大興安嶺呼中林區(qū)林火蔓延三維模擬

柳生吉 (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 研究綜述

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的自然災(zāi)害。林火燒毀森林及地表物，破壞了森林生態(tài)系統(tǒng)，造成生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物因子、生態(tài)因子的混亂，大大降低了森林保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候的作用。森林防火工作事關(guān)森林資源和生態(tài)安全，研究林火蔓延規(guī)律和模擬林火蔓延現(xiàn)象有助于森林防火。

林火燃燒是指森林中的可燃物在一定溫度下快速與氧氣結(jié)合并發(fā)光發(fā)熱的化學(xué)物理反應(yīng)［1］。林火發(fā)生后，會(huì)沿著不同的方向蔓延。林火蔓延是一種林火行為，是森林可燃物從點(diǎn)燃開(kāi)始直至熄滅的整個(gè)過(guò)程中所表現(xiàn)出的特性。林火專(zhuān)家將林火蔓延的影響因子主要?dú)w結(jié)為可燃物、地形和氣象3個(gè)方面［2］。林火蔓延可視化是根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況選取合適的林火蔓延模型，采用高效的計(jì)算機(jī)模擬算法和可視化技術(shù)展現(xiàn)林火發(fā)生發(fā)展的過(guò)程。

目前常見(jiàn)的林火蔓延算法按照對(duì)空間要素的處理方法可分為基于矢量數(shù)據(jù)形式和柵格數(shù)據(jù)形式2類(lèi)算法［3］。前者即為惠更斯原理，后者中較流行的有邊界插值算法、迷宮算法以及自動(dòng)元胞機(jī)算法等。矢量或惠更斯原理的特點(diǎn)是林火蔓延的過(guò)火區(qū)域是一個(gè)隨時(shí)間變化的連續(xù)擴(kuò)展的多邊形。該多邊形的形狀由一系列過(guò)火區(qū)邊緣上的二維頂點(diǎn)決定［4］。為了保證一定的精度要求，隨著多邊形的增大，二維頂點(diǎn)數(shù)會(huì)不斷增加。在林火蔓延的過(guò)程中，每個(gè)頂點(diǎn)被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的火點(diǎn)，其蔓延形狀也被認(rèn)為是橢圓形，蔓延方向由風(fēng)速矢量和坡度矢量疊加決定，蔓延速率則由風(fēng)速、坡向、可燃物等因子通過(guò)計(jì)算林火蔓延速率模型得到。這種算法精度較高，但是計(jì)算效率較低。目前應(yīng)用較多的是模擬精度略低，而計(jì)算效率較高的柵格形式算法，如美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的FARSITE林火管理系統(tǒng)［5－6］。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林火蔓延可視化的研究也集中于柵格形式的算法［7］。劉月文等［8］、陳喆等［9］采用王正非模型，分別實(shí)現(xiàn)了基于二維和三維元胞自動(dòng)機(jī)模型的林火蔓延模擬，而黃華國(guó)等則采用Rothermel模型實(shí)現(xiàn)了基于三維曲面元胞自動(dòng)機(jī)模型的林火蔓延模擬［10］。王海軍等在元胞自動(dòng)機(jī)林火蔓延模型的基礎(chǔ)上提出元胞作用域的概念，綜合了元胞自身屬性和鄰居元胞屬性對(duì)林火蔓延的影響［11］。楊廣斌等在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)(DDDAS)技術(shù)方面開(kāi)展的研究在北京市森林防火系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，它體現(xiàn)了一種基于林火蔓延模型適宜性自動(dòng)選擇的林火蔓延模擬的全新結(jié)構(gòu)體系和技術(shù)框架［12］。DDDAS是一種功能強(qiáng)大的仿真應(yīng)用的全新模式，它將是林火蔓延模擬發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)［13］。

