基于GIS模型的森林草原火蔓延模拟探析

刘礴霏　宋来萍　王磊　李昕

摘要采用具有可操作性和较实用性的Rothermel模型和加拿大FBP系统的火蔓延模型，利用迷宫算法建立了一套基于气象数据、可燃物数据及环境数据的单起火点无阻隔带的森林草原火蔓延模拟系统，并对蔓延模拟结果进行了分析。

关键词森林;草原;火灾;模拟

中图分类号：S762文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.025

森林草原火蔓延是森林草原可燃物从燃烧开始到结束所表现出来的一种火行为，森林草原火蔓延受气象因素、可燃物因素及环境因素等因子影响。随着GIS技术的不断完善和发展，结合国内外林火蔓延模拟模型，能够实现运用计算机从空间尺度上研究森林草原火行为。本文选取陈巴尔虎旗那吉林场517火灾火场数据为研究基础，通过对林火蔓延模型、蔓延算法的选择进行了基于GIS的森林草原火蔓延模拟研究。

1研究区域及森林草原火灾概况

1.1研究区域概况

陈巴尔虎旗地处大兴安岭西麓与呼伦贝尔草原的结合地带。地理坐标为118°22′20″—121°03′08″ E，48°45′21″—50°12′25″ N。属温带大陆性气候，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春天多大风，日照丰富，太阳辐射强烈，年平均气温-5.0～1.5 ℃，年平均降水量300 mm左右，集中于夏秋两季，年蒸发量1 678 mm，年平均风速2.5 m·s，无霜期110 d。植物种类为沙生草本和灌木，草本植物有羊草、碱草、杂草等。

1.2森林草原火灾概况

2017年5月17日，陈巴尔虎旗鄂温克苏木那吉林场（120°45′26″E，49°54′08″ N）发生了森林草原火灾。火灾期间，最高气温达34 ℃，风力较大，白天风力均为5～6级，瞬间风力高达8～9级，火场为森林草原过渡地带，主要包括乔木林地、疏林地、宜林地及草地，植被为桦树为主的次生林，可燃物载量较多，地下腐殖质层较厚，火场地形复杂，周边沼澤地较多，经过9 000多名扑火人员3昼夜的全力扑救，至5月20日11时明火被全部扑灭，经核实过火面积为8 400 hm。根据现场调查及查阅相关资料，陈巴尔虎旗517那吉林场火灾为典型的森林草原火灾，因此本研究具有一定的代表性。

2研究方法及内容

2.1森林草原火蔓延模型选择

由于森林草原火灾预防和扑救的时效性很强，影响火行为的因素很多，各种参数复杂多变，各种模型运算烦琐，所以要在短时间内判断火灾的蔓延趋势，及时采取应对措施，就必须适时地选择合适的林火蔓延模型[1，2]。本文采用具有可操作性和较实用性的Rothermel模型和加拿大FBP系统的火蔓延模型。

Rothermel林火蔓延模型为：

R=IR×ξ×（1 +Φ+Φ）/ρ×ε×Q

式中：R为火蔓延速度（m·min）;IR为反应强度（kJ·min·m）;ξ为传热通量比率，量纲为1;Φ为风速系数，量纲为1;Φ为坡度系数，量纲为1;ρb为可燃物容积密度（kg·m）;ε为有效加热系数，量纲为1;Qig为预引燃热量（kJ·kg）。

加拿大FBP系统的火蔓延模型为：

R=0.078 8×ISIISI≤20

R=85×[1-e×（ISI-12）] ISI≥20

式中：R为火蔓延速度;ISI是加拿大林火天气指标中的初始蔓延指标。

2.2火场研究数据采集

气象数据采集主要包括温度、湿度、风向及风速等因素。可燃物数据包括地类、树种、可燃物类型等。环境数据包括遥感影像和DEM 数据，火场周长、面积及起火点坐标等数据。将这些数据整理并建立数据库。

2.3林火蔓延算法

本研究采用迷宫算法，以栅格数据为基础，以火点为起点，从正东起沿顺时针方向，其八方邻位可分别表示为E、SE、S、SW、W、NW、N、NE。每一点向外扩散有8个方向的选择，从正东开始，沿顺时针方向检测，每探测到某一方向，计算累积时间∑t[3]。迷宫算法的优点为编程较易实现，运算速度适中;缺点为计算时长无法掌握，完整模拟火场只有在计算完成后才能看到。

