基于GIS模型的林火蔓延计算机模拟

张应乾，罗传文

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

我国是森林火灾较为严重的国家之一，由于自然与人为的原因，森林火灾频频发生，据统计，1950年以来，中国年均发生森林火灾13 067起，受害林地面积653 019 hm2，因灾伤亡580人。一旦发生火灾就会给国家的经济、环境和人员造成巨大的损失，林火的防治已成为了一个世界性难题［2］。

森林火灾预防与扑救时效性很强，影响林火因素众多，随着计算机技术的发展和森林火灾蔓延数学模型的建立及完善，使人们对火灾早期模拟成为可能，林火蔓延可视化模拟逐渐成为森林防火辅助决策的关键。早期对林火蔓延的研究主要集中于建立自然因素与火行为关系模型，静态的平面的，未将森林大火的空间属性及时间属性体现出来。kessel在1979年在他的林火蔓延模型中加入了空间因素，将林火的蔓延带入一个动态的三维空间。进入20世纪80年代，随着地理信息系统技术的发展，对林火行为模拟研究逐渐转向空间范围的定量模拟［3－5］。、由于有遥感技术与地理信息系统的支持，现在已实现火场扩展的理论和经验模拟，取得了实质性进展，并且逐步走向实用化［6］。早起对林火蔓延采用椭圆模型，这种模型过于简单、粗糙，不能准确反映和表达出森林大火在空间时间上的复杂性。现在已发展到以地形的栅格化数据为背景计算林火火场，将蔓延计算结果和地形背景叠加，得到林火发生发展的直观显示，国内的唐晓燕的基于栅格结构的林火蔓延模拟研究及其实现通过VB和ArcView运用迷宫算法实现对林火数学模型的分析和可视化实现。本文通过对栅格数据结构特点及林火蔓延模型中的若干因素的分析，决定将栅格数据进行文本化处理，采用C#3.5中的IO文件的写入和读出流来直接运算这些文件，更为高效的实现林火蔓延模拟的计算机运算，而模拟结果由ArcEngine控件进行来表现，实现了林火的动态蔓延模拟，并且提高了运算速度和模拟精度。

1 林火蔓延模型的选取

林火的蔓延模拟的复杂性主要体现在地形因子(坡度、坡向等)、气象因子 (风力、风向、温度、湿度等)、燃烧物 (植被类型组成、植被疏密度等)等因子在模型建立时采集和定量难度上。根据现有的林火蔓延模型的建模原理，可以分为物理模型、经验模型和半经验模型［7］。其中应用最为广泛的一种模型是经验模型，它们一般由统计及实验数据整理，推导而来，使用性强，具有代表性的模型有:中国的王正非模型，前苏联的谢斯柯夫模型、美国的罗森梅尔模型等，以及其相关修正模型。

本文采用毛贤敏对王正非模型的修正模型，并重点对此进行阐述。

王正非模型。火的蔓延速度系指火头的前进速度，影响火的蔓延速度的因素很多，但有些因素在实际扑火时不易确定，故只考虑可燃物类型、风速、风向和坡度。王正非的模型对野外的林火蔓延速度R进行如下表述

式中:R0为可燃物在无风时，燃烧的初始蔓延速度;Kw为风速更正系数;Ks为可燃物配置更正系数;Kf为地形坡度更正系数。

各个系数的确定方法如下:

(1)风速更正系数Kw是由经验数据统计得到的，或可以由公式Kw=e0.1793Vcosθ计算。其中V为风速 (m/s)的数值，θ为风向与坡向的夹角。

(2)可燃物配置更正系数可以由观测实验得到的数据查得。

(3)地形坡度更正系数Kf，根据实验及统计数据，由公式确定:

这样，林火蔓延速度计算公式可以推导为:

公式 (2)仅对上坡和风顺着上坡吹的情况下适用，实际情况当然不那么简单［1］。通过毛贤敏的研究将公式 (2)修改如下:

公式 (7) 中 (θε {0°，90°}U{270°，360°})。

公式 (8)中 (θε {90°，270°})。

修改模型中参数φ为坡度角，其余参数意义同王正非模型。

修改后的蔓延模型更加注重地形与风向对林火蔓延不同的影响，突出林火蔓延速度作为一个有大小，并且有方向的矢量数据的差异性。

由于林火蔓延速度是一个矢量数据，假定在同一空间位置，坡度、坡向、可燃物和风速都完全相同的情况下，那么林火从不同方向蔓延而来到此位置时的蔓延速度是不会相同的，单纯的在不考虑林火火点空间位置风向与蔓延方向的情况下，计算空间各个栅格范围内的林火蔓延速度，而得到一张静态林火蔓延速度图的做法，如《基于栅格结构的林火蔓延模拟研究及其实现》(唐晓燕等，2003)，《基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真》(毛学刚等，2008)等文章所写，在空间地形起伏不明显，自然风速对林火蔓延影响微弱的情况下，是科学的，但是不够精确，正是考虑到此点因素，毛贤敏对王正非模型进行了修正，细化了地形和风向风速对林火蔓延的影响，对林火的蔓延描述更加准确，而使用毛贤敏的修正模型，关键点在于林火蔓延速度的动态方向不明确性，再通过静态的一次性生成林火蔓延速度图，显然不能发挥此修正模型的全部功效。