隨著多維可視化技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，林火蔓延三維模擬及森林景觀虛擬有所發(fā)展。虛擬的林火蔓延包括三維環(huán)境林火造型模擬、地形上林火蔓延過(guò)程模擬及林火與其他景觀交互模擬等方面內(nèi)容［14］。雖然這些技術(shù)在模擬林火蔓延時(shí)還存在諸多不足，但代表了現(xiàn)代模擬林火蔓延的發(fā)展方向。三維可視化開(kāi)發(fā)分為基于底層3DAPI開(kāi)發(fā)和基于二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。底層3DAPI如DirectX、OpenScene-Graph等都是免費(fèi)的，開(kāi)發(fā)出的程序也可以脫離其運(yùn)行環(huán)境，就是開(kāi)發(fā)的過(guò)程比較復(fù)雜。Erdas公司的Virtual GIS，ESRI公司的3D Analyst都是較典型的二次開(kāi)發(fā)三維可視化平臺(tái)，它們都脫離不了其運(yùn)行環(huán)境，并且價(jià)格較昂貴。目前常見(jiàn)的林火造型模擬技術(shù)有紋理合成、粒子系統(tǒng)［15］以及基于物理的模擬等3種［16］。粒子系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的三維林火造型技術(shù)，它具有實(shí)時(shí)性好、復(fù)雜度低、真實(shí)感強(qiáng)、適合于大范圍等優(yōu)點(diǎn)。大興安嶺呼中林區(qū)林火發(fā)生頻繁，對(duì)當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)資源造成嚴(yán)重破壞。筆者在遵循林火蔓延規(guī)律的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一款林火蔓延三維模擬軟件，并針對(duì)呼中林區(qū)進(jìn)行初步驗(yàn)證。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2．1 研究區(qū)概況 呼中林區(qū)位于黑龍江省北部，其位置如圖1所示。

圖1 呼中林區(qū)地理位置

呼中區(qū)地理坐標(biāo)為 122°39'30″～124°21'00″E、51°14'40″～52°25'00″N，總面積約741 999 hm2。呼中春秋2 季受蒙古干旱風(fēng)影響，天氣條件變化劇烈，常出現(xiàn)高溫、低濕和大風(fēng)天氣，因而春季和秋季是林火的高發(fā)期。呼中地貌屬石質(zhì)中低山地，坡度平緩，一般小于15°。呼中植被在植物區(qū)系上屬泛北極植物區(qū)東西伯利亞植物區(qū)系，以西伯利亞植物區(qū)系成分為主，混有東北植物區(qū)系和蒙古植物區(qū)系成分。地帶性植被類(lèi)型為寒溫性針葉林，以興安落葉松(Larix gmelinii)為單優(yōu)勢(shì)種。包括5種植被類(lèi)型:以興安落葉松為主或混生有樟子松(Pinus sylvestris var．mongolica)、白樺(Betula ptyphylla)的興安落葉松林;樟子松林或伴生興安落葉松、白樺、山楊(Populus davidiana)的樟子松林;伴生興安落葉松和白樺的紅皮云杉(Picea koratensis)林;沿河甜楊林和沿河鉆天柳(Chosenia arbutifolia)林;白樺林和山楊林。另外，在海拔高于800 m的地方分布有可燃性很好的林下灌木偃松。

2．2 數(shù)據(jù)來(lái)源 該研究中用到的DEM是SRTM的分辨率為30 m的數(shù)據(jù)，林區(qū)地形可視化選擇Landsat5的TM影像作紋理?？扇嘉锓诸?lèi)數(shù)據(jù)利用呼中林區(qū)2000年林相圖獲取。林火發(fā)生當(dāng)日的氣象數(shù)據(jù)從相關(guān)部門(mén)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得。

2．3 研究方法

2．3．1 林區(qū)地形三維可視化。OSG中三維場(chǎng)景組織是通過(guò)場(chǎng)景樹(shù)方式實(shí)現(xiàn)［17］，場(chǎng)景樹(shù)的基本單位是節(jié)點(diǎn)，只有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)(Root)，根節(jié)點(diǎn)下面包括組節(jié)點(diǎn)(Group)和葉節(jié)點(diǎn)(Node)。葉節(jié)點(diǎn)中管理一個(gè)或者多個(gè)可繪制對(duì)象(OSG固有的和用戶(hù)自定義的)的信息，并可以通過(guò)其接口函數(shù)對(duì)可繪制體的信息進(jìn)行查詢(xún)［18］。該研究利用海量地形數(shù)據(jù)處理工具VPB(Virtual PlanetBuilder)對(duì)獲取整個(gè)呼中林區(qū)的高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)格式化處理，將轉(zhuǎn)換后的地形數(shù)據(jù)作為OSG所組織的三維場(chǎng)景的一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維顯示。3DVFS中的OSG場(chǎng)景樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．3．2 林區(qū)坡度分類(lèi)。利用ArcGIS軟件Spatial Analysis模塊的Slope工具處理DEM數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)用于林火蔓延的坡度數(shù)據(jù)。

圖23DVFS中的OSG場(chǎng)景樹(shù)結(jié)構(gòu)

