吳瑞旭，徐偉恒,王秋華，楊磊，劉黃飛

(1.西南林業(yè)大學 計算機與信息學院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學 土木工程學院，云南 昆明 650224)

云南省是中國生物多樣性最為富集和獨特的地區(qū)，據(jù)2016年底統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全省森林覆蓋率達55.7%，其中林地面積達2.5×107hm2，居全國第二位；森林面積達1.99×107hm2，居全國第二位；森林蓄積量17.68×107m3，居全國第二位。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森林火災最為嚴重的地區(qū)之一[1]。

高原山地林火蔓延模擬復雜，具有森林植被分布特殊，地形地貌復雜，小氣候多樣化，火災來源廣泛的特點[2]。隨著林火蔓延模擬技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實和多維可視化技術構建林火蔓延模擬環(huán)境能夠在火災發(fā)生時，提供更加逼真、信息豐富的火場預測信息，可以更加直觀地顯示林火蔓延過程，及時制定林火撲救方案，減少人員傷亡和財產損失，為云南高原森林防火、撲火工作提供科學支撐。林火蔓延模型可分為3大類：物理模型和半物理模型、經驗模型和半經驗模型、數(shù)學模型和仿真模型。目前世界主流的幾種林火蔓延模型是美國的Rothermel模型[3]、加拿大林火蔓延模型[4]、中國的王正非林火蔓延模型以及在這些模型基礎上的修正模型[5]。蔓延模型選擇有4個基本出發(fā)點：模型的功能、模型適用的地區(qū)和植被類型、模型的假設條件、模型的檢驗頻數(shù)等[6]。目前，廖超[7]基于DEVS林火蔓延預測方法結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，結合模型參數(shù)，實時分析相關地區(qū)柵格數(shù)據(jù)，與實際蔓延比較分析誤差范圍可達10%左右。根據(jù)云南本地實際情況，王惠等[8]使用的Rothermel模型在結合惠更斯原理的前提下，使用矢量方法，模擬計算火頭節(jié)點，控制模型的空間和時間分辨率，模擬結果的基本特征和實際的相符。楊廣斌[9]設計的動態(tài)數(shù)據(jù)驅動林火蔓延系統(tǒng)表明該技術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)元胞自動機原理設計蔓延方法，利用ArcGIS軟件進行二次開發(fā)[6]，構建了三維林火蔓延可視化預測系統(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%。該地重大森林火災較多，如1986年“3.28”重大森林火災、1995年“4.17”重大森林火災，因此，森林防火期長達7個月左右。本文以2006年發(fā)生的“3.29”重大森林火災作為研究對象，林火起火點位于溫泉鎮(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、森林資源二類調查數(shù)據(jù)(圖1)及火災發(fā)生時段當?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，共計6小時林火蔓延結果。

圖1 溫泉鎮(zhèn)DEM數(shù)據(jù)及森林資源調查數(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]，結合相關參數(shù)模擬蔓延，根據(jù)蔓延模型特征參數(shù)解析，結合實際地理狀況，提取具體參數(shù)，見表1。

表1 Rothermel模型參數(shù)

根據(jù)火災蔓延區(qū)域概況，對森林資源二類調查數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，模擬Rothermel公式所需參數(shù)。如計算W0可燃物載量(kg/m2)，可以結合云南松林可燃物載量預測模型研究，需要提取平均胸徑、平均樹高、年齡、郁閉度參數(shù)，見圖2。模擬計算得出，可燃物載量=1 045.130-299.811×平均胸徑+57.043×平均樹高+202.737×年齡+5 068.034×郁閉度/100。

平均胸徑平均樹高年齡郁閉度平均胸徑平均樹高年齡郁閉度4524520602616525353018507025814930703016510065256149507029816350652541732570288174257025415306528173804025415635402761655060252151306527415430602521640652721594060248148040271692565

圖2林業(yè)二類調查數(shù)據(jù)圖

Fig.2 Forestry second-class survey data

線性回歸分析參數(shù)計算有多種方法，所提取二類調查參數(shù)不同，線性回歸計算公式也不同，如果柵格二類調查數(shù)據(jù)不完整，計算線性回歸方程參數(shù)也需要調整，因此需要取舍，見表2。

表2 相關參數(shù)計算方法

2.3 模型及參數(shù)計算方法

Rothermel模型以林火實驗為依據(jù)、以燃燒物理學為理論基礎，是一種基于能量守恒定律的半理論半經驗的林火蔓延數(shù)學模型[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)反應強度(kJ/m2·min)，IR根據(jù)表2參數(shù)計算；ζ為火的蔓延率(無因次)；ΦW為風速修正系數(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)(無因次)；Qig為預燃熱，即點燃單位質量的可燃物所需的熱量(kJ/kg)。蔓延距離計算，見圖3。

