基于GIS模型的林火蔓延計算機模擬

張應乾，羅傳文

(東北林業大學林學院，哈爾濱 150040)

我國是森林火災較為嚴重的國家之一，由于自然與人為的原因，森林火災頻頻發生，據統計，1950年以來，中國年均發生森林火災13 067起，受害林地面積653 019 hm2，因災傷亡580人。一旦發生火災就會給國家的經濟、環境和人員造成巨大的損失，林火的防治已成為了一個世界性難題［2］。

森林火災預防與撲救時效性很強，影響林火因素眾多，隨著計算機技術的發展和森林火災蔓延數學模型的建立及完善，使人們對火災早期模擬成為可能，林火蔓延可視化模擬逐漸成為森林防火輔助決策的關鍵。早期對林火蔓延的研究主要集中于建立自然因素與火行為關系模型，靜態的平面的，未將森林大火的空間屬性及時間屬性體現出來。kessel在1979年在他的林火蔓延模型中加入了空間因素，將林火的蔓延帶入一個動態的三維空間。進入20世紀80年代，隨著地理信息系統技術的發展，對林火行為模擬研究逐漸轉向空間范圍的定量模擬［3－5］。、由于有遙感技術與地理信息系統的支持，現在已實現火場擴展的理論和經驗模擬，取得了實質性進展，并且逐步走向實用化［6］。早起對林火蔓延采用橢圓模型，這種模型過于簡單、粗糙，不能準確反映和表達出森林大火在空間時間上的復雜性。現在已發展到以地形的柵格化數據為背景計算林火火場，將蔓延計算結果和地形背景疊加，得到林火發生發展的直觀顯示，國內的唐曉燕的基于柵格結構的林火蔓延模擬研究及其實現通過VB和ArcView運用迷宮算法實現對林火數學模型的分析和可視化實現。本文通過對柵格數據結構特點及林火蔓延模型中的若干因素的分析，決定將柵格數據進行文本化處理，采用C#3.5中的IO文件的寫入和讀出流來直接運算這些文件，更為高效的實現林火蔓延模擬的計算機運算，而模擬結果由ArcEngine控件進行來表現，實現了林火的動態蔓延模擬，并且提高了運算速度和模擬精度。

1 林火蔓延模型的選取

林火的蔓延模擬的復雜性主要體現在地形因子(坡度、坡向等)、氣象因子 (風力、風向、溫度、濕度等)、燃燒物 (植被類型組成、植被疏密度等)等因子在模型建立時采集和定量難度上。根據現有的林火蔓延模型的建模原理，可以分為物理模型、經驗模型和半經驗模型［7］。其中應用最為廣泛的一種模型是經驗模型，它們一般由統計及實驗數據整理，推導而來，使用性強，具有代表性的模型有:中國的王正非模型，前蘇聯的謝斯柯夫模型、美國的羅森梅爾模型等，以及其相關修正模型。

本文采用毛賢敏對王正非模型的修正模型，并重點對此進行闡述。

王正非模型。火的蔓延速度系指火頭的前進速度，影響火的蔓延速度的因素很多，但有些因素在實際撲火時不易確定，故只考慮可燃物類型、風速、風向和坡度。王正非的模型對野外的林火蔓延速度R進行如下表述

式中:R0為可燃物在無風時，燃燒的初始蔓延速度;Kw為風速更正系數;Ks為可燃物配置更正系數;Kf為地形坡度更正系數。

各個系數的確定方法如下:

(1)風速更正系數Kw是由經驗數據統計得到的，或可以由公式Kw=e0.1793Vcosθ計算。其中V為風速 (m/s)的數值，θ為風向與坡向的夾角。

(2)可燃物配置更正系數可以由觀測實驗得到的數據查得。

(3)地形坡度更正系數Kf，根據實驗及統計數據，由公式確定:

這樣，林火蔓延速度計算公式可以推導為:

