基于GIS模型的森林草原火蔓延模擬探析

劉礴霏　宋來(lái)萍　王磊　李昕

摘要采用具有可操作性和較實(shí)用性的Rothermel模型和加拿大FBP系統(tǒng)的火蔓延模型，利用迷宮算法建立了一套基于氣象數(shù)據(jù)、可燃物數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)的單起火點(diǎn)無(wú)阻隔帶的森林草原火蔓延模擬系統(tǒng)，并對(duì)蔓延模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞森林;草原;火災(zāi);模擬

中圖分類號(hào)：S762文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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從燃燒開始到結(jié)束所表現(xiàn)出來(lái)的一種火行為，森林草原火蔓延受氣象因素、可燃物因素及環(huán)境因素等因子影響。隨著GIS技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)外林火蔓延模擬模型，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)用計(jì)算機(jī)從空間尺度上研究森林草原火行為。本文選取陳巴爾虎旗那吉林場(chǎng)517火災(zāi)火場(chǎng)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，通過對(duì)林火蔓延模型、蔓延算法的選擇進(jìn)行了基于GIS的森林草原火蔓延模擬研究。

1研究區(qū)域及森林草原火災(zāi)概況

1.1研究區(qū)域概況

陳巴爾虎旗地處大興安嶺西麓與呼倫貝爾草原的結(jié)合地帶。地理坐標(biāo)為118°22′20″—121°03′08″ E，48°45′21″—50°12′25″ N。屬溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季溫涼短促，春天多大風(fēng)，日照豐富，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，年平均氣溫-5.0～1.5 ℃，年平均降水量300 mm左右，集中于夏秋兩季，年蒸發(fā)量1 678?mm，年平均風(fēng)速2.5 m·s，無(wú)霜期110 d。植物種類為沙生草本和灌木，草本植物有羊草、堿草、雜草等。

1.2森林草原火災(zāi)概況

2017年5月17日，陳巴爾虎旗鄂溫克蘇木那吉林場(chǎng)（120°45′26″E，49°54′08″ N）發(fā)生了森林草原火災(zāi)?；馂?zāi)期間，最高氣溫達(dá)34 ℃，風(fēng)力較大，白天風(fēng)力均為5～6級(jí)，瞬間風(fēng)力高達(dá)8～9級(jí)，火場(chǎng)為森林草原過渡地帶，主要包括喬木林地、疏林地、宜林地及草地，植被為樺樹為主的次生林，可燃物載量較多，地下腐殖質(zhì)層較厚，火場(chǎng)地形復(fù)雜，周邊沼澤地較多，經(jīng)過9 000多名撲火人員3晝夜的全力撲救，至5月20日11時(shí)明火被全部撲滅，經(jīng)核實(shí)過火面積為8 400 hm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及查閱相關(guān)資料，陳巴爾虎旗517那吉林場(chǎng)火災(zāi)為典型的森林草原火災(zāi)，因此本研究具有一定的代表性。

2研究方法及內(nèi)容

2.1森林草原火蔓延模型選擇

由于森林草原火災(zāi)預(yù)防和撲救的時(shí)效性很強(qiáng)，影響火行為的因素很多，各種參數(shù)復(fù)雜多變，各種模型運(yùn)算煩瑣，所以要在短時(shí)間內(nèi)判斷火災(zāi)的蔓延趨勢(shì)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，就必須適時(shí)地選擇合適的林火蔓延模型[1，2]。本文采用具有可操作性和較實(shí)用性的Rothermel模型和加拿大FBP系統(tǒng)的火蔓延模型。

Rothermel林火蔓延模型為：

R=IR×ξ×（1 +Φ+Φ）/ρ×ε×Q

式中：R為火蔓延速度（m·min）;IR為反應(yīng)強(qiáng)度（kJ·min·m）;ξ為傳熱通量比率，量綱為1;Φ為風(fēng)速系數(shù)，量綱為1;Φ為坡度系數(shù)，量綱為1;ρb為可燃物容積密度（kg·m）;ε為有效加熱系數(shù)，量綱為1;Qig為預(yù)引燃熱量（kJ·kg）。

加拿大FBP系統(tǒng)的火蔓延模型為：

R=0.078 8×ISIISI≤20

R=85×[1-e×（ISI-12）] ISI≥20

式中：R為火蔓延速度;ISI是加拿大林火天氣指標(biāo)中的初始蔓延指標(biāo)。

2.2火場(chǎng)研究數(shù)據(jù)采集

氣象數(shù)據(jù)采集主要包括溫度、濕度、風(fēng)向及風(fēng)速等因素。可燃物數(shù)據(jù)包括地類、樹種、可燃物類型等。環(huán)境數(shù)據(jù)包括遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)，火場(chǎng)周長(zhǎng)、面積及起火點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)整理并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3林火蔓延算法

本研究采用迷宮算法，以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以火點(diǎn)為起點(diǎn)，從正東起沿順時(shí)針方向，其八方鄰位可分別表示為E、SE、S、SW、W、NW、N、NE。每一點(diǎn)向外擴(kuò)散有8個(gè)方向的選擇，從正東開始，沿順時(shí)針方向檢測(cè)，每探測(cè)到某一方向，計(jì)算累積時(shí)間∑t[3]。迷宮算法的優(yōu)點(diǎn)為編程較易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度適中;缺點(diǎn)為計(jì)算時(shí)長(zhǎng)無(wú)法掌握，完整模擬火場(chǎng)只有在計(jì)算完成后才能看到。