2．3．3 林區(qū)可燃物分類(lèi)。根據(jù)吳志偉等的研究［19］，應(yīng)用ArcGIS將呼中林區(qū)的可燃物主要?jiǎng)澐譃橐韵?類(lèi):偃松灌叢;以白樺和楊樹(shù)為主的闊葉林;分布在陰坡，以杜香和越橘為主要林下灌木的針葉林;分布在陽(yáng)坡，以興安杜鵑為主要林下灌木的針葉林。在BehavePlus［20］軟件中輸入?yún)侵緜サ鹊难芯拷Y(jié)果中的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出不同可燃物模型的地表火蔓延速率作為3DVFS的林火蔓延初始化速率。

2．3．4 3DVFS 設(shè)計(jì)

2．3．4．1 林火蔓延模型。Rothermel林火蔓延模型以能量守恒定律等物理學(xué)理論為基礎(chǔ)，以林火實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的模型［21－22］，適用范圍較為廣泛，但是該模型需要的輸入森林可燃物相關(guān)的參數(shù)較多。Rothermel模型的林火蔓延公式如下:

式中，R是蔓延速度(m/min);IR是反應(yīng)強(qiáng)度(kJ/min·m2);ζ是林火蔓延率;φW是風(fēng)速修正系數(shù);φS是坡度修正系數(shù);ρb這是可燃物體積密度(kg/m3);ε為有效熱參數(shù)(無(wú)因次量);Qt指點(diǎn)燃單位質(zhì)量可燃物所需要的熱量(kJ/kg)。

呼中林區(qū)是大興安嶺地區(qū)林火發(fā)生比較多的地方高發(fā)區(qū)，近些年來(lái)大量林火研究者皆在呼中展開(kāi)研究，積累了大量關(guān)于該林區(qū)可燃物方面的珍貴資料。這些資料可以引用到美國(guó)Rothermel模型中做林火蔓延模擬相關(guān)的研究［23］。因此，該研究選擇Rothermel模型做為林火蔓延模型。

2．3．4．2 林火蔓延算法。該研究應(yīng)用的算法是Mark A．Finney介紹的一種方法:minimum travel time(最短傳播時(shí)間算法)［24］。最短傳播時(shí)間算法是在一個(gè)與地形、可燃物等具有相同空間位置、相同空間分辨率的二維矩形柵格中進(jìn)行計(jì)算。最短傳播時(shí)間指的是從火源柵格單元點(diǎn)直線(xiàn)傳播到與它相鄰的柵格單元點(diǎn)所需要的最短時(shí)間。

圖3 計(jì)算距著火點(diǎn)dY和dX處林火傳播最短時(shí)間示意

如圖3所示，對(duì)于最短傳播時(shí)間算法，林火行為特征根據(jù)主林火傳播方向、最大傳播速度和強(qiáng)度，以及橢圓形的火形狀尺寸等計(jì)算得到。火形狀參數(shù)和最大傳播速度決定了一場(chǎng)平行于地面的橢圓形狀的林火在笛卡爾坐標(biāo)系下的傳播速度［25－26］:

式中，θ是指定柵格點(diǎn)和橢圓中心的連線(xiàn)與最大傳播速度方向的夾角，θ∈［－π，π］;b+c是向前最大傳播速度(θ=0);a是火翼傳播速度，著火點(diǎn)不一定是在上述橢圓的后交點(diǎn)處。當(dāng)橫切線(xiàn)段(dX，dY)距離給定之后，就可以用公式(2)、(3)計(jì)算出θ值:

式中，α是最大傳播速度的方向;β是橫切線(xiàn)段與最大傳播速度方向的夾角。根據(jù)以上公式，推算出任意方向上垂直于火線(xiàn)邊緣的火傳播速度計(jì)算公式如下:

上面提到計(jì)算方法是基于二維柵格，而林火蔓延橢圓計(jì)算是平行于地表面的。因此，當(dāng)?shù)匦尉哂衅露葧r(shí)，必須用橫切線(xiàn)段長(zhǎng)度除以其移動(dòng)方向坡度的余弦值來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的林火傳播時(shí)間。