公式 (2)僅對上坡和風順著上坡吹的情況下適用，實際情況當然不那么簡單［1］。通過毛賢敏的研究將公式 (2)修改如下:

公式 (7) 中 (θε {0°，90°}U{270°，360°})。

公式 (8)中 (θε {90°，270°})。

修改模型中參數φ為坡度角，其余參數意義同王正非模型。

修改后的蔓延模型更加注重地形與風向對林火蔓延不同的影響，突出林火蔓延速度作為一個有大小，并且有方向的矢量數據的差異性。

由于林火蔓延速度是一個矢量數據，假定在同一空間位置，坡度、坡向、可燃物和風速都完全相同的情況下，那么林火從不同方向蔓延而來到此位置時的蔓延速度是不會相同的，單純的在不考慮林火火點空間位置風向與蔓延方向的情況下，計算空間各個柵格范圍內的林火蔓延速度，而得到一張靜態林火蔓延速度圖的做法，如《基于柵格結構的林火蔓延模擬研究及其實現》(唐曉燕等，2003)，《基于GIS模型的林火蔓延計算機仿真》(毛學剛等，2008)等文章所寫，在空間地形起伏不明顯，自然風速對林火蔓延影響微弱的情況下，是科學的，但是不夠精確，正是考慮到此點因素，毛賢敏對王正非模型進行了修正，細化了地形和風向風速對林火蔓延的影響，對林火的蔓延描述更加準確，而使用毛賢敏的修正模型，關鍵點在于林火蔓延速度的動態方向不明確性，再通過靜態的一次性生成林火蔓延速度圖，顯然不能發揮此修正模型的全部功效。

2 算法分析與選擇

柵格數據的簡單性、規則性及離散性與計算機計算的簡單重復性的結合，使林火蔓延的計算機模擬得以實現，同時柵格數據的結構與遙感影像等數據的結構完全相同，對于計算機而言這些都是二維及多維矩陣數據，林火蔓延的模擬過程就是對二維或多維矩陣數據的計算過程。由于柵格數據的冗余度大，因此選擇合適的數據分辨率就顯得很重要，柵格單元越小，數據越精細，數據量就大，計算時間就會越漫長，但柵格過大又會導致計算誤差擴大，精度降低，數據計算的精度和計算機的計算量需要用經驗來確定。林火蔓延模擬算法主要有如下幾種:

(2)邊界外延算法。邊界外延算法從火蔓延所具備的時間和空間特性兩方面來考慮的，假定燃燒過的柵格不再燃燒，林火蔓延表現為由已燃區向未燃區延燒的性質，它反映為林火在空間位置上的變化和時間的延續上，林火燃燒的路徑遵循在所有可達的路徑中選擇最快到達的那一條，它的路徑并不一定是地理上的最短路徑［6］。

邊界外延算法描述為:以總時間T為燃燒邊界限制，記錄下每次增加的一個新的引燃柵格后形成的林火邊界并將其記錄形成一個柵格坐標集合，循環遍歷這個林火邊界坐標集合，查找每個邊界柵格的周圍8個方向上未燃燒的所需時間t0最小的柵格，將其引燃，加入到燃燒邊界柵格坐標集合中，這樣就完成一次火圖邊界的調整;之后再對此柵格坐標集合進行一次循環，同樣如上述判定，直到邊界燃燒到的時間達到燃燒限制時間T為止，結束燃燒。

(3)迷宮算法。迷宮算法，簡單說來就是同樣按照8個方向 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，正東開始順時針進行循環，計算每個方向的柵格中裝燃燒時間，直至給定的燃燒時間T用完為止;第一次從東邊開始，在一個起火點 (i0，j0)被引燃后 (此時就這一個著火點)，向東傳播燃燒，并記錄下這一行在每個柵格累計到自身被引燃所需要的時間ti，i從 (i0，j0)為位置開始積累，只到ti大于等于T時結束，此時認為正東的所有能燒的柵格都燒過了;第二次燃燒從每個燃燒點開始，每個燃燒點，現在都有一個累積時間ti，它們都開始向東南方向開始蔓延，其算法同正東方向蔓延的算法相同，如果說第一次只有一個點被當成初始燃點，那么第二次就有第一次所有被引燃點個數的柵格作為新的初始燃點，不同點只是現在都開始向東南方向開始蔓延了;其余方向的燃燒與此相同，注意判斷每個燃燒柵格點的燃燒方向上的柵格是否已被點燃，若被點燃，則此次方向循環其不再被計算，8個方向被計算完成后，形成的柵格圖就是林火蔓延圖。

