基于ArcGIS的高原林火蔓延三维可视化系统*

吴瑞旭，徐伟恒,王秋华，杨磊，刘黄飞

(1.西南林业大学 计算机与信息学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224)

云南省是中国生物多样性最为富集和独特的地区，据2016年底统计数据，全省森林覆盖率达55.7%，其中林地面积达2.5×107hm2，居全国第二位；森林面积达1.99×107hm2，居全国第二位；森林蓄积量17.68×107m3，居全国第二位。由于云南省的林业资源主要分布于高原山地，所以云南省也是中国森林火灾最为严重的地区之一[1]。

高原山地林火蔓延模拟复杂，具有森林植被分布特殊，地形地貌复杂，小气候多样化，火灾来源广泛的特点[2]。随着林火蔓延模拟技术的发展，虚拟现实和多维可视化技术构建林火蔓延模拟环境能够在火灾发生时，提供更加逼真、信息丰富的火场预测信息，可以更加直观地显示林火蔓延过程，及时制定林火扑救方案，减少人员伤亡和财产损失，为云南高原森林防火、扑火工作提供科学支撑。林火蔓延模型可分为3大类：物理模型和半物理模型、经验模型和半经验模型、数学模型和仿真模型。目前世界主流的几种林火蔓延模型是美国的Rothermel模型[3]、加拿大林火蔓延模型[4]、中国的王正非林火蔓延模型以及在这些模型基础上的修正模型[5]。蔓延模型选择有4个基本出发点：模型的功能、模型适用的地区和植被类型、模型的假设条件、模型的检验频数等[6]。目前，廖超[7]基于DEVS林火蔓延预测方法结合王正非林火蔓延模型分解林火蔓延方向，模拟南方林火区域，结合模型参数，实时分析相关地区栅格数据，与实际蔓延比较分析误差范围可达10%左右。根据云南本地实际情况，王惠等[8]使用的Rothermel模型在结合惠更斯原理的前提下，使用矢量方法，模拟计算火头节点，控制模型的空间和时间分辨率，模拟结果的基本特征和实际的相符。杨广斌[9]设计的动态数据驱动林火蔓延系统表明该技术在林火蔓延模拟研究具有可行性。

本文基于Rothermel模型[10]，依据元胞自动机原理设计蔓延方法，利用ArcGIS软件进行二次开发[6]，构建了三维林火蔓延可视化预测系统。

1 研究区概况

温泉镇隶属安宁市，位于昆明市西南方40km处，地处102°20′59″-102°31′10″E，24°55′41″-25°2′38″N，面积38.178km2，海拔1 690-2 515m，最大坡度63°，年均温约16℃，年均降雨量900mm，其中下半年降雨量786mm，约占全年87.3%。该地重大森林火灾较多，如1986年“3.28”重大森林火灾、1995年“4.17”重大森林火灾，因此，森林防火期长达7个月左右。本文以2006年发生的“3.29”重大森林火灾作为研究对象，林火起火点位于温泉镇西北部的古朗箐林区[1]。

2 研究方法

2.1 数据获取

安宁“3.29”森林火灾起始于2006年3月29日下午1700，本文根据安宁市温泉镇DEM、森林资源二类调查数据(图1)及火灾发生时段当地的气象信息作为林火模拟数据。模拟2006年3月29日下午1700-2300时，共计6小时林火蔓延结果。

图1 温泉镇DEM数据及森林资源调查数据

2.2 蔓延参数提取

研究区域地形，坡度变化大，主要使用Rothermel模型[3]，结合相关参数模拟蔓延，根据蔓延模型特征参数解析，结合实际地理状况，提取具体参数，见表1。

表1 Rothermel模型参数

根据火灾蔓延区域概况，对森林资源二类调查数据进行线性回归分析，模拟Rothermel公式所需参数。如计算W0可燃物载量(kg/m2)，可以结合云南松林可燃物载量预测模型研究，需要提取平均胸径、平均树高、年龄、郁闭度参数，见图2。模拟计算得出，可燃物载量=1 045.130-299.811×平均胸径+57.043×平均树高+202.737×年龄+5 068.034×郁闭度/100。

平均胸径平均树高年龄郁闭度平均胸径平均树高年龄郁闭度4524520602616525353018507025814930703016510065256149507029816350652541732570288174257025415306528173804025415635402761655060252151306527415430602521640652721594060248148040271692565

图2林业二类调查数据图

Fig.2 Forestry second-class survey data

线性回归分析参数计算有多种方法，所提取二类调查参数不同，线性回归计算公式也不同，如果栅格二类调查数据不完整，计算线性回归方程参数也需要调整，因此需要取舍，见表2。

表2 相关参数计算方法

2.3 模型及参数计算方法

Rothermel模型以林火实验为依据、以燃烧物理学为理论基础，是一种基于能量守恒定律的半理论半经验的林火蔓延数学模型[13]。模型抽象程度较高，几乎涵盖了能影响燃烧的所有因素，Rothermel模型模拟该地区林火蔓延更具科学性和合理性，根据温泉镇地理位置、气候环境、地形地貌等多方面分析，结合此次研究，地表火蔓延选择使用Rothermel模型，公式为R=IRζ(1+ΦW+ΦS)/ρbεQig。式中，R是林火蔓延速度(m/min)；IR为火焰区反应强度(kJ/m2·min)，IR根据表2参数计算；ζ为火的蔓延率(无因次)；ΦW为风速修正系数；ΦS为坡度修正系数；ρb为可燃物床层密度(kg/m3)；ε为有效热系数(无因次)；Qig为预燃热，即点燃单位质量的可燃物所需的热量(kJ/kg)。蔓延距离计算，见图3。