林火蔓延計(jì)算FireEngine模塊由4個(gè)自定義類(lèi)構(gòu)成:FireCell、ParameterSet、FireStart以及 FireSpread。FireCell類(lèi)派生自Icomparable接口，其主要屬性有行列號(hào)、林火到該柵格的最小傳播時(shí)間，主要方法有SetValue和CompareTo，分別提供柵格單元屬性的賦值功能和與其他柵格相互比較最短傳播時(shí)間的功能。ParameterSet提供在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，存儲(chǔ)模擬參數(shù)的功能，它包含了所有的模擬參數(shù)。FireStart類(lèi)主要包含 CreateWorkSpace、InitilizeFireMap、Readfuelmap、Read-SlopeMap、SetParamSpace等方法，分別提供創(chuàng)建工作空間、給模擬所需數(shù)組變量分配內(nèi)存、初始化林火蔓延狀態(tài)柵格圖、從坡度文件、可燃物文件讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，將保存在電腦的模擬參數(shù)列表文件中的參數(shù)值賦給ParameterSet。FireSpread類(lèi)是該模塊的核心算法部分。該研究中用來(lái)計(jì)算林火傳播的柵格有3種狀態(tài):未燃燒、點(diǎn)燃、熄滅，分別用數(shù)字0、1、2表示。隨著時(shí)間的增加，林火傳播柵格的狀態(tài)將按照最短傳播時(shí)間算法的規(guī)則不斷轉(zhuǎn)換。如圖4所示，該研究中最短傳播時(shí)間算法的基本步驟分為:

(1)將所有的柵格單元的最短到達(dá)時(shí)間賦值為∞。

(2)初始化起火點(diǎn)并計(jì)算林火傳播到緊鄰起火點(diǎn)的8個(gè)柵格單元所需要的時(shí)間Ti。

(3)找出所用傳播時(shí)間最短的柵格單元，將其狀態(tài)修改為“燃燒”。

(4)計(jì)算林火從起火點(diǎn)傳播到新引燃柵格單元再傳播到與新引燃點(diǎn)緊鄰的8個(gè)柵格單元(處于點(diǎn)燃或熄滅狀態(tài)的除外)所需的累積時(shí)間Ti。

(5)將步驟(2)算得的時(shí)間和步驟(4)算得的時(shí)間進(jìn)行比較，找出傳播用時(shí)最短的柵格單元，將其狀態(tài)賦為“燃燒”，而將步驟(3)中的柵格單元的狀態(tài)賦為“熄滅”。

(6)從步驟(4)開(kāi)始不斷地重復(fù)計(jì)算，直至該過(guò)程滿(mǎn)足模擬控制條件，運(yùn)算結(jié)束。

該研究將模擬過(guò)程中不同時(shí)間段產(chǎn)生的林火蔓延狀態(tài)柵格存儲(chǔ)到NetCDF(Network Common Data Form)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式文件中。

2．3．4．3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。基于3DVFS系統(tǒng)所預(yù)期的運(yùn)行操作系統(tǒng)以及具體的可視化編程方面的要求，該研究選擇微軟推出的功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010作為編程工具，選擇開(kāi)源的、跨平臺(tái)的OSG(OpenSceneGraph)作為三維渲染平臺(tái)，從底層構(gòu)建該模擬系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3．1 3DVFS功能實(shí)現(xiàn) 3DVFS功能設(shè)計(jì)采用C#編程實(shí)現(xiàn)，界面主要?jiǎng)澐譃椴藛魏凸ぞ邫诓僮鲄^(qū)、模擬參數(shù)輸入和模擬結(jié)果輸出區(qū)、三維場(chǎng)景可視化顯示區(qū)3部分。菜單和工具欄操作區(qū)提供一些用戶(hù)常用的三維視圖操作命令，如三維可視化模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，三維場(chǎng)景蔓延控制、場(chǎng)景漫游速度設(shè)置以及退出系統(tǒng)等。模擬參數(shù)輸入和模擬結(jié)果輸出區(qū)根據(jù)模型具體的運(yùn)行需求，提供林火模擬輸入?yún)?shù)設(shè)置、啟動(dòng)停止模擬功能以及模擬結(jié)束后相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的輸出。三維場(chǎng)景可視化顯示區(qū)是一個(gè)展示林火蔓延的動(dòng)態(tài)過(guò)程的視口，它是一個(gè)自定義的封裝OSG相關(guān)功能的控件。3DVFS系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 3DVFS界面

圖6 林火蔓延模擬各時(shí)間段火場(chǎng)邊界變化

3．2 呼中林區(qū)林火模擬 該研究選擇2010年6月10日發(fā)生在呼中國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的一場(chǎng)林火進(jìn)行模擬。這場(chǎng)火的起火點(diǎn)位置坐標(biāo)為x=493 951 m，y=574 839 0 m，實(shí)測(cè)過(guò)火面積約為580．14 hm2。模擬過(guò)程中，設(shè)置風(fēng)向?yàn)?5°方向(西南)，風(fēng)速為12．5m/s，模擬總步長(zhǎng)為106步，并加載可燃物類(lèi)型及坡度等其他參數(shù)。模擬過(guò)程中各個(gè)時(shí)間階段火場(chǎng)邊界變化如圖6所示。模擬所得的火場(chǎng)形狀近似為橢圓，火場(chǎng)邊緣呈現(xiàn)鋸齒形狀，標(biāo)示為黃色的柵格單元是著火點(diǎn)，粒子系統(tǒng)火焰表示正在燃燒的柵格單元，標(biāo)示為黑色的柵格單元是熄滅點(diǎn)。

