一種能夠批處理的林火行為空間模擬系統(tǒng)

孫 萍 ，吳秀平 ，金 森 ，于宏洲 ，朱 朦 ，王曉紅

（1. 東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 國家林業(yè)局 人才交流中心，北京 100714）

一種能夠批處理的林火行為空間模擬系統(tǒng)

孫 萍1，吳秀平2，金 森1，于宏洲1，朱 朦1，王曉紅1

（1. 東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 國家林業(yè)局 人才交流中心，北京 100714）

針對現(xiàn)有林火空間蔓延模擬軟件輸入?yún)?shù)后只能模擬一次，無法批處理多次模擬的不足，開發(fā)了具有批處理功能的林火行為空間模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了國際上最常用的美國Rothermel模型和加拿大FBP蔓延模型，提供了美國系統(tǒng)和加拿大系統(tǒng)兩種可燃物分類系統(tǒng)的處理能力，使用戶可根據(jù)需要進(jìn)行不同參數(shù)、不同環(huán)境變量條件下的多重模擬，還可進(jìn)行自定義約束條件下的最優(yōu)可燃物參數(shù)估計。這種多次模擬提高了相關(guān)研究的效率，為林火行為空間模擬結(jié)果提供了分布概率，使研究結(jié)果更可靠，為研究林火行為、林火對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了有力工具。

林火行為空間模擬系統(tǒng)；批處理多次模擬；Rothermel 模型；FBP模型

森林火災(zāi)是對森林威脅最大的自然災(zāi)害，做好森林防火工作是林業(yè)的重要任務(wù)。搞清森林可燃物的火行為是做好森林火災(zāi)撲救、有效評價森林火災(zāi)損失、評估森林火災(zāi)對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的重要前提?；鹦袨檠芯恳恢笔橇只鹂茖W(xué)的重要內(nèi)容。目前已開展了很多的研究，從可燃物火行為預(yù)測模型到林火蔓延的空間模擬，出現(xiàn)了很多模型和軟件。模型有Firetec[1]、Rothermel模型[2]等，目前應(yīng)用較多的林火空間蔓延模擬軟件有BehavePlus[3]，F(xiàn)arsite[4]，Prometheus[5]等。這些軟件往往基于某一種火行為模型，能夠預(yù)測復(fù)雜地形和可燃物條件下林火空間蔓延情況和其他火行為特征，在研究火行為空間變化、可燃物燃燒性、林火對生態(tài)系統(tǒng)的影響等方面發(fā)揮了重要作用。

在目前林火行為相關(guān)研究中，往往需要進(jìn)行多次的火行為模擬，如，對可燃物火行為和燃燒性的評價中，因無法進(jìn)行大量點燒實驗，只能通過進(jìn)行不同地形和氣象條件下的可燃物火行為的多次模擬來研究。再如，研究林火對景觀格局和過程的影響時，往往需要對多個火點的火行為進(jìn)行不同條件下的多次模擬。還有因?qū)嶋H可燃物參數(shù)獲取的困難，需要通過多次模擬來確定最適的可燃物參數(shù)。但現(xiàn)有火行為模擬軟件每次只能輸入1組參數(shù)，運行1次，給出1個結(jié)果，如果要完成上述任務(wù)，需要手動反復(fù)輸入和運行，實現(xiàn)成千上萬次的模擬十分困難。因此，開發(fā)能夠在用戶控制下在給定參數(shù)集或驅(qū)動變量集下的多次火行為模擬的程序十分必要。我們稱之為批處理火行為模擬系統(tǒng)。本文介紹一種批處理火行為模擬系統(tǒng)的開發(fā)，以期對更好開展火行為研究，搞清林火對森林生態(tài)系統(tǒng)影響等提供一個工具。在開發(fā)中主要考慮火行為的模型選擇、空間蔓延算法、系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)、批處理控制等幾個方面。

1 林火行為模擬

林火行為模擬包括林火行為預(yù)測模型的選擇和空間蔓延算法選擇兩個部分。

1.1 林火行為模型選擇

林火行為模擬模擬目前比較多，包括物理模型、半物理模型和統(tǒng)計模型等3類，目前在一般意義上的火行為模擬中應(yīng)用最多的是Rothermel模型，其他的還有加拿大火行為預(yù)測模型[6]，澳大利亞草地火模型等。我國學(xué)者也開展了相應(yīng)的研究，如王正非提出的蔓延模型[7]，金森等開展的實驗?zāi)Ｐ蚚8-10]等。作為一個研究工具，應(yīng)包括現(xiàn)有的各種模型。但從模型的普適性和成熟性來看，我們主要選擇Rothermel模型和加拿大模型兩種。Rothermel模型是半物理模型，已經(jīng)在很多地區(qū)應(yīng)用，其預(yù)測準(zhǔn)確性較好。加拿大模型基于多種可燃物的數(shù)百次點燒實驗，是具有較好實驗基礎(chǔ)的統(tǒng)計模型。澳大利亞模型主要針對草地火，在加拿大系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)，所以沒有選擇。我國的王正非模型雖然在一些研究中得到應(yīng)用，但該模型的實驗基礎(chǔ)少，無法科學(xué)確定參數(shù)。金森等模型過于針對具體的可燃物，不具有普適性。