2.4蔓延模擬精度

蔓延模擬精度采用Kappa系數(shù)和S?rensen系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。Kappa系數(shù)是用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M后的火場(chǎng)與真實(shí)火場(chǎng)的一致性，將真實(shí)火場(chǎng)視為遙感影像分類中的地物類型數(shù)據(jù)，模擬火場(chǎng)視為影像分類結(jié)果，從而建立誤差矩陣。S?rensen系數(shù)，又稱為S?rensen相似性系數(shù)，最初是應(yīng)用在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域用來(lái)比較兩個(gè)樣本的相似性。本研究使用S?rensen相似性系數(shù)來(lái)檢驗(yàn)真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)燃燒區(qū)的相似性指標(biāo)。

Kappa系數(shù)計(jì)算公式為：

K=P-P/-P

式中：P代表真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)一致性的百分比，即觀測(cè)值;P是期望值，即真實(shí)值。

其中：

Po=s/n

P=a×b+a×b/n×n

式中：n代表柵格總象元數(shù);a代表真實(shí)火場(chǎng)中已燃點(diǎn)柵格的象元數(shù);a代表真實(shí)火場(chǎng)中未燃點(diǎn)柵格的像元數(shù);b代表模擬火場(chǎng)中已燃點(diǎn)柵格的像元數(shù);b代表真實(shí)火場(chǎng)中未燃點(diǎn)柵格的像元數(shù);s代表真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)中柵格對(duì)應(yīng)象元值相等的像元數(shù)。

Srensen系數(shù)計(jì)算公式為：

S=2a/2a+b+c

式中：a代表真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)中重疊燃燒區(qū)的柵格數(shù)量;b代表真實(shí)火場(chǎng)中燃燒模擬火場(chǎng)中未燃的柵格數(shù)量;c代表真實(shí)火場(chǎng)中未燃模擬火場(chǎng)中燃燒的柵格數(shù)量。

計(jì)算結(jié)果：0.0～0.20表示和真實(shí)火場(chǎng)模擬一致性很低;0.21～0.40表示和真實(shí)火場(chǎng)模擬一致性一般;0.41～0.60表示和真實(shí)火場(chǎng)模擬一致性中等;0.61～0.80表示和真實(shí)火場(chǎng)模擬一致性高度一致;0.81～1表示和真實(shí)火場(chǎng)模擬一致性幾乎完全一致。

2.5森林草原火蔓延模擬方法

森林草原火蔓延模擬方法主要分為4個(gè)步驟：第一，建立空間背景數(shù)據(jù)庫(kù);第二，把林火蔓延模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)模型;第三，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示;第四，計(jì)算蔓延面積及周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)[4]。本研究選擇C#進(jìn)行編程，將火蔓延模型寫入編程系統(tǒng)，通過運(yùn)算采取單火點(diǎn)無(wú)阻隔帶模式進(jìn)行，將蔓延火行為的結(jié)果以圖形的形式展現(xiàn)出來(lái)，然后對(duì)蔓延模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，完成系統(tǒng)開發(fā)。

3結(jié)果分析

如圖1所示，能夠衡量模型精確程度的Kappa系數(shù)和S?rensen系數(shù)無(wú)論在哪種情況下，變化趨勢(shì)均相似。在無(wú)阻隔帶情況下，Rothermel模型和FBP模型與實(shí)際火場(chǎng)的重合率先升高后下降，可以推斷出當(dāng)林火蔓延至Kappa系數(shù)和S?rensen系數(shù)最高時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了與原火場(chǎng)的最佳重合程度，也就是蔓延到了原火場(chǎng)的邊界，在沒有阻隔帶的理想情況下，林火繼續(xù)自由蔓延出原火場(chǎng)，導(dǎo)致與原火場(chǎng)重合程度下降，進(jìn)一步證明了Rothermel模型和FBP模型在應(yīng)對(duì)真實(shí)火場(chǎng)林火蔓延模擬的能力。

4結(jié)論

本研究以那吉林場(chǎng)森林草原火災(zāi)為例，通過組建森林草原火災(zāi)成災(zāi)、致災(zāi)數(shù)據(jù)資料庫(kù)，對(duì)模型進(jìn)行適用性參數(shù)修正，最終以修正Rothermel模型、加拿大FBP火行為預(yù)報(bào)模型，利用迷宮算法實(shí)現(xiàn)了基于植被、地形、氣象數(shù)據(jù)的林火蔓延模擬，建立了一套雙模型比對(duì)的單起火點(diǎn)無(wú)阻隔帶的森林草原火蔓延模擬系統(tǒng)。模擬結(jié)果表明，修正后的Rothermel模型在對(duì)陳巴爾虎旗那吉林場(chǎng)森林草原火蔓延模擬中效果最好，后續(xù)可以通過對(duì)更多森林草原火災(zāi)數(shù)據(jù)的獲取及蔓延模擬模型參數(shù)的修正，做到對(duì)森林草原火蔓延的精確模擬，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生中精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的蔓延模擬。

參考文獻(xiàn)：

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