模擬結(jié)束后，對(duì)模擬火場(chǎng)面積精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。該研究選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)為周宇飛等的計(jì)算方法［27］:

式中，SD是模擬和實(shí)測(cè)過(guò)火面積不重疊的面積，SR是實(shí)測(cè)過(guò)火面積，是相對(duì)誤差。將本實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)過(guò)火面積和模擬過(guò)火面積疊合(圖7)，經(jīng)計(jì)算ε為40．46%，二者疊合程度為中等。

圖7 實(shí)測(cè)面積和模擬面積的疊合效果

4 結(jié)論與討論

(1林火燃燒是一個(gè)及其復(fù)雜的現(xiàn)象，使得林火蔓延模擬十分困難。林火蔓延模型是對(duì)林火蔓延現(xiàn)象的數(shù)學(xué)或物理上的近似，模型的簡(jiǎn)化效果使得要非常精確的預(yù)測(cè)林火行為基本上不可能。該研究只是初步完成了一個(gè)林火蔓延模擬軟件的開(kāi)發(fā)，對(duì)于該軟件的模擬結(jié)果，只是比較了實(shí)測(cè)過(guò)火面積和模擬過(guò)火面積的疊合程度，暫時(shí)無(wú)法對(duì)其預(yù)測(cè)精度進(jìn)行十分準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。

(2)在考慮地形坡度對(duì)林火蔓延的影響時(shí)，為了提高運(yùn)算效率，研究中簡(jiǎn)化了一些幾何方面的計(jì)算，勢(shì)必會(huì)對(duì)模擬結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。但是，目前還沒(méi)有找到更為有效的解決方法。

(3)該研究中可燃物類(lèi)型是參考一些研究人員在實(shí)驗(yàn)林區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果來(lái)粗略劃分的。實(shí)際上可燃物的狀況又是隨時(shí)間發(fā)生變化的，這里采用的是一種對(duì)可燃物狀況相對(duì)靜態(tài)的描述。所以，可燃物類(lèi)型劃分對(duì)林火蔓延模擬結(jié)果影響的不確定性是比較大的，今后要探索更為精確的可燃物類(lèi)型劃分方法。

(4)對(duì)于該研究開(kāi)發(fā)的3DVFS系統(tǒng)，在整個(gè)一場(chǎng)林火蔓延模擬的過(guò)程中，假設(shè)風(fēng)速以及風(fēng)向是不發(fā)生變化的，但實(shí)際中風(fēng)速和風(fēng)向是因時(shí)因地發(fā)生變化的，這是將來(lái)需要改進(jìn)的地方。當(dāng)然，目前在采集實(shí)時(shí)變化的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)方面也存在一些問(wèn)題，需要在今后的研究中加以重視。

(5)該研究采用了OpenSceneGraph的粒子系統(tǒng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)火焰的模擬［28］。在一個(gè)比較大的尺度上模擬林火蔓延時(shí)采用粒子系統(tǒng)將會(huì)面臨模擬計(jì)算用時(shí)過(guò)長(zhǎng)對(duì)粒子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)更新的影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，該研究采用將不同模擬時(shí)段林火蔓延的狀態(tài)存儲(chǔ)在自定義的NetCDF文件中，等模擬計(jì)算結(jié)束之后再?gòu)腘etCDF讀入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中用于動(dòng)態(tài)顯示，取得了較好的效果。

(6)目前比較常見(jiàn)的林火蔓延模擬很多是基于OpenGL或者像ArcGIS等一些平臺(tái)，而該研究采用的是OpenScene-Graph三維渲染引擎。實(shí)踐證明，采用OpenSceneGraph開(kāi)發(fā)具有很大的優(yōu)勢(shì)，相比OpenGL開(kāi)發(fā)復(fù)雜度明顯減小，工作量減少。該研究后期的目標(biāo)是完成3DVFS的模擬精度驗(yàn)證以及將SpeedTree樹(shù)木建模軟件［29］和OpenSceneGraph相結(jié)合，進(jìn)而完成呼中林區(qū)整個(gè)森林景觀的虛擬可視化，為林區(qū)森林資源管理提供服務(wù)。

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