2 算法分析与选择

栅格数据的简单性、规则性及离散性与计算机计算的简单重复性的结合，使林火蔓延的计算机模拟得以实现，同时栅格数据的结构与遥感影像等数据的结构完全相同，对于计算机而言这些都是二维及多维矩阵数据，林火蔓延的模拟过程就是对二维或多维矩阵数据的计算过程。由于栅格数据的冗余度大，因此选择合适的数据分辨率就显得很重要，栅格单元越小，数据越精细，数据量就大，计算时间就会越漫长，但栅格过大又会导致计算误差扩大，精度降低，数据计算的精度和计算机的计算量需要用经验来确定。林火蔓延模拟算法主要有如下几种:

(2)边界外延算法。边界外延算法从火蔓延所具备的时间和空间特性两方面来考虑的，假定燃烧过的栅格不再燃烧，林火蔓延表现为由已燃区向未燃区延烧的性质，它反映为林火在空间位置上的变化和时间的延续上，林火燃烧的路径遵循在所有可达的路径中选择最快到达的那一条，它的路径并不一定是地理上的最短路径［6］。

边界外延算法描述为:以总时间T为燃烧边界限制，记录下每次增加的一个新的引燃栅格后形成的林火边界并将其记录形成一个栅格坐标集合，循环遍历这个林火边界坐标集合，查找每个边界栅格的周围8个方向上未燃烧的所需时间t0最小的栅格，将其引燃，加入到燃烧边界栅格坐标集合中，这样就完成一次火图边界的调整;之后再对此栅格坐标集合进行一次循环，同样如上述判定，直到边界燃烧到的时间达到燃烧限制时间T为止，结束燃烧。

(3)迷宫算法。迷宫算法，简单说来就是同样按照8个方向 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，正东开始顺时针进行循环，计算每个方向的栅格中装燃烧时间，直至给定的燃烧时间T用完为止;第一次从东边开始，在一个起火点 (i0，j0)被引燃后 (此时就这一个着火点)，向东传播燃烧，并记录下这一行在每个栅格累计到自身被引燃所需要的时间ti，i从 (i0，j0)为位置开始积累，只到ti大于等于T时结束，此时认为正东的所有能烧的栅格都烧过了;第二次燃烧从每个燃烧点开始，每个燃烧点，现在都有一个累积时间ti，它们都开始向东南方向开始蔓延，其算法同正东方向蔓延的算法相同，如果说第一次只有一个点被当成初始燃点，那么第二次就有第一次所有被引燃点个数的栅格作为新的初始燃点，不同点只是现在都开始向东南方向开始蔓延了;其余方向的燃烧与此相同，注意判断每个燃烧栅格点的燃烧方向上的栅格是否已被点燃，若被点燃，则此次方向循环其不再被计算，8个方向被计算完成后，形成的栅格图就是林火蔓延图。

边界插值算法只考虑由中心起始燃点开始向8个方向蔓延，每次都从初始燃点开始，而中间燃点通过差值方式给出，简化了蔓延复杂性，对于复杂地形而言，表达的不够详细。边界外延算法计算量大，每次边界发生一点变化后，边界集合就需要重新进行调整，修改。边界外延算法以循环边界栅格并修改边界，直到达到燃烧时间，迷宫算法循环时间，其实也是按照8个方向哪个方向可燃烧时间最短，则最先在之后的某一秒中被引燃，两者的计算结果是一致。

3 研究区域状况及数据处理

3.1 研究区域自然状况

塔河林业局盘古林场始建于1969年，位于位于黑龙江省塔河县西北部96.5 km处，地理坐标为北纬 52°41'57.1″，东经123°51'56.5″，施业区面积152 127 hm2。

盘古河为辖区内第一大河，发源于白卡鲁山，主河道长127 km，共有23条支流，流域面积为3 875 km2，为西南东北流向，注入黑龙江。白卡鲁山海拔1 397 m，是塔河县境内最高山峰。盘古林场辖区内森林覆盖率为88.86%，经济材树种主要有:落叶松、樟子松、白桦树和杨树等。

3.2 数据处理

王正非模型中对参数的需求主要为以下4点:

(1)R0林火初始蔓延速度，此速度由室外林场实验得到。

(2)V风速风向，由实地实时确定。

(3)Ks可燃物配置更正系数，此参数由塔河林业局小班中优势木字段得到，对小班数据进行栅格化重分类，重新分类得到1.0、0.7和0.4。

树种与分类值关系见表1。

表1 可燃物类型等级划分［8］Tab.1 Fuel type hierarchy

(4)使用arcgis将塔河林业局等高线数据生成Tin数据，之后将其生成为坡度和坡向栅格图。

(5)林火初始蔓延速度、风向、风速和模拟燃烧时间，由模拟运算时传入。

以上矢量小班数据和等高线生成的Tin数据投影方式需一致，并且由它们生成的栅格数据空间分辨率一致，边界完全重合。

4 林火蔓延计算机模拟实现

4.1 对运算栅格数据的文本化处理

为便于数据的直接读写与计算，将栅格数据由十进制文本文件进行存储，文本文件中数据的空间几何排列与栅格图中栅格位置是一致的，直接读取文本文件较通过ArcEngine方式间接读取栅格图中栅格值效率更高、更简便;采用十进制文本格式存储方便数据的查看与经验判读，那么林火蔓延的数学运算就完全可以用文本文件的输入输出流来操作。

