一種基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模擬方法
——以黑河市泉山地營(yíng)子“5.20”特大森林火災(zāi)為例

何 誠(chéng)，張思玉

（南京森林警察學(xué)院 林火研究中心，江蘇 南京 210023）

一種基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模擬方法
——以黑河市泉山地營(yíng)子“5.20”特大森林火災(zāi)為例

何 誠(chéng)，張思玉*

（南京森林警察學(xué)院 林火研究中心，江蘇 南京 210023）

在研究林火蔓延機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、遙感、空間數(shù)學(xué)模型等技術(shù)對(duì)林火蔓延過(guò)程進(jìn)行了分析，建立了基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的小班林火蔓延模型，并以黑龍江省黑河市愛(ài)輝區(qū)泉山地營(yíng)子2003年“5.20”特大森林火災(zāi)為例，將MODIS產(chǎn)品中MOD14A1/MYD14A1提取出來(lái)的燃燒過(guò)程結(jié)合歷史火災(zāi)記錄為真值，對(duì)八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模型進(jìn)行實(shí)例精度分析。結(jié)果表明：從燃燒面積來(lái)看，模型模擬總體精度為86.71%，模擬燃燒周長(zhǎng)平均精度為86%；從模型模擬圖可以通過(guò)軟件獲得該火場(chǎng)的范圍、形狀和周長(zhǎng)長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了火場(chǎng)模型因素的獲取。

林火；八叉樹；蔓延模型；精度

火災(zāi)會(huì)改變植被群落結(jié)構(gòu)和干涉物種生存和繁殖，且火災(zāi)過(guò)后土壤化學(xué)成分的改變、碳循環(huán)、水循環(huán)、以及溫室氣體排放對(duì)氣候系統(tǒng)的改變會(huì)直接影響著全球生態(tài)系統(tǒng)[1]?；馂?zāi)的發(fā)生會(huì)引起大氣中二氧化碳和氣溶膠的改變量，而二氧化碳的增加會(huì)導(dǎo)致蒸騰的改變，火災(zāi)產(chǎn)生的氣溶膠的濃度增加，會(huì)使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量減少。從生物質(zhì)燃燒釋放的黑碳?xì)馊苣z是影響氣候系統(tǒng)的第二個(gè)最重要的因素，黑碳?xì)馊苣z的增加，會(huì)擾亂大氣垂直風(fēng)循環(huán)，阻礙了云的形成，導(dǎo)致雨量減少。此外，火災(zāi)通過(guò)誘導(dǎo)土地覆蓋物和植被的變化，會(huì)導(dǎo)致冠層蒸騰作用下降，土壤水分蒸發(fā)增加，從而會(huì)產(chǎn)生更大的太陽(yáng)光入射的結(jié)果。高溫是影響火災(zāi)發(fā)生和蔓延最主要的因素之一，高溫會(huì)引發(fā)更大程度的蒸散量，降低植被的水分含量，可燃物干燥度增加，森林火險(xiǎn)升高。另外，人為原因也是火災(zāi)發(fā)生的重要因子，如土地的利用和管理，放牧的管理、電網(wǎng)的密度等因素[1~3]。

