林火蔓延計(jì)算機(jī)仿真[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(9):38-41.

[6]Perry G,Owens I F,Sparrow A D.A GIS-supported model for the simulation of the spatial structure of wildland fire,Cass Basin,New Zealand[J].The Journal of Applied Ecology,1999,36(4):502-518.

[7]廖超.基于DEVS的林火蔓延預(yù)測(cè)方法研究[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2015.

[8]王惠,周汝良,莊嬌艷,等.林火蔓延模型研究及應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,22(3):295-300.

[9]楊廣斌.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的林火蔓延模擬系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2008.

[10]Seroguillaume O,Ramezani S,Margerit J,etal.On large scale forest fires propagation models[J].Internatianal Journal of Thermal Sciences,2008,47(6):680-694.

[11]唐榮逸,周汝良.云南松可燃物載量預(yù)測(cè)模型研究[J].山東林業(yè)科技,2007(1):1-3，11.

[12]劉昕,邸雪穎.三種方法對(duì)森林地表可燃物含水率的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[J].森林工程,2013,29(2):8-13,20.

[13]梁娛涵.應(yīng)用Rothermel模型的林火蔓延可視化研究[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2009.

[14]張菲菲.基于地理元胞自動(dòng)機(jī)的林火蔓延模型與模擬研究[D].汕頭:汕頭大學(xué),2011.

[15]黃晶晶.數(shù)字高程模型TIN和等高線建模[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2007.