图3 蔓延距离

由Rothermel模型公式可知，把蔓延距离按顺时针方向分解为8个方向的分力，见表3。

表3 林火蔓延分解

根据平行四边形法则，以正北方向为顺时针起点，设为0°，计算风向及坡向合力方向为火头方向，火头蔓延角度为A°，根据火头方向坐标旋转A°后，设L =(上，上右，右，右下，下，下左，左，左上)，分割坐标轴为8个象限，见表4。

表4 林火蔓延坐标轴旋转

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)

图4元胞蔓延原理

Fig.4 Principle of cell spread

2.4 数字三维地形可视化

DEM是对地形地貌离散的数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法和途径。三维地形的生成，首先利用三角网生成方法，首先提取高程点，把点集划分到足够小，使其易生成三角网，然后把子集中的三角网合并生成最终的三角网，由TIN内插格网DEM利用等高线建立TIN后，可以由TIN解求该区域内任意一点的高程，通过三维分析方法，在三维空间坐标系中生成可视化地形[15]。

三维表面生成实际是DEM数据转换的过程。ArcGIS软件二次开发共提供两种数据来生成三维可视化数字模型。一种是基于单元数字地形表面网格数据(Raster)，另外一种基于不规则三角网数据(TIN)，本文三维地形数据生成模式以数字地形表面网格数据(Raster)为主。在提取中国科学院地理空间数据云30m分辨率DEM数据影像图后，获取相应栅格的灰度值，生成三维立体影像图，并在系统界面中显示。

三维场景显示包括浏览和设置两部分，其中场景浏览功能由ToolbarControl控件实现，场景设置功能主要有叠加纹理数据和分层设色。叠加纹理数据就是在原有的DEM生成的三维地形表面映射该区域其他栅格数据，让它具有地形起伏的三维显示效果，使三维场景也更加真实。分层设色是将地貌按高程划分为若干高程带，逐带设置不同且渐变的颜色表示地面起伏形态，能立体地直观地表达地貌高程分布。首先使用DEM数据图灰度值生成三维可视化立体地形图，并进行栅格处理，生成林火蔓延工作图，叠加在原有的三维地形图之上(图5)。

图5 三维可视化地形

叠加卫星遥感图像，使三维可视化效果更加明显，见图6。

(a)

(b)

3 结果与分析

3.1 数据输入

中心火点位于安宁市温泉镇，坐标点设置为138°12′49.9″E,26°49′47.105″N。三维林火蔓延预测系统的数据参数输入有2种模式：

(1)直接输入固定参数即调查模拟数据，见图7。

图7 参数输入界面

(2)读取林业二类调查数据进行实时计算，定义public string GetField (double x1,double y1,string FieldName)函数，根据坐标提取林业二类调查数据得到指定属性值并计算相关参数，代入蔓延模拟模型进行计算，见图8。

图8 参数实时计算

风向、风速、时间步长等因素在系统软件界面直接录入，见图9。

图9 其他参数计算

3.2 模拟蔓延过程动态可视化

蔓延模拟以动态数据作为输入参数，每当火点处于栅格范围中，同时读取栅格范围里相关参数进行计算得出八方向速度，渲染栅格求出模拟蔓延范围，见图10。

图10 蔓延模拟流程图

结合研究方法，计算蔓延面积，系统界面见图11。在系统界面中可以输入或点取坐标点，根据安宁3.26火灾预测火点位置(102.41875°E，25.012408°N)作为初始火点。设置一定的时间步长，蔓延总时长以分钟为单位共计360min，即6h。保存并复制研究区域DEM图，并作为火灾区域浮于其他图层数据之上。结合元胞自动机原理，当火头与栅格火点中心的蔓延距离超过栅格边长，将未蔓延栅格作为新的栅格火点并进行渲染，随着时间的增长，林火蔓延区域逐步扩大，并在三维地形可视地图中显示，见图12。

图11 系统界面

(a)

(b)

当火灾结束时，渲染结束，计算面积和周长，见图13，过火区域为红色，过火面积为22.68km2，周长为3.66km。

图13 模拟完成图

4 结论与讨论

本研究使用Rothermel模型结合动态元胞自动机原理对林火蔓延进行预测模拟，在ArcGIS软件Scene的基础上，生成林火区域三维可视化场景。系统根据需要直接输入或计算可燃物载量、含水率、可燃物床深等模型参数，在输入火点位置信息后，可以预测地表火发生后时间段范围内林火区域的面积、周长，在三维系统中实时动态模拟火情。该系统可以为林火预警、分析、统计和应急预案的制定提供参考，让灭火者直观了解火场动态，从而有助于对火情做出正确的判断。

云南高原山地分布范围广，数据参数获取复杂，如果要进一步提高林火蔓延模拟应用的精度水平，需要建立更加有效的数据系统，形成蔓延区域栅格数据库，实时调取参数信息，从而提高林火蔓延计算效率，为以后的研究工作做出进一步贡献。

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