1.2 林火蔓延空間算法的選擇

目前林火蔓延空間模擬的算法主要有下面3種：

1.2.1 邊界插值算法

該方法采用空間數(shù)據(jù)內(nèi)插算法，在邊界變化均勻、同質(zhì)條件下，假定重要變化都發(fā)生在邊界上。以插值的算法外推火場邊界。以起火點為中心，按順時針方向計算從正東開始每隔45度的8個方向的林火蔓延。數(shù)據(jù)形式為柵格數(shù)據(jù)。只計算所選8個方向上的柵格，其余柵格不考慮。當(dāng)某一個方向林火蔓延時間超過給定蔓延時間時，停止計算，保存該方向的柵格行號和列號。所有計算結(jié)束后，將得到的行列號加載到地形圖上，就得到模擬的火場蔓延情況。然后根據(jù)所有最后節(jié)點的插值閉合運算，形成火場邊界。

該算法從時空兩個方面出發(fā)，假設(shè)不發(fā)生2次燃燒，火蔓延的表現(xiàn)形式是位置的變化和時間的延續(xù)。林火蔓延的途徑是最快到達(dá)目的節(jié)點的路徑，而不是距離上最短的路徑。具體算法是：建立一個燃燒點堆棧，對堆棧中的每個火點，在與該點相鄰的像元中，按照指定順序搜索其周圍的各方向上燃燒時間最短的像素，然后將該像素推入堆棧，如此循環(huán)，直到模擬時間結(jié)束或堆棧為空。

1.2.2 迷宮算法

該算法同樣采用柵格數(shù)據(jù)。每個柵格包含地形、可燃物等信息。以著火點為起點，其八方鄰位表示為：E、SE、S、SW、W、NW、N、NE。從E方向順時針開始進(jìn)行探測，每到一方向時，計算到達(dá)該方向的累積時間Σt，如果小于擴展蔓延時間且該方位沒有探測或累積時間大于Σt，則沿該方向向前進(jìn)一步，并記錄該路徑，放入堆棧，將該像素的累積時間設(shè)為Σt。如果某個方位四周的累積時間均超過T，則退回一步探測下一個方位。當(dāng)火點周圍的8個方位全部進(jìn)行上述探測后，蔓延檢測過程結(jié)束。但堆棧中存放的累積時間Σt都小于給定蔓延時間時，堆棧中點集數(shù)據(jù)是火場像元集合。

在以上3個基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的算法中，邊界插值算法僅考慮從起燃點像素的8個方位上的蔓延過程，沒有考慮其他方向上的蔓延，簡化了模擬的復(fù)雜性。但該方法不能實現(xiàn)蔓延過程中各因素之間的相互影響。該方法基于惠更斯原理，實際中需要進(jìn)行重復(fù)燃燒的判斷等，其在原理上也存在一定問題。邊界外延算法和迷宮算法計算量大，通過一定技術(shù)技巧可提高計算速度。邊界外延算法和迷宮算法在結(jié)果上是一致的。迷宮算法較易實現(xiàn)，速度也快。

2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入

空間林火行為模擬需要的數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、可燃物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)[11]等。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響了模擬的效果。

2.1 地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)采用柵格形式，現(xiàn)有林火模擬軟件對地形數(shù)據(jù)的處理基本一致[12]。本系統(tǒng)需要輸入柵格的大小和數(shù)字高程模型，以文本形式存儲。

2.2 可燃物數(shù)據(jù)

不同的林火行為預(yù)測模型需要的可燃物數(shù)據(jù)不同。本系統(tǒng)采用美國和加拿大兩個預(yù)測模型，所以需要兩個可燃物分類信息系統(tǒng)?？扇嘉锖市枰捎帽镜乜扇嘉锖蕷庀笠仡A(yù)測模型計算。

2.2.1 美國系統(tǒng)的可燃物信息

美國系統(tǒng)的可燃物信息通過可燃物模型來體現(xiàn)。進(jìn)行火行為模擬前需要將模擬地區(qū)的可燃物按照美國系統(tǒng)的要求進(jìn)行可燃物類型劃分，本系統(tǒng)按20個可燃物模型劃分，同時接受用戶自定義的可燃物模型。