邊界插值算法只考慮由中心起始燃點開始向8個方向蔓延，每次都從初始燃點開始，而中間燃點通過差值方式給出，簡化了蔓延復雜性，對于復雜地形而言，表達的不夠詳細。邊界外延算法計算量大，每次邊界發生一點變化后，邊界集合就需要重新進行調整，修改。邊界外延算法以循環邊界柵格并修改邊界，直到達到燃燒時間，迷宮算法循環時間，其實也是按照8個方向哪個方向可燃燒時間最短，則最先在之后的某一秒中被引燃，兩者的計算結果是一致。

3 研究區域狀況及數據處理

3.1 研究區域自然狀況

塔河林業局盤古林場始建于1969年，位于位于黑龍江省塔河縣西北部96.5 km處，地理坐標為北緯 52°41'57.1″，東經123°51'56.5″，施業區面積152 127 hm2。

盤古河為轄區內第一大河，發源于白卡魯山，主河道長127 km，共有23條支流，流域面積為3 875 km2，為西南東北流向，注入黑龍江。白卡魯山海拔1 397 m，是塔河縣境內最高山峰。盤古林場轄區內森林覆蓋率為88.86%，經濟材樹種主要有:落葉松、樟子松、白樺樹和楊樹等。

3.2 數據處理

王正非模型中對參數的需求主要為以下4點:

(1)R0林火初始蔓延速度，此速度由室外林場實驗得到。

(2)V風速風向，由實地實時確定。

(3)Ks可燃物配置更正系數，此參數由塔河林業局小班中優勢木字段得到，對小班數據進行柵格化重分類，重新分類得到1.0、0.7和0.4。

樹種與分類值關系見表1。

表1 可燃物類型等級劃分［8］Tab.1 Fuel type hierarchy

(4)使用arcgis將塔河林業局等高線數據生成Tin數據，之后將其生成為坡度和坡向柵格圖。

(5)林火初始蔓延速度、風向、風速和模擬燃燒時間，由模擬運算時傳入。

以上矢量小班數據和等高線生成的Tin數據投影方式需一致，并且由它們生成的柵格數據空間分辨率一致，邊界完全重合。

4 林火蔓延計算機模擬實現

4.1 對運算柵格數據的文本化處理

為便于數據的直接讀寫與計算，將柵格數據由十進制文本文件進行存儲，文本文件中數據的空間幾何排列與柵格圖中柵格位置是一致的，直接讀取文本文件較通過ArcEngine方式間接讀取柵格圖中柵格值效率更高、更簡便;采用十進制文本格式存儲方便數據的查看與經驗判讀，那么林火蔓延的數學運算就完全可以用文本文件的輸入輸出流來操作。

