基于元胞自动机的高原林火蔓延三维可视化模拟

张全文, 杨永崇, 王 涛, 马 健

(西安科技大学测绘科学与技术学院, 西安 710054)

2018年,中国发生森林火灾约2 478起,造成40余人伤亡,约16 309公顷森林受损[1]。森林火灾指森林发生不受控制的燃烧,具有蔓延速度快、补救难度大等特点[2-5]。森林火灾发生后,火势会沿着各个方向蔓延。林火蔓延是一种火行为,是由林火开始燃烧到逐渐熄灭这一过程所表现出来的特性,林火研究人员将地貌条件、可燃物和气象作为林火蔓延的主要影响因素。唐勇等[5]揭示并分析了外界环境影响因子如温度、风速、风向等与林火蔓延模型之间的关系,在林火蔓延模型可视化方面进行了改进,增加林火蔓延细节,对科学开展林火扑灭活动具有重要指导作用。

Papadopoulos等[6]将林火蔓延模拟模型与实际林火情况相结合,建立了林火管理与林火蔓延模拟系统；唐晓燕等[7]将栅格数据与王正非模型相结合,利用迷宫算法实现了林火蔓延动态模拟；元胞自动机(cellular automata, CA)是一种与地理信息系统相兼容且建模方法具有简单易行性[8-9],常被用于重现自然现象的演变,如生态建模,城市增长和流行病传播,森林火灾蔓延,利用元胞自动机开展森林火灾林火蔓延模拟成为森林火灾防控领域的研究热点。Yassemi等[10]将地理信息系统(geographic information system,GIS)技术与元胞自动机模型相结合来描述森林火灾行为；张菲菲[11]结合元胞自动机原理,对王正非与毛贤敏林火蔓延模型进行改进,并在GIS平台上对模拟情景进行展示；Arail等[12]基于GIS和元胞自动机原理,提出一种元搜索引擎,并在GIS平台上验证了该方法的有效性。开展林火蔓延三维可视化模拟能够直观展示火情蔓延趋势,为灭火方案的设计提供参考[13-14]。

前人虽然在林火蔓延模拟方面取得了很大的进展,但仅是将GIS数据管理和二维可视化方面进行展示,模拟效果不够逼真。基于此,将GIS三维可视化和元胞自动机原理相结合,选用中国较流行的王正非与毛贤敏组合模型,对云南省安宁市温泉镇“3·29”火灾进行模拟研究,能够实时模拟林火的动态蔓延变化,为科学扑火救火提供决策依据。

1 研究区概况

温泉镇位于云南省安宁市北部8 km处,地理坐标为138°12′49.9″E、26°49′47.1″N。地形地貌复杂,年平均气温约为13.6 ℃,最高气温约为28 ℃。植被类型极为丰富,主要以热带的橡胶树、温带的松树以及亚热带的竹林等为主。2010年出现特大干旱灾情,年均降水量约350 mm。该地火灾频繁发生,2014年云南省西山区“4·16”重大森林火灾,2016年昆明嵩明“3·17”重大森林火灾。以2006年安宁“3·29”重大森林火灾数据为研究对象。安宁“3·29”火灾发生于2006年3月29日下午5时左右,中心火点位于安宁市温泉镇,过火面积约为13.3 km2,周边15个村庄和2 000余名群众的安全受到威胁。

2 研究方法

2.1 数据获取

根据温泉镇地区的30 m分辨率数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据、火灾发生地的气象资料包括火灾发生日的风速、风向、温度和相对湿度等(数据来自中国气象数据网 )以及“3·29”火灾蔓延范围(通过对2006年3月29日23:00 Landsat影像勾绘获取)等作为模拟基础数据。由于数据具有多种格式,需要转换为统一的数据格式和空间参考系,利用转换函数将气象数据中的风向、风速和湿度等参数进行转换,使其达到林火蔓延模拟的数据条件。

2.2 元胞状态

林火蔓延过程中,元胞在t时刻的状态定义为[15]

(1)

2.3 元胞状态转换规则

(2)

(3)

其余7个元胞按照以上方法进行计算,则Δt时间后的转换函数变为

(4)

图1 邻域元胞的火蔓延Fig.1 Fire spread of neighboring cells

2.4 王正非与毛贤敏组合模型

林火蔓延模型大致分为:①经验模型,如美国的罗森梅尔模型、苏联的谢斯柯夫模型和中国的王正非模型；②物理模型,如范一舟等[17]将燃烧床理想化,利用系数修正方法最早提出物理模型,将可燃物设定一个阈值,当可燃物温度达到阈值时即着火,因此,该模型模拟结果与实际林火情况具有较大的差距,且存在物理参数较多,参数不确定等情况；③经验模型,如美国的Rothermel模型,主要是从能量守恒的角度出发推导出的方程,该模型参数一般是通过室内燃烧床进行多次实验获取。在中国应用最广泛的是经验模型,是由统计数据推导而成,实用性强。在遵守适宜性和可行性原则基础上,根据云南省植被类型分布特点和地形起伏情况,选用王正非与毛贤敏组合模型进行地表火模拟研究,其表达式为[18]