林火的自由蔓延和擴(kuò)展，給森林和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)危害的同時(shí)也給人類的生存帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。一旦火情出現(xiàn), 就必須盡快根據(jù)蔓延模型對(duì)火場(chǎng)的蔓延方向與距離進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]，進(jìn)而為火災(zāi)的撲救與指揮提供決策支持。林火蔓延模型是指通過(guò)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并使用數(shù)學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，推導(dǎo)出來(lái)的林火蔓延行為與各參數(shù)之間的關(guān)系方程式[5]。林火蔓延模型可以形象的展示林火行為，是林火蔓延模擬最核心的工作。林火蔓延的數(shù)學(xué)模型第一次提出是在1946年，從此國(guó)內(nèi)外很多研究人員提出了自己的林火蔓延模型。美國(guó)的Rothermel林火蔓延模型具有較寬的適用范圍[6]，但由于該模型需要滿足三個(gè)假設(shè)條件且要求的輸入?yún)?shù)多，在我國(guó)大部分地區(qū)并不能適用于獲取這些參數(shù)的條件。澳大利亞的McArthur模型不僅可以相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)火險(xiǎn)天氣，而且能夠預(yù)報(bào)部分重要的林火行為參數(shù)，但是適用于這個(gè)模型的主要可燃物類型為草地和桉樹林，可燃物類型相對(duì)單一。加拿大林火蔓延模型獲取的途徑是通過(guò)分析實(shí)際火場(chǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，最終分析數(shù)據(jù)建立模型，但其中欠缺了對(duì)火行為的物理本質(zhì)的考慮，缺乏物理基礎(chǔ)[7~8]。中國(guó)著名林火專家王正非提出了林火蔓延的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)廣泛，但該模型的適用局限于< 60°坡度且順風(fēng)上坡的條件。此外，以上模型的模擬實(shí)驗(yàn)都存在著很大的破壞性，因此可重復(fù)性差，基本不存在重復(fù)試驗(yàn)的可能。由此可見(jiàn)，已有的林火蔓延模擬研究成果難以應(yīng)用到實(shí)際林火管理和撲救工作中。所以森林火災(zāi)的蔓延模型構(gòu)建在應(yīng)用上一直是林火研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，研究出一種具有普適性、破壞性小、可重復(fù)性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)的林火蔓延模型是非常必要的[10~11]。

本項(xiàng)目提出了應(yīng)用現(xiàn)代廣義3S技術(shù)，在地面使用全站儀等精密量測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)為主要手段，跟蹤林火點(diǎn)火試驗(yàn)獲取林火的實(shí)例數(shù)據(jù)，精密結(jié)合歷史林火數(shù)據(jù)，配合知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)從大量的林火數(shù)據(jù)中挖掘出林火知識(shí)，對(duì)林火的行為及其與相關(guān)因子的關(guān)系進(jìn)行研究。發(fā)展出了一種基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模擬方法。理論分析及實(shí)例計(jì)算的結(jié)果均表明，用該模型預(yù)測(cè)林火蔓延，依賴參數(shù)少，獲取方便，可確定林火蔓延后各方向的位置，可方便進(jìn)行林火蔓延時(shí)空預(yù)測(cè)，為滅火指揮方案設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

1 八叉樹基本原理

本文所闡述的八叉樹模型與傳統(tǒng)的分層樹結(jié)構(gòu)的八叉樹模型不同，傳統(tǒng)八叉樹模型將三維空間定義為八個(gè)象限，由每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的8個(gè)元素為算法來(lái)源，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)為單位依次展開，將三維空間的空間區(qū)域逐個(gè)方向發(fā)展，如果子立方體被定義為均質(zhì)的，則定義為滿，可以分叉，如果子立方體被定義為空(沒(méi)有形體在其中)，則此子立方體停止發(fā)展，直至生成八叉樹形狀[12]。而本文闡述的八叉樹模型則是從八個(gè)方向研究林火的蔓延，從八個(gè)方向分解開來(lái)研究林火的蔓延時(shí)間和距離，從而確定蔓延的速度，再賦予坡度、坡向等地形因子和風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、溫度等來(lái)研究林火的蔓延規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)定量、定性的對(duì)林火蔓延的分析，進(jìn)而總結(jié)規(guī)律，為建立林火蔓延模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。該八叉樹模型的理論具有蔓延現(xiàn)象、數(shù)據(jù)清晰簡(jiǎn)單、獲取數(shù)據(jù)單一等優(yōu)點(diǎn)，可以為大尺度的采集林火蔓延數(shù)據(jù)提供新思路，為林火蔓延模型的建立提供理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取共分為兩部分，第一部分通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代廣義3S技術(shù)，以先進(jìn)的空間計(jì)測(cè)儀器獲取準(zhǔn)確的林火歷史數(shù)據(jù)，將林火的發(fā)生地作為一個(gè)時(shí)空異質(zhì)體來(lái)看待。利用GIS強(qiáng)大的空間分析能力，快速提取影響林火發(fā)生及蔓延的時(shí)空因子，在火燒跡地，在采用RTK/RTD GPS高精度定位系統(tǒng)，進(jìn)行火燒跡地形狀、面積、周長(zhǎng)的量測(cè)與資源調(diào)查，有的火燒跡地可配合高分辨率遙感影像進(jìn)行調(diào)查。對(duì)于跡地的歷史林火數(shù)據(jù)以林火記錄為線索，在1：1 000地形圖上標(biāo)記，結(jié)合林業(yè)二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行查證，確定林火相關(guān)數(shù)據(jù)。利用林火知識(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)研究林火發(fā)生及林火蔓延與時(shí)空因子的關(guān)系，得到林火發(fā)現(xiàn)和蔓延的相關(guān)知識(shí)[13~14]。