2.4蔓延模拟精度

蔓延模拟精度采用Kappa系数和S∅rensen系数进行验证。Kappa系数是用来检验模拟后的火场与真实火场的一致性，将真实火场视为遥感影像分类中的地物类型数据，模拟火场视为影像分类结果，从而建立误差矩阵。S∅rensen系数，又称为S∅rensen相似性系数，最初是应用在生态学领域用来比较两个样本的相似性。本研究使用S∅rensen相似性系数来检验真实火场和模拟火场燃烧区的相似性指标。

Kappa系数计算公式为：

K=P-P/-P

式中：P代表真实火场和模拟火场一致性的百分比，即观测值;P是期望值，即真实值。

其中：

Po=s/n

P=a×b+a×b/n×n

式中：n代表柵格总象元数;a代表真实火场中已燃点栅格的象元数;a代表真实火场中未燃点栅格的像元数;b代表模拟火场中已燃点栅格的像元数;b代表真实火场中未燃点栅格的像元数;s代表真实火场和模拟火场中栅格对应象元值相等的像元数。

Srensen系数计算公式为：

S=2a/2a+b+c

式中：a代表真实火场和模拟火场中重叠燃烧区的栅格数量;b代表真实火场中燃烧模拟火场中未燃的栅格数量;c代表真实火场中未燃模拟火场中燃烧的栅格数量。

计算结果：0.0～0.20表示和真实火场模拟一致性很低;0.21～0.40表示和真实火场模拟一致性一般;0.41～0.60表示和真实火场模拟一致性中等;0.61～0.80表示和真实火场模拟一致性高度一致;0.81～1表示和真实火场模拟一致性几乎完全一致。

2.5森林草原火蔓延模拟方法

森林草原火蔓延模拟方法主要分为4个步骤：第一，建立空间背景数据库;第二，把林火蔓延模型转换为计算机模型;第三，进行动态模拟显示;第四，计算蔓延面积及周长等数据[4]。本研究选择C#进行编程，将火蔓延模型写入编程系统，通过运算采取单火点无阻隔带模式进行，将蔓延火行为的结果以图形的形式展现出来，然后对蔓延模拟结果进行统计分析，完成系统开发。

3结果分析

如图1所示，能够衡量模型精确程度的Kappa系数和S∅rensen系数无论在哪种情况下，变化趋势均相似。在无阻隔带情况下，Rothermel模型和FBP模型与实际火场的重合率先升高后下降，可以推断出当林火蔓延至Kappa系数和S∅rensen系数最高时，已经达到了与原火场的最佳重合程度，也就是蔓延到了原火场的边界，在没有阻隔带的理想情况下，林火继续自由蔓延出原火场，导致与原火场重合程度下降，进一步证明了Rothermel模型和FBP模型在应对真实火场林火蔓延模拟的能力。

4结论

本研究以那吉林场森林草原火灾为例，通过组建森林草原火灾成灾、致灾数据资料库，对模型进行适用性参数修正，最终以修正Rothermel模型、加拿大FBP火行为预报模型，利用迷宫算法实现了基于植被、地形、气象数据的林火蔓延模拟，建立了一套双模型比对的单起火点无阻隔带的森林草原火蔓延模拟系统。模拟结果表明，修正后的Rothermel模型在对陈巴尔虎旗那吉林场森林草原火蔓延模拟中效果最好，后续可以通过对更多森林草原火灾数据的获取及蔓延模拟模型参数的修正，做到对森林草原火蔓延的精确模拟，实现火灾发生中精准实时的蔓延模拟。

参考文献：

[1] 唐晓燕， 孟宪宇，易浩若.林火蔓延模型及蔓延模拟研究进展[J].北京林业大学学报，2002，24（1）：87-91

[2] 王晓红，张吉利，金森.林火蔓延模拟的研究进展[J].中南林业科技大学学报，2013，33（10）：69-78

[3] 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）：53-57

[4] 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[J].东北林业大学学报，2008，36（9）：38-41