R=R0KSKWKφ

(5)

式(5)中：R0为可燃物在无风情况下的初始蔓延速度；KS为可燃物的易燃程度及配置格局更正系数；KW为风更正系数；Kφ为坡度角；KW=e0.178 8Vcosθ,表示风更正系数(KW)与蔓延速度(V)之间的关系。在林火蔓延过程中,邻域元胞会受到风作用的影响[19],推导求出中心燃烧元胞(i,j)在8邻域元胞方向的分速度,如图2所示。

图2 风的投影Fig.2 Wind projection

假定风方向沿逆时针方向旋转到OH,且旋转角度为θ,那么中心元胞在OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG方向的风作用系数分别为e0.178 3Vcos(θ-45°)、e0.178 3Vcos(θ-90°)、e0.178 3Vcos(θ-135°)、e0.178 3Vcos(θ-180°)、e0.178 3Vcos(225°-θ)、e0.178 3Vcos(θ+90°)、e0.178 3Vcos(315°-θ)。由此得到中心燃烧元胞在周围8邻域方向的分速度如下。

OA方向速度分量为

(6)

OB方向速度分量为

(7)

OC方向速度分量为

(8)

OD方向速度分量为

(9)

OE方向速度分量为

(10)

OF方向速度分量为

(11)

OG方向速度分量为

(12)

OH方向速度分量为

(13)

2.5 精度评价方法

气象、地形和可燃物特性等影响因素共同决定了林火蔓延扩散,数据具有多样性,为了更加准确地模拟林火蔓延态势,需要利用不同林火蔓延模型进行模拟对比,并进行空间精度评价,目前主要有比较蔓延速率、周长、火场面积等指标来评价火行为模拟精度[20-22],由于缺少林火蔓延速率的详细数据,仅在火场面积方面进行比较。选用周宇飞等[23]提出的精度评价指标,其表达式为

(14)

式(14)中：SP为该系统模拟面积与实际过火面积不重合区域的面积；SR为实际过火面积。ε为系统模拟面积与实际过火面积不重合区域的面积与实际过火面积的比率。

3 结果与分析

3.1 模拟蔓延过程动态可视化

以元胞自动机和GIS 三维可视化原理为基础,对云南省温泉镇“3·29”重大火灾进行模拟研究,火灾发生地位于云南省温泉镇北部古朗箐林区,林火蔓延期间白天平均风速1.7 m/s,最高风速平均为4.9 m/s。设置模拟蔓延总时长6 h和时间步长1 min,加载可燃物载量、坡度坡向等其他参数信息。结合元胞自动机和GIS三维可视化,输入各种参数后,随着蔓延区域的不断扩大,图3描述了着火后林火蔓延在三维地形中的动态模拟。当林火蔓延结束后,系统停止渲染,计算蔓延面积为20.59 km2,蔓延周长为3.82 km。

图3 林火蔓延模拟过程Fig.3 Simulation process of forest fire spread

3.2 精度验证

模拟林火燃烧6 h后的着火情况,林火蔓延结束后,对模拟结果进行精度评价,将研究区实际过火面积与模拟过火面积进行叠加,如图4所示。从图4可以看出,模拟出的林火燃烧范围大部分都在实际燃烧范围之内,运用式(14)求得二者重合度为81.2%,模拟结果符合要求,但模拟范围的南部已经超出了实际林火范围,是因为没有实时获取气象数据,而在模拟过程中仅考虑风向为西南方向所导致,将来可以结合气象传感器技术来加以改善。

图4 实测面积与模拟结果叠合效果Fig.4 Superposition effect of measured area and simulation result

4 结论

利用元胞自动机原理和GIS 三维可视化并结合王正非与毛贤敏组合模型对林火蔓延进行预测模拟,集成Arc SDE引擎和可视化技术研发形成林火蔓延可视化模拟系统。将该系统应用于2006年发生在云南省安宁市温泉镇的一场森林火灾模拟中,系统根据输入的地形、气象等参数信息后能够动态预测出不同时间间隔的过火面积和火线强度,在三维地形中更加形象直观地动态模拟过火情况,具有高度的逼真感和沉浸感,该系统可以为林火预警、应急方案的制定和扑火灭火提供决策依据。

开展林火蔓延三维可视化,需要从水平方向进行林火动态蔓延模拟,也要从垂直方向展示蔓延三维可视化。由于林火蔓延模拟的复杂性,没有采用LOD(levels of detail)技术,将来可以采用LOD技术来提高场景的绘制效率。因没有实时获取气象数据,为进一步提高林火蔓延模拟精度水平,今后研究中可以结合传感器技术,在林火易发区部署相应的传感器,利用火场实时数据来修正林火蔓延预测边界,从而提高林火蔓延模拟的准确性,为下一步研究提供了参考。