第二部分在安徽秋季農(nóng)村針對(duì)廣闊田野上的麥秸等進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)10次以上。實(shí)驗(yàn)火場(chǎng)的選取應(yīng)綜合考慮各種立地條件、林木因子及氣象條件等，如在不同季節(jié)選擇有代表性的高程、坡度、坡向、林種、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等條件下進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)及計(jì)劃火燒除實(shí)驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的典型性、可靠性和科學(xué)性。在實(shí)驗(yàn)火場(chǎng)，采用林火智能標(biāo)繪方法，在PDA上安裝1：50 000柵格電子地圖，GPS通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)與PDA通訊，通過(guò)GPS獲取火點(diǎn)位置坐標(biāo)，采用屏幕觸控的方法在PDA屏幕上實(shí)時(shí)標(biāo)繪火頭和火線的位置，并繪制的電子林火態(tài)勢(shì)圖，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)林火態(tài)勢(shì)圖的實(shí)時(shí)傳輸，以期對(duì)林火發(fā)生、蔓延的行為特征、熱力特性，以及飛火、火旋風(fēng)、火爆等一些特殊火行為進(jìn)行記錄研究。

2.2 燃燒過(guò)程模擬

具體的林火蔓延訓(xùn)練模型構(gòu)建如下：

根據(jù)火場(chǎng)環(huán)境因子和林火蔓延模型參數(shù)，確定輸入結(jié)點(diǎn)為風(fēng)速（v）、風(fēng)向（α1）、可燃物單位面積蓄積量（M）、坡度（δ）、坡向（α2）、空氣干濕度（H）6個(gè)因子，用向量表示為：

輸出結(jié)點(diǎn)為8個(gè)，表示從風(fēng)速方向的林火蔓延速度，以及沿順時(shí)針?lè)较蛎块g隔45°的8個(gè)方向的火蔓延速度v1，v2，…，v8即構(gòu)成林火平面八叉樹蔓延模型。

隱含層結(jié)點(diǎn)數(shù)通過(guò)輸入層和輸出層結(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)確定，即取輸入輸出層結(jié)點(diǎn)數(shù)的平均值，因此隱含層結(jié)點(diǎn)數(shù)為7。這樣建立一個(gè)三層的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型訓(xùn)練與林火蔓延模擬的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的林火模型訓(xùn)練與模擬Figure 1 Simulation of forest fire based on neutral network

每一次循環(huán)訓(xùn)練中所產(chǎn)生的權(quán)值變化量由學(xué)習(xí)速率決定。大的學(xué)習(xí)速率可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；小的學(xué)習(xí)速率導(dǎo)致較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間，可能收斂很慢，但能保證網(wǎng)絡(luò)的誤差值不跳出誤差表面的低谷而最終趨于最小誤差點(diǎn)。所以，一般傾向于取較小的學(xué)習(xí)速率以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本研究中，BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率η = 0.2。網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出和目標(biāo)輸出的最小期望均方誤差定為0.01。