2.2.2 加拿大系統(tǒng)可燃物信息

加拿大系統(tǒng)的可燃物信息通過可燃物類型來實現(xiàn)。該系統(tǒng)將可燃物類型劃分為5個類型組16個類型。針葉林類型組7個可燃物類型，闊葉林類型組1個，混交林類型組4個，采伐跡地類型組3個，林中空地類型組1個。每個可燃物類型匹配了相應(yīng)的火行為模型參數(shù)。但這些參數(shù)都是統(tǒng)計估計出來的參數(shù)，沒有明確的物理意義。該體系不支持用戶自定義參數(shù)。

3 批處理流程和實現(xiàn)

圖1給出了了林火行為空間模擬單元的框架圖，在該單元之上，系統(tǒng)設(shè)置了批處理功能，即在此單元外設(shè)置相應(yīng)的多重循環(huán)，允許用戶輸入可燃物參數(shù)的范圍、步長、輸入環(huán)境變量（氣象參數(shù)）的范圍、步長，火災(zāi)從數(shù)據(jù)文件中讀取多個起火點、可燃物、環(huán)境變量的數(shù)據(jù)，然后在這些范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)的模擬，模擬次數(shù)由用戶指定。如需進(jìn)行可燃物參數(shù)的最優(yōu)估計，需要用戶輸入實際火場的指標(biāo)，如火場面積或周長，計算模擬火場與實際火場相應(yīng)指標(biāo)的約束目標(biāo)函數(shù)值，對結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行評價，確定最優(yōu)結(jié)果。評價指標(biāo)主要在輸出結(jié)果中進(jìn)行火場相關(guān)統(tǒng)計。主要采用Kappa系數(shù)和S?rensen指標(biāo)。其中Kappa系數(shù)用來檢驗?zāi)M后的火場與真實火場的一致性。其計算公式為其中：po代表實際火場和模擬火場的一致性比例，pc是真實值。N為象元總數(shù)；a1為實際火場中已燃象元數(shù)；a0代表實際火場中未燃像元數(shù)；b1為模擬火場中已燃像元數(shù)；b0代表實際火場中未燃像元數(shù)；s為真實火場和模擬火場中一致的象元數(shù)；K值為0～1，以0.2為間隔分五組，分別表示模擬與實際的不同一致性，分別是低、一般、中等、高度和完全一致。S?rensen指標(biāo)檢驗真實火場和模擬火場燃燒區(qū)的相似性指火場和模擬火場中重疊燃燒區(qū)的像元數(shù)；b，實際火場中燃燒模擬火場中未燃像元數(shù)；c，實際火場中未燃模擬火場中燃燒的像元數(shù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

圖1 林火行為模擬單元的框架Fig.1 Scheme for forest fi re simulation unit

本系統(tǒng)可以用來研究不同可燃物參數(shù)對可燃物林火行為模擬精度的影響，根據(jù)林火行為來估計最適可燃物參數(shù)，分析林火對景觀格局的影響，研究林火歷史格局等。下面給出一個利用本系統(tǒng)研究不同可燃物參數(shù)對林火行為模擬精度的影響研究實例。

4.1 研究區(qū)概況

選擇黑龍江省2006年4.30大火，火場位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)。大興安嶺地理坐標(biāo)為50°08′～ 53°34′N，121°11′～ 127°02′E，是全國的重點火險區(qū)之一，地帶性植被為興安落葉松為主的明亮針葉林。屬寒溫帶季風(fēng)區(qū)。全年的平均溫度為-4～-2 ℃。

4.2 火場情況介紹

2006年，大興安嶺地區(qū)入冬出現(xiàn)“干封凍”現(xiàn)象，出現(xiàn)了歷史上50年一遇的暖冬。2007年4月中下旬全區(qū)溫度偏高、降水偏少、大風(fēng)時段多，火險等級偏高。4月30日13時40分，罕諾河管護區(qū)內(nèi)因野外吸煙引發(fā)草甸森林火災(zāi)，火場風(fēng)力在白天達(dá)到了5級以上，夜間也高達(dá)4級，風(fēng)向多變。氣溫始終維持在15 ℃左右，最高日溫度達(dá)到了20℃。林火蔓延了77 h后被撲救。過火面積10 400 hm2?；饒龅目扇嘉餅椴莸?、灌叢和森林。

