周 全

(西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224)

研究內容

森林火災是林業(yè)災害中對社會、經濟及環(huán)境發(fā)展影響范圍最廣和破壞性最大的一種自然災害。森林火災是一個極其復雜的自然現(xiàn)象，受眾多自然因素和社會因素的影響，包括可燃物類型、地形、天氣等因素，而林火發(fā)生又具有突發(fā)性，要在很短的時間內判斷林火的發(fā)展趨勢，并及時采取相應的決策措施，同時還要隨時掌握現(xiàn)場的狀況，作為決策者要做到這一步就必須采用先進的科學技術來提高自身的判斷能力和現(xiàn)場指揮能力。森林火災的發(fā)生，不僅燒毀森林植被，影響林木生長和更新，破壞森林結構，危害生態(tài)平衡，它還燒毀林區(qū)設施，對人類的生命財產以及生態(tài)環(huán)境都造成了巨大的危害。因此，如何嚴格預防、盡早發(fā)現(xiàn)和及時撲救森林火災，快速準確地引導滅火人員到達現(xiàn)場，是森林防火部門急需解決的問題。

在森林防火的日常管理工作中，工作人員需要面對各種數(shù)據(jù)，如氣象、地形地貌、著火面積、著火規(guī)模等許多因子，這些數(shù)據(jù)既包括空間數(shù)據(jù)又包括屬性數(shù)據(jù)，對這些實時數(shù)據(jù)進行綜合分析并及時的找出解決問題的合理方案，借用傳統(tǒng)方法不是一件很容易的事，特別是火災進行過程中，決策的及時性具有重要意義，要在很短的時間內判斷林火的發(fā)展趨勢，及時決策、及時指揮撲救、減少火災損失，快速掌握現(xiàn)場的狀況，只有借助于GIS、GPS、RS、網絡、通訊、可視化等多種技術手段才能快速、準確的完成此項工作。因此研制出一套集實時監(jiān)測、預報、蔓延模擬、損失評估、滅火輔助決策于一身的、可靠的、科學的森林防火系統(tǒng)是十分必要的。

研究方向的發(fā)展歷史

1 森林防火工作中存在的主要問題

1.1 火點定位

目前現(xiàn)有的防火信息系統(tǒng)中，火點主要是靠衛(wèi)星圖像和GPS 來進行定位。由于火災發(fā)生的隨機性，據(jù)專家分析，如果利用遙感衛(wèi)星來對森林火災進行監(jiān)測，就需要衛(wèi)星提供在較短的時間間隔內不間斷的提供影像，而且時間間隔不能超過兩小時，目前，民用方面很難達到的［2］。同時，遙感圖像定位火點在大范圍的火災監(jiān)測中應用比較多，但在南方林區(qū)的小火災中，受到衛(wèi)星分辨率和經濟等因素的制約，還難以真正實施。由于基層林業(yè)管理部門的森林資源信息化管理的程度非常低，很難做到每個護林員都能夠配備GPS 接收機。因此，目前現(xiàn)有的森林防火信息系統(tǒng)中火點定位的方式難以適應森林防火管理部門的需要。

1.2 林火蔓延

由于林火行為涉及學科種類繁多，影響因素眾多。在很長一段時間內，人們對火勢發(fā)展的趨勢更多是依靠個人經驗進行判斷和分析，很難做到準確的、科學的對火勢蔓延趨勢進行預測，因而不同程度地影響了火災撲救的現(xiàn)場指揮和撲火決策的判斷。因此如何做到準確的、快速的對林火蔓延趨勢進行分析和預測，使火災的損失降到最低，應是林火管理者應該思考的問題。

1.3 地圖表現(xiàn)形式

傳統(tǒng)的GIS只能處理二維的信息，其應用往往只是處理地球表面的數(shù)據(jù)。即使必須要考慮高程時，也只能將三維簡化后再進行處理，即把高程作為地球實體的一種屬性，也就是通常所說的2.5 維空間。但隨著工作的深入，林火管理者迫切的需要通過運用虛擬三維技術，直觀的、真實的展現(xiàn)火場周邊環(huán)境。通過三維可視化的運用，火災指揮人員只需坐鎮(zhèn)指揮中心，就能夠身臨其境地了解火場周邊情況，并對撲火工作進行準確的指揮。

2 GIS 技術在森林防火管理中的應用

2.1 火點定位

2.2 火災決策分析

火災發(fā)生時，快速的掌握火災周圍的情況能夠對撲火決策提供有效的依據(jù)。因此當火災發(fā)生時，系統(tǒng)將根據(jù)各類專題圖層的空間數(shù)據(jù)，計算出離火點最近的水源、道路、救援隊伍、防火隔離帶等要素，同時系統(tǒng)還對可能受破壞的電線塔、重點保護對象、居民點、小班等要素進行預警提示。這樣決策者就能根據(jù)系統(tǒng)預警信息對滅火工作進行部署與指揮。系統(tǒng)中還包含非常全面的道路信息，隨時可查到各種等級的道路，這對防火工作至關重要。運用最佳路徑分析功能，系統(tǒng)提供從物質供應點或者救火車輛?？奎c到火災發(fā)生點的最佳路徑，同時結合水系分布，提供快速決策功能。根據(jù)火場當前狀況或蔓延模擬情況、火場周圍地區(qū)的道交通情況、水系分布情況以及火源附近撲火隊伍分布情況，對撲火隊伍行進路線進行智能計算，輔助撲火部門制定最終的撲救方案。