利用隨機(jī)采樣來(lái)獲取關(guān)于一場(chǎng)林火蔓延的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。隨機(jī)采樣可以有效地減少數(shù)據(jù)量，并消除空間變量的相關(guān)性。首先根據(jù)分層采樣方法來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并讀取這些采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的火場(chǎng)環(huán)境因子和林火蔓延影響因子等空間變量的數(shù)據(jù)。然后用這些訓(xùn)練數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，自動(dòng)獲取模型的參數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)后向傳遞算法，自動(dòng)地不斷調(diào)整模型參數(shù)，使得計(jì)算值趨近實(shí)際值，從而找到模型的最佳參數(shù)。輸出層神經(jīng)元的計(jì)算值反映轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫姘瞬鏄?個(gè)方向的火蔓延速度。獲得參數(shù)值后，就可以利用本模型對(duì)林火蔓延過(guò)程進(jìn)行模擬，初始的火場(chǎng)根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)獲取。

八叉樹是一種用于描述三維空間的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，八叉樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)正方體的體積元素，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有8個(gè)子節(jié)點(diǎn)，將8個(gè)子節(jié)點(diǎn)所表示的體積元素加在一起就等于父節(jié)點(diǎn)的體積。在本研究中把八叉樹視為平面運(yùn)動(dòng)的模型，把第一個(gè)父節(jié)點(diǎn)看成為著火點(diǎn)，同時(shí)向8個(gè)方向蔓延代表了火焰向四面八方蔓延，經(jīng)過(guò)t1時(shí)間蔓延后的子節(jié)點(diǎn)看成火焰的過(guò)火點(diǎn)，之后每個(gè)子節(jié)點(diǎn)同時(shí)重復(fù)父節(jié)點(diǎn)的蔓延方式。

圖2 平面八叉樹8個(gè)方向Figure 2 Eight direction of octree

因此，要想通過(guò)此擴(kuò)散模型算法來(lái)模擬林火蔓延，最重要的是求出8個(gè)方向上的林火蔓延速度。8個(gè)方向是在上坡、下坡、左平坡、右平坡的基礎(chǔ)上在每?jī)蓚€(gè)方向正中間再加一方向，一共8個(gè)方向，這樣每相鄰方向之間的夾角為45°（圖2）。

對(duì)于某一森林小班，在該小班內(nèi)，以著火點(diǎn)O為原點(diǎn)，以正風(fēng)向v1為Y軸，過(guò)著火點(diǎn)O且與其垂直的直線為X軸，在該坡度平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系O-XY。

通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)提取、氣象數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)等獲取6個(gè)輸入因子數(shù)據(jù)、8個(gè)輸出速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，進(jìn)入上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后用這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，自動(dòng)獲取模型的參數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)后向傳遞算法，自動(dòng)地不斷調(diào)整模型參數(shù)，使得計(jì)算值趨近實(shí)際值，從而找到模型的最佳參數(shù)。輸出層神經(jīng)元的計(jì)算值反映轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫姘瞬鏄?個(gè)方向的林火蔓延速度的標(biāo)準(zhǔn)化值v1'，v2'，…v8'，通過(guò)下式可還原成林火蔓延的實(shí)際值。

即可得到v1，v2，…，v8，經(jīng)過(guò)t1時(shí)間蔓延，這8個(gè)方向火點(diǎn)所到達(dá)的子節(jié)點(diǎn)分別設(shè)為P1，P2，… ，P8，從這8個(gè)子節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)重復(fù)上述父節(jié)點(diǎn)的蔓延方式，則得到8×8 = 64個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)這些節(jié)點(diǎn)分別為P11，P12，…，P18，P21，P22，…，P28，…，P81，P82，…，P88，對(duì)應(yīng)這些節(jié)點(diǎn)的林火蔓延速度分別為v11，v12，…，v18，v21，v22，…，v28，…，v81，v82，…，v88。