圖3 蔓延距離

由Rothermel模型公式可知，把蔓延距離按順時針方向分解為8個方向的分力，見表3。

表3 林火蔓延分解

根據(jù)平行四邊形法則，以正北方向為順時針起點，設為0°，計算風向及坡向合力方向為火頭方向，火頭蔓延角度為A°，根據(jù)火頭方向坐標旋轉A°后，設L =(上，上右，右，右下，下，下左，左，左上)，分割坐標軸為8個象限，見表4。

表4 林火蔓延坐標軸旋轉

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是對地形地貌離散的數(shù)字表達，是對地面特性進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，把點集劃分到足夠小，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)域內任意一點的高程，通過三維分析方法，在三維空間坐標系中生成可視化地形[15]。

三維表面生成實際是DEM數(shù)據(jù)轉換的過程。ArcGIS軟件二次開發(fā)共提供兩種數(shù)據(jù)來生成三維可視化數(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。在提取中國科學院地理空間數(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。

三維場景顯示包括瀏覽和設置兩部分，其中場景瀏覽功能由ToolbarControl控件實現(xiàn)，場景設置功能主要有疊加紋理數(shù)據(jù)和分層設色。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，使三維場景也更加真實。分層設色是將地貌按高程劃分為若干高程帶，逐帶設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，見圖6。

(a)

(b)

3 結果與分析

3.1 數(shù)據(jù)輸入

中心火點位于安寧市溫泉鎮(zhèn)，坐標點設置為138°12′49.9″E,26°49′47.105″N。三維林火蔓延預測系統(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)即調查模擬數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 參數(shù)輸入界面

(2)讀取林業(yè)二類調查數(shù)據(jù)進行實時計算，定義public string GetField (double x1,double y1,string FieldName)函數(shù)，根據(jù)坐標提取林業(yè)二類調查數(shù)據(jù)得到指定屬性值并計算相關參數(shù)，代入蔓延模擬模型進行計算，見圖8。

圖8 參數(shù)實時計算

風向、風速、時間步長等因素在系統(tǒng)軟件界面直接錄入，見圖9。

圖9 其他參數(shù)計算

3.2 模擬蔓延過程動態(tài)可視化

蔓延模擬以動態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，每當火點處于柵格范圍中，同時讀取柵格范圍里相關參數(shù)進行計算得出八方向速度，渲染柵格求出模擬蔓延范圍，見圖10。

圖10 蔓延模擬流程圖

結合研究方法，計算蔓延面積，系統(tǒng)界面見圖11。在系統(tǒng)界面中可以輸入或點取坐標點，根據(jù)安寧3.26火災預測火點位置(102.41875°E，25.012408°N)作為初始火點。設置一定的時間步長，蔓延總時長以分鐘為單位共計360min，即6h。保存并復制研究區(qū)域DEM圖，并作為火災區(qū)域浮于其他圖層數(shù)據(jù)之上。結合元胞自動機原理，當火頭與柵格火點中心的蔓延距離超過柵格邊長，將未蔓延柵格作為新的柵格火點并進行渲染，隨著時間的增長，林火蔓延區(qū)域逐步擴大，并在三維地形可視地圖中顯示，見圖12。

圖11 系統(tǒng)界面

(a)

(b)

當火災結束時，渲染結束，計算面積和周長，見圖13，過火區(qū)域為紅色，過火面積為22.68km2，周長為3.66km。

圖13 模擬完成圖

4 結論與討論

本研究使用Rothermel模型結合動態(tài)元胞自動機原理對林火蔓延進行預測模擬，在ArcGIS軟件Scene的基礎上，生成林火區(qū)域三維可視化場景。系統(tǒng)根據(jù)需要直接輸入或計算可燃物載量、含水率、可燃物床深等模型參數(shù)，在輸入火點位置信息后，可以預測地表火發(fā)生后時間段范圍內林火區(qū)域的面積、周長，在三維系統(tǒng)中實時動態(tài)模擬火情。該系統(tǒng)可以為林火預警、分析、統(tǒng)計和應急預案的制定提供參考，讓滅火者直觀了解火場動態(tài)，從而有助于對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)獲取復雜，如果要進一步提高林火蔓延模擬應用的精度水平，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，實時調取參數(shù)信息，從而提高林火蔓延計算效率，為以后的研究工作做出進一步貢獻。

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