2.3 林火蔓延分析

林火因風向、風速、地形、植被類型和分布情況的不同，出現(xiàn)不同的蔓延形狀。林火專家多年研究，發(fā)現(xiàn)林火蔓延存在一定的規(guī)律。因此研究、了解、掌握其基本規(guī)律對撲救森林火災極為重要?；饎萋又饕芑馂牡貐^(qū)每天的最高溫度、中午風力、可燃物類型、風力、坡度、風向六大要素影響。因此根據(jù)前方護林人員送報上來的相關數(shù)據(jù)，運用林火蔓延預測模型，我們可以做到對火勢蔓延趨勢進行預測和分析，同時計算出火頭、火翼、火尾速度以及蔓延面積等數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬計算結果，系統(tǒng)自動生成火場發(fā)展形勢圖，并通過GIS 技術直觀而科學地表現(xiàn)出來，為防火部門提供一個輔助決策工具。

2.4 火情態(tài)勢標繪

態(tài)勢標繪即在屏幕地圖的基礎上，標繪行動和過程的一種手段，其基本依托為防火符號庫和屏幕地圖。火情態(tài)勢標繪信息按統(tǒng)一格式存檔形成林火勢態(tài)圖層，達到火場與指揮中心的信息同步。指揮中心能夠通過火情態(tài)勢圖及時了解當前火勢以及救援情況，為下一步的滅火工作提供依據(jù)。

2.5 火災損失評估

火場損失評估的研究內容是根據(jù)現(xiàn)實火場數(shù)據(jù)以及森林分布數(shù)據(jù)，對森林火災造成的森林損失進行統(tǒng)計和分析。損失評估的指標很多，系統(tǒng)采用損失面積、蓄積作為損失評估指標。通過損失評估，可以了解森林損失的總面積、總蓄積以及按林分類型統(tǒng)計的損失面積和蓄積，為林業(yè)部門清理火燒跡地，制定和實施更新等各種恢復森林的措施提供決策依據(jù)。

3 前人的主要研究成果

隨著氣象科學、遙感技術、電子計算機、激光、通訊和航空航天技術的蓬勃發(fā)展，加上現(xiàn)代科學管理的滲透，都為森林防火提供了先進的手段和技術條件。如林火監(jiān)測、火險預報、林火行為研究以及計算機林火管理系統(tǒng)等新技術的應用，為有效地控制森林火災的發(fā)生，把森林火災的損失降低到最低限度提供了保證。世界發(fā)達國家在這方面做出了典范。美國和加拿大在林火行為研究、森林火災預防、監(jiān)測和撲救方面，一直走在世界前列。1972年美國研制出國家級火險預報系統(tǒng)伽FDRS)，并在全國得到廣泛應用。1978年系統(tǒng)進行了修改，使其進一步完善。該系統(tǒng)是即能做火險預報，也能做林火發(fā)生預報，還能做林火行為預報的綜合性系統(tǒng)，代表當時世界林火預報的最高水平。1987年加拿大研制出微型計算機支持的森林火險等級系統(tǒng);1988年美國在微型機上研制出了野外火管理輔助決策系統(tǒng)。模擬林火空間蔓延趨勢的Farsite 軟件由美國Intemational Firesciences Laboratory 設計完成，正在美國推廣。其它國家如前蘇聯(lián)、印度等國也根據(jù)自己的國情，研制出了類似的林火管理系統(tǒng)。