再?gòu)倪@64個(gè)子節(jié)點(diǎn)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)重復(fù)上述父節(jié)點(diǎn)的蔓延方式，則得到8×8×8 = 512個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)這些節(jié)點(diǎn)分別為P111，P112，…，P118，P121，P122，…，P128，…，P881，P882，…，P888，對(duì)應(yīng)這些節(jié)點(diǎn)的林火蔓延速度分別為v111，v112，…，v118，v121，v122，…，v128，…，v881，v882，…，v888。

如此，經(jīng)過(guò)n次重復(fù)，得到從O點(diǎn)開始的每個(gè)層次的子節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)時(shí)間（t1＋t2＋…＋tn）后，將所得到的相鄰子節(jié)點(diǎn)全部連接起來(lái)，形成一個(gè)封閉的多邊形，由于林火已經(jīng)蔓延過(guò)的區(qū)域也可能存在子節(jié)點(diǎn)，因此，取連接面積最大的封閉多邊形，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可通過(guò)模型獲得的林火蔓延速度計(jì)算得到，因此，將這些多邊形的頂點(diǎn)通過(guò)與起火點(diǎn)O連接，通過(guò)計(jì)算這些三角形的面積，即可獲得從林火發(fā)生，經(jīng)過(guò)時(shí)間（t1＋t2＋…＋tn）后，該場(chǎng)森林火災(zāi)的過(guò)火面積；在經(jīng)過(guò)時(shí)間（t1＋t2＋…＋tn）時(shí)，將前述封閉多邊形相鄰邊的距離累加，即得到火場(chǎng)的周長(zhǎng)。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先估計(jì)火場(chǎng)的范圍、形狀、面積、周長(zhǎng)以及周邊的增長(zhǎng)速度等火場(chǎng)模型因素。

上述模型的實(shí)現(xiàn)，是運(yùn)用C#計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與ArcGIS Engine組件技術(shù)建立軟件平臺(tái)，通過(guò)編程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬和火場(chǎng)模型因素的計(jì)算，能直接用于滅火指揮方案設(shè)計(jì)的實(shí)踐。

3 實(shí)例分析

以黑龍江省黑河市愛(ài)輝區(qū)泉山地營(yíng)子 2003年“5.20”特大森林火災(zāi)為例，以 MODIS產(chǎn)品中MOD14A1/MYD14A1提取出來(lái)的燃燒過(guò)程結(jié)合歷史火災(zāi)記錄為真值，對(duì)上述蔓延模型模擬進(jìn)行實(shí)例分析。

黑河市愛(ài)輝區(qū)泉山地營(yíng)子2003年“5.20”特大森林火災(zāi)基本情況介紹：

2003年5月20日，在黑龍江省黑河市愛(ài)輝區(qū)泉山地營(yíng)子因外來(lái)農(nóng)民野外吸煙引燃荒草后釀成特大森林火災(zāi)，并燒入大興安嶺境內(nèi)，過(guò)火面積128萬(wàn)hm2。5月20日，天氣晴，氣溫在25℃左右，西南風(fēng)5 ~ 6級(jí)。由于風(fēng)大，火借風(fēng)勢(shì)，火頭高達(dá)4 m；21日白天，仍舊持續(xù)大風(fēng)、高溫天氣，山火繼續(xù)向東北方向迅猛發(fā)展，16時(shí)燒入大興安嶺境內(nèi)；22日，火場(chǎng)風(fēng)力變?yōu)? ~ 5級(jí)，比前兩日相對(duì)減弱，火場(chǎng)撲火隊(duì)伍在火場(chǎng)東線和北線開設(shè)了長(zhǎng)30 km、寬80 m以上的防火隔離帶，有效地控制了火勢(shì)的發(fā)展；到23日，火場(chǎng)的明火被全部撲滅。