4.3 模擬實驗研究

收集研究地區(qū)的數(shù)字高程模型和火場氣象數(shù)據(jù)。可燃物類型用TM遙感圖像分別按美國系統(tǒng)和加拿大系統(tǒng)劃分。然后分別用兩種火行為預(yù)測模型模擬。用美國系統(tǒng)模型模擬時采用最小誤差法來進(jìn)行可燃物參數(shù)的估計?？扇嘉锬Ｐ蛥?shù)的組合是：草類可燃物載量為0.1～1.0 kg/m2，步長0.1 kg/m2；床層深度為0.3～1.3 m，步長0.1 m。森林類的可燃物載量為0.1～0.5 kg/m2，步長0.1 kg/m2；可燃物床層深度為0.1～0.5 m，步長0.1 m。灌叢類的可燃物載量為0.2～0.6 kg/m2，步長0.1 kg/m2；可燃物床層深度為0.7～1.2 m，步長為0.1 m。共模擬165次。在固定其他參數(shù)的前提下，只改變一個模型參數(shù)進(jìn)行林火蔓延模擬，從而確定模擬結(jié)果最好的可燃物參數(shù)組合。對于加拿大系統(tǒng)則直接給出輸出結(jié)果。

4.4 模擬結(jié)果

受篇幅限制，這里只給出采用美國系統(tǒng)模型時草本可燃物不同參數(shù)組合時的模擬情況，見表1。從中直接得到模擬誤差最小的草類可燃物參數(shù)為：載量0.9 kg/m2，床層深度1.1 m。模擬誤差最小的3種可燃物組合參數(shù)分別是：草類載量為0.7 kg/m2，床層深度為1.1 m；森林可燃物載量0.4 kg/m2，床層深度0.4 m；灌叢載量0.2 kg/m2，灌叢深度0.7 m。雖然達(dá)到了最優(yōu)的模擬結(jié)果，但模擬火場與真實火場的一致性還很低，其原因在于人為撲火的影響。

表1 草本可燃物不同參數(shù)組合時的模擬結(jié)果Table 1 Simulation results of grass fuel with different parameter combinations

圖2和表2給出了采用加拿大系統(tǒng)模型模擬時模擬火場與實際火場的比較和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從中可見，F(xiàn)BP模型的模擬效果不如美國系統(tǒng)模型。誤差較大。

圖2 加拿大FBP模型模擬結(jié)果與真實火場對比Fig.2 Comparison of modeled forest fi re perimeter by FBP model and actual perimeter

表2 采用FBP模型模擬的林火蔓延評價指標(biāo)Table 2 Evaluation indexes of forest fire simulated by FBP model

5 結(jié)論與討論

本研究介紹的批處理林火行為模擬系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于，用戶能夠根據(jù)需要進(jìn)行不同參數(shù)、不同環(huán)境變量條件下的多重模擬，還可進(jìn)行用戶自定義約束條件下的最優(yōu)參數(shù)估計。這種多次模擬提高了研究效率，為林火行為模擬結(jié)果提供了分布概率，使研究結(jié)果更可靠，為研究林火行為、林火對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了有力工具。目前系統(tǒng)采用的林火模型為美國Rothermel模型和加拿大火行為預(yù)報模型，這種雙模型是現(xiàn)有林火模擬軟件所沒有的，也是該系統(tǒng)的另一優(yōu)勢。盡管系統(tǒng)中還沒有加入其他模型，還沒有開發(fā)用戶自定義林火模型和相應(yīng)的可燃物類型數(shù)據(jù)及人工撲救對林火蔓延影響等功能，但其仍具有很高的應(yīng)用價值。今后將加強這些方面的功能，使其更完善，成為開源軟件，方便森林防火相關(guān)人員使用。

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Study on a forest fi re behavior space simulation system with batch processing capacity

SUN Ping1, WU Xiu-ping2, JIN Sen1, YU Hong-zhou1, ZHU Meng1, WANG Xiao-hong1
(1. College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2.Talent Exchange Center, China National Forestry Bureau, Beijing 100714, China)

A forest fi re behavior space simulation system with batch processing capacity was developed to overcome the shortcoming of existing fi re behavior modeling software that they can not conduct multiple simulations at one time. The system incorporates two most commonly used forest fi re behavior models (the Rothermel model and the Canadian Fire Behavior Prediction Model) and can use fuel data either from the American National Fire Danger Rating System or from the Canadian Fire Behavior Prediction System. The software allows users to conduct multiple simulations with different parameters, environmental variables set by users at one time and to optimally estimate fuel parameters under constraint defined by users. The system can improve simulation efficiency and provide probability distribution of modeled forest fi re behavior, which would be a useful tool for studying on fi re behavior and effects of fi res on ecosystem.

forest fi re behavior space simulation system; batch processing and multiple simulations; Rothermel model; FBP model

S762.3+2

A

1673-923X(2014)11-0041-05

2014-01-12

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201405408）

孫 萍（1983-），女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，主要從事林學(xué)研究

金 森（1970-），男，天津人，教授，博士，主要從事森林防火研究；E-mail：jinsen2005@126.com

[本文編校：吳 毅]