近年來，計算機技術也正在逐漸向我國森林防火管理中滲透。我國森林防火系統(tǒng)的研究已卓有成效，防火工作己逐步由經驗型向科學管理型轉變，如建立了衛(wèi)星防火監(jiān)測網;開發(fā)了地理信息和資源信息系統(tǒng);開展森林防火的內業(yè)建設:重點進行火險預測預報系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、林火跟蹤定位系統(tǒng)、地理與資源信息系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、通訊信息系統(tǒng)等6個系統(tǒng)的現(xiàn)代化建設;并制定全國森林火災評估辦法，完成全國森林火險等級區(qū)劃，試驗和應用飛機化學滅火、生物防火等。其中比較成功的有中國林業(yè)科學院資源信息所和國家林業(yè)總局信息中心聯(lián)合開發(fā)的森林火災管理信息系統(tǒng);北京師范大學資源與環(huán)境科學系開發(fā)的西南重點林區(qū)火災背景數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng);中國科技大學研制的武夷山保護區(qū)森林防火體系建設地理信息系統(tǒng);每一場林火的發(fā)展所構成的形狀，由于立地條件、天氣狀況和撲火技術不同等多種因素影響，是不可能有一個統(tǒng)一模式的，可以這樣說每一場火災的形狀是千變萬化的，是完全不一樣的。但是在林火自然發(fā)展的情況下，基本上是有其一定的蔓延模式。一般來說、在平坦地無風時，火向各個方向等速蔓延，其形狀為環(huán)形;在風的作用下，風向較穩(wěn)定時，順風向一個方向蔓延，形狀常為長橢圓形;風向不定，呈30 度或40 度角度變化，形狀為扇形;在山地條件下，如為雞爪嶺地形時，火在兩嶺之間蔓延較慢，向兩個山脊則蔓延快，常形成兩個火頭，其形狀為雞爪形。但不管出現(xiàn)什么形狀，每一個火場都有火頭，火翼和火尾等3 部分組成，在風向的支配下，順風向前蔓延速度最快，

火勢最旺的部分為火頭，與火頭相反方向逆風蔓延，速度最慢的部分為火尾，介于火頭與火尾之間，向兩側擴散，與風向垂直蔓延的部分為火翼。我們將一個火場區(qū)分為火頭、頭尾和火翼，將有助于撲救工作，能提供主攻方向，力求首先將火頭撲滅或控制住，這樣才能盡快取得撲火的全面性勝利。但是，有時由于風向的突然轉變，火場的各個部分也會隨之發(fā)生變化，3個部分可以互相轉變，火頭可能變?yōu)榛鹨砘蚧鹞?，火尾也可能變?yōu)榛痤^或火翼，火翼也可能變?yōu)榛痤^或火尾，這種情況在一場大火的發(fā)展過程中是經常會出現(xiàn)的，因此在進行撲火戰(zhàn)斗中，要隨時掌握風向的變化，機動作戰(zhàn)，將火一舉撲滅。

林火蔓延的影響因子:

1.可燃物類型及其含水率

2.風因子

3.地形因子

4.溫度和濕度

幾種常見的林火蔓延模型

林火蔓延模型是指在各種簡化條件下進行數(shù)學上的處理，導出林火行為與各種參數(shù)(如可燃物的物理、化學性質、氣象因子以及地形因子等)間的定量關系式。利用這些關系式去預測將發(fā)生或正在發(fā)生的林火行為，指導撲火工作以及日常的林火管理工作，從而以最少的人力、物力在最短的時間內將火撲滅。林火蔓延模型是林火行為預報的核心。

據(jù)國內外的資料顯示，地表火是一種最常見的火災，約占森林火災的90%以上。因此目前所討論的多是針對地表火的蔓延模型?；鹇邮且粋€多相、多組分可燃物在各種氣象條件(溫度、濕度、風向和風力等)和地形影響下燃燒和運動的極其復雜的現(xiàn)象自從1946年WR.Foils 首先提出林火蔓延的數(shù)學模型以來，世界上許多國家都提出了自己的林火蔓延模型，主要有美國的Rothermel 模型、澳大利亞的McArthur 模型、加拿大的國家林火蔓延模型以及中國的王正非林火蔓延模型等，以及在這些模型基礎上的修正模型。但每個數(shù)學模型的應用都有一定的局限性，特別是，用于模型所基于的假定之外的場合時，將會帶來很大的誤差。所以，我們利用任何蔓延模型來估測時，要事先了解數(shù)學模型的應用范圍、條件及其優(yōu)缺點。下面是幾種常用的林火模型:

1.基于能量守恒定律的Rothermel 模型

2.澳大利亞的McArthur 模型

3.加拿大林火蔓延模型

4.王正非的林火蔓延模型

4 存在的問題及發(fā)展趨勢等

如何有效撲滅火災，降低災害帶來的損失，提高火災發(fā)生時的反應能力是各級政府部門十分關心的問題。森林防火預警系統(tǒng)涉及森林防火理論與模型、GIS 和計算機等多領域知識，是一個比較復雜的GIS應用系統(tǒng)。其中火點定位、火勢蔓延分析、火災周邊分析、損失評估、三維模型等功能也是今后研究發(fā)展的重點，現(xiàn)有研究成果主要針對特定重點林區(qū)的構建，各地區(qū)，各林區(qū)管理上較為分散，研究成果沒有統(tǒng)一共享。目前我國也沒有大規(guī)模的全國性的森林防火管理系統(tǒng)，隨著GIS 技術的提高和遙感影像的精度提高，必將大大促進GIS 技術在森林防火管理中的應用，如何實現(xiàn)高效的，準確的，大規(guī)模，大范圍，實時的動態(tài)監(jiān)測將成為今后GIS 相關技術的發(fā)展和應用的趨勢。

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