圖3為從MODIS產(chǎn)品中MOD14A1/MYD14A1提取出來(lái)的燃燒過(guò)程結(jié)合歷史火災(zāi)記錄。

圖3 2003年“5.20”林火蔓延過(guò)程Figure 3 Process of forest fire spread on May 20, 2003

將數(shù)據(jù)輸入利用基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模型，對(duì)所建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練后，模擬出的黑河市愛(ài)輝區(qū)泉山地營(yíng)子2003年“5.20”特大森林火災(zāi)5月20日下午至5月22日下午的林火蔓延過(guò)程如圖4。

圖4 2003年“5.20”特大森林火災(zāi)燃燒過(guò)程模擬圖Figure 4 Simulation of the process of forest fire spread on May 20, 2003

將所建立蔓延模型模擬結(jié)果與MODIS影像提取出來(lái)的森林火災(zāi)蔓延過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 不同時(shí)間段模擬燃燒面積與實(shí)際燃燒面積比較誤差Figure 5 Simulated and real fire area

圖6 八個(gè)方向真實(shí)和模擬的平均蔓延速率曲線擬合Figure 6 Curve fitting of mean simulated and real fire spread rate

由圖5可得，從燃燒面積來(lái)看，模擬燃燒面積的精度范圍在78% ~ 95%，平均精度為86.71%；八個(gè)方向的真實(shí)和模擬的平均蔓延速率如圖6所示，平均蔓延速率范圍為7.2 ~ 25.8 m/min，順風(fēng)方向的蔓延速率最大，平均蔓延速率為25 m/min左右，模擬的平均蔓延速率精度在90%以上；由圖7可得，模擬燃燒周長(zhǎng)精度范圍74% ~ 93%，平均精度為86%左右。

4 結(jié)論

林火蔓延多變復(fù)雜，其受周圍環(huán)境因素影響很大，外界細(xì)微的改變可能都會(huì)引起蔓延速率和方向的改變，本文基于八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的林火蔓延模擬方法進(jìn)行了真實(shí)林火的模擬，結(jié)合 GPS、RS（遙感）、GIS（地理信息系統(tǒng)）等3S技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了林火可視化，解決了計(jì)算模擬林火燃燒面積和速率的精度問(wèn)題。

通過(guò)八叉樹結(jié)構(gòu)表達(dá)對(duì)林火蔓延模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)靶區(qū)林火行為的研究具有一定的指導(dǎo)作用。林火蔓延模擬研究有助于人們了解和預(yù)測(cè)林火的蔓延趨勢(shì)范圍及不同措施對(duì)林火蔓延的影響, 這對(duì)于實(shí)際火場(chǎng)撲救，快速確定著火點(diǎn)位置、預(yù)測(cè)火勢(shì)蔓延趨勢(shì)以及制定火場(chǎng)撲救策略具有一定的參考意義。

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A Simulation Method for Forest Fire Spread Based on Octree Structure

HE Cheng，ZHANG Si-yu*
（Nanjing Forest Police College, Forest Fire Research Center, Nanjing 210023, China）

or:A forest fire spread model was established based on octree structure after analysis of geographic information system, remote sensing and spatial mathematical model techniques.Accuracy analysis of this model was carried out based on real data of forest fire on May 20, 2003 in Heilongjiang province.The results showed that the accuracy of simulated burned area was up to 86.71% and that of burned perimeter was 86%.

forest fire; octree; model for forest fire spread; accuracy

S762.3+2

C

1001-3776（2014）06-0083-06

2014-08-17；

2014-10-21

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目（2013-4-65）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（LGZD201401）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2014M561092）

何誠(chéng)（1985－），男，安徽馬鞍山人，講師，博士，從事森林防火研究；*通訊作者。