4.2 計算機模擬算法改進及實現

由于林火蔓延速度方向的不確定性，靜態一次性生成林火蔓延速度圖不能發揮王正非、毛賢敏修正模型的功能，林火蔓延速度的計算必不可少，但筆者認為它更應該在林火初始預備向此柵格蔓延時計算出來才精準。在考慮到數據量過大，將所有運算數據都存放在相應文本文件中，它們由坡度、坡向、可燃物重分類、燃燒布爾文件、駐留時間圖、燃燒累計時間圖、頭文件等文本文件組成。坡度、坡向、可燃物重分類分別存放地形坡度坡向值;燃燒布爾文件中存放所有著火的位置信息，由中心火點向外圍蔓延所有燃燒的位置記為1，默認為0;駐留時間圖，即存儲由每塊柵格分辨率與當前林火蔓延速度的比值;燃燒累計時間圖也就是最終的結果圖，存放所有著火柵格從開始燃燒到當前模擬時間的累計值［9］。筆者具體思路為:第零次時間循環計算出林火起火點位置，并將此位置記錄到布爾文件中，燃燒狀態為1，未燃燒為0，運用王正非修正模型計算出此位置的林火蔓延速度及此柵格燃燒完所需時間t，將其填入到駐留時間文件未燃燒位置初始化為0，燃燒累計時間圖初始化為0;進入第一次單位時間循環，首先讀取布爾文件獲得火點位置，對累計燃燒時間圖中此位置數值加1，讀取此值T，判定此值與當前位置下駐留時間t大小，若 (T＜t)，繼續循環下一柵格位置，若 (T＞t)，那么就開始進行八臨域計算判定 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，判定此位置的八鄰域位置是否存在，不存在則不計算，每個存在位置是否燃燒 (通過布爾值文件讀取)，若某一位置燃燒，則不計算，未燃燒則將其點燃，此布爾值位置改寫為1，通過模型計算出此位置的林火蔓延速度，進而算出此位置的駐留時間，計入到駐留時間圖文件相應位置，T－t差值存入燃燒累計時間圖對應位置，之后進行下一鄰域位置判定計算，完成鄰域計算后進行順序下一柵格位置計算，最終的燃燒累計時間圖即為一定時間后林火蔓延模擬圖，但準確地說此時的林火蔓延模擬圖還只是個文本文件，在對它加上頭文件后調用AO工具將其轉換為可視化柵格圖，最終完成林火蔓延的可視化。起火點在同一位置時，初始蔓延速度、風向、風速、燃燒時間不同的火場狀態如圖1所示。

圖1 起火點在同一位置初始蔓延速度、風向、風速和燃燒時間不同的火場狀態圖Fig.1 Fire state diagrams under different initial spread speed，wind direction，wind speed，and burning time for the fire in the same position

5 結論分析

實驗表明風向和地勢的不同導致林火蔓延方向的不同，林火蔓延方向與順風方向趨于一致;風速及林火的初始蔓延速度，對林火蔓延有顯著影響，風速越大、初始蔓延速度越大，林火蔓延就越為劇烈;時間越久，林火蔓延將更加擴大，因此在森林火險等級高、山林地勢復雜、氣象條件惡劣的情況下，提早發現林火苗頭，及時撲滅就顯得尤為重要。

【參 考 文 獻】

［1］毛賢敏．風和地形對林火蔓延速度的作用［J］．應用氣象學報，1993，4(1):100 －104．

［2］王潔華．預防森林火災的幾個有效途徑［J］．林業勞動安全，2009，1122(4):37 －38．

［3］朱啟疆，高 鋒，張振威．GIS支持下森林火場蔓延的空間模擬［J］．環境遙感，1995，10(2):81 －88．

［4］王海暉，景文峰，王清安，等．森林地表火蔓延的計算機模擬［J］．中國科學技術大學學報，1994，24(3):305 －310．

［5］朱煌武，朱霽平，謝慶勝，等．基于地理信息系統的森林火災撲救輔助決策系統的研究［J］．自然災害學報，1999，8(1):60 －705．

［6］唐曉燕，孟憲宇，葛宏立，等．基于柵格結構的林火蔓延模擬研究及其實現［J］．北京林業大學學報，2003，25(1):54 －57．

［7］WeberR O，唐世敏．野火蔓延的數學模型［J］．力學與實踐，1992，14(2):1 －12．

［8］毛學剛，范文義，李明澤，等．基于GIS模型的林火蔓延計算機仿真［9］．東北林業大學學報，2008，36(9):38－41．

［9］張 歡．基于Super Map的森林火災監測系統的實現［J］．森林工程，2011，27(5):50 －52．