4.2 计算机模拟算法改进及实现

由于林火蔓延速度方向的不确定性，静态一次性生成林火蔓延速度图不能发挥王正非、毛贤敏修正模型的功能，林火蔓延速度的计算必不可少，但笔者认为它更应该在林火初始预备向此栅格蔓延时计算出来才精准。在考虑到数据量过大，将所有运算数据都存放在相应文本文件中，它们由坡度、坡向、可燃物重分类、燃烧布尔文件、驻留时间图、燃烧累计时间图、头文件等文本文件组成。坡度、坡向、可燃物重分类分别存放地形坡度坡向值;燃烧布尔文件中存放所有着火的位置信息，由中心火点向外围蔓延所有燃烧的位置记为1，默认为0;驻留时间图，即存储由每块栅格分辨率与当前林火蔓延速度的比值;燃烧累计时间图也就是最终的结果图，存放所有着火栅格从开始燃烧到当前模拟时间的累计值［9］。笔者具体思路为:第零次时间循环计算出林火起火点位置，并将此位置记录到布尔文件中，燃烧状态为1，未燃烧为0，运用王正非修正模型计算出此位置的林火蔓延速度及此栅格燃烧完所需时间t，将其填入到驻留时间文件未燃烧位置初始化为0，燃烧累计时间图初始化为0;进入第一次单位时间循环，首先读取布尔文件获得火点位置，对累计燃烧时间图中此位置数值加1，读取此值T，判定此值与当前位置下驻留时间t大小，若 (T＜t)，继续循环下一栅格位置，若 (T＞t)，那么就开始进行八临域计算判定 (E、SE、S、SW、W、NW、N、NE)，判定此位置的八邻域位置是否存在，不存在则不计算，每个存在位置是否燃烧 (通过布尔值文件读取)，若某一位置燃烧，则不计算，未燃烧则将其点燃，此布尔值位置改写为1，通过模型计算出此位置的林火蔓延速度，进而算出此位置的驻留时间，计入到驻留时间图文件相应位置，T－t差值存入燃烧累计时间图对应位置，之后进行下一邻域位置判定计算，完成邻域计算后进行顺序下一栅格位置计算，最终的燃烧累计时间图即为一定时间后林火蔓延模拟图，但准确地说此时的林火蔓延模拟图还只是个文本文件，在对它加上头文件后调用AO工具将其转换为可视化栅格图，最终完成林火蔓延的可视化。起火点在同一位置时，初始蔓延速度、风向、风速、燃烧时间不同的火场状态如图1所示。

图1 起火点在同一位置初始蔓延速度、风向、风速和燃烧时间不同的火场状态图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 结论分析

实验表明风向和地势的不同导致林火蔓延方向的不同，林火蔓延方向与顺风方向趋于一致;风速及林火的初始蔓延速度，对林火蔓延有显著影响，风速越大、初始蔓延速度越大，林火蔓延就越为剧烈;时间越久，林火蔓延将更加扩大，因此在森林火险等级高、山林地势复杂、气象条件恶劣的情况下，提早发现林火苗头，及时扑灭就显得尤为重要。

【参 考 文 献】

［1］毛贤敏．风和地形对林火蔓延速度的作用［J］．应用气象学报，1993，4(1):100 －104．

［2］王洁华．预防森林火灾的几个有效途径［J］．林业劳动安全，2009，1122(4):37 －38．

［3］朱启疆，高 锋，张振威．GIS支持下森林火场蔓延的空间模拟［J］．环境遥感，1995，10(2):81 －88．

［4］王海晖，景文峰，王清安，等．森林地表火蔓延的计算机模拟［J］．中国科学技术大学学报，1994，24(3):305 －310．

［5］朱煌武，朱霁平，谢庆胜，等．基于地理信息系统的森林火灾扑救辅助决策系统的研究［J］．自然灾害学报，1999，8(1):60 －705．

［6］唐晓燕，孟宪宇，葛宏立，等．基于栅格结构的林火蔓延模拟研究及其实现［J］．北京林业大学学报，2003，25(1):54 －57．

［7］WeberR O，唐世敏．野火蔓延的数学模型［J］．力学与实践，1992，14(2):1 －12．

［8］毛学刚，范文义，李明泽，等．基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真［9］．东北林业大学学报，2008，36(9):38－41．

［9］张 欢．基于Super Map的森林火灾监测系统的实现［J］．森林工程，2011，27(5):50 －52．