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一種能夠批處理的林火行為空間模擬系統(tǒng)

2014-01-02 08:34:48吳秀平于宏洲王曉紅
關(guān)鍵詞:批處理林火火場(chǎng)

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(guó)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(guó)家林業(yè)局 人才交流中心,北京 100714)

針對(duì)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(wú)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(guó)際上最常用的美國(guó)Rothermel模型和加拿大FBP蔓延模型,提供了美國(guó)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(jì)。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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)森林火災(zāi)損失、評(píng)估森林火災(zāi)對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)可燃物火行為和燃燒性的評(píng)價(jià)中,因無(wú)法進(jìn)行大量點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn),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(duì)景觀格局和過程的影響時(shí),往往需要對(duì)多個(gè)火點(diǎn)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(yùn)行1次,給出1個(gè)結(jié)果,如果要完成上述任務(wù),需要手動(dòng)反復(fù)輸入和運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)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(dòng)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(duì)更好開展火行為研究,搞清林火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響等提供一個(gè)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(gè)方面。

1 林火行為模擬

林火行為模擬包括林火行為預(yù)測(cè)模型的選擇和空間蔓延算法選擇兩個(gè)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(jì)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(cè)模型[6],澳大利亞草地火模型等。我國(guó)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(shí)驗(yàn)?zāi)P蚚8-10]等。作為一個(gè)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(cè)準(zhǔn)確性較好。加拿大模型基于多種可燃物的數(shù)百次點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn),是具有較好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)模型。澳大利亞模型主要針對(duì)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(guó)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)少,無(wú)法科學(xué)確定參數(shù)。金森等模型過于針對(duì)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(chǎng)邊界。以起火點(diǎn)為中心,按順時(shí)針方向計(jì)算從正東開始每隔45度的8個(gè)方向的林火蔓延。數(shù)據(jù)形式為柵格數(shù)據(jù)。只計(jì)算所選8個(gè)方向上的柵格,其余柵格不考慮。當(dāng)某一個(gè)方向林火蔓延時(shí)間超過給定蔓延時(shí)間時(shí),停止計(jì)算,保存該方向的柵格行號(hào)和列號(hào)。所有計(jì)算結(jié)束后,將得到的行列號(hào)加載到地形圖上,就得到模擬的火場(chǎng)蔓延情況。然后根據(jù)所有最后節(jié)點(diǎn)的插值閉合運(yùn)算,形成火場(chǎng)邊界。

該算法從時(shí)空兩個(gè)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(shí)間的延續(xù)。林火蔓延的途徑是最快到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑,而不是距離上最短的路徑。具體算法是:建立一個(gè)燃燒點(diǎn)堆棧,對(duì)堆棧中的每個(gè)火點(diǎn),在與該點(diǎn)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(shí)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(shí)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(gè)柵格包含地形、可燃物等信息。以著火點(diǎn)為起點(diǎn),其八方鄰位表示為:E、SE、S、SW、W、NW、N、NE。從E方向順時(shí)針開始進(jìn)行探測(cè),每到一方向時(shí),計(jì)算到達(dá)該方向的累積時(shí)間Σt,如果小于擴(kuò)展蔓延時(shí)間且該方位沒有探測(cè)或累積時(shí)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(shí)間設(shè)為Σt。如果某個(gè)方位四周的累積時(shí)間均超過T,則退回一步探測(cè)下一個(gè)方位。當(dāng)火點(diǎn)周圍的8個(gè)方位全部進(jìn)行上述探測(cè)后,蔓延檢測(cè)過程結(jié)束。但堆棧中存放的累積時(shí)間Σt都小于給定蔓延時(shí)間時(shí),堆棧中點(diǎn)集數(shù)據(jù)是火場(chǎng)像元集合。

在以上3個(gè)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(diǎn)像素的8個(gè)方位上的蔓延過程,沒有考慮其他方向上的蔓延,簡(jiǎn)化了模擬的復(fù)雜性。但該方法不能實(shí)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(shí)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(jì)算量大,通過一定技術(shù)技巧可提高計(jì)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(shí)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(duì)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(chǔ)。

2.2 可燃物數(shù)據(jù)

不同的林火行為預(yù)測(cè)模型需要的可燃物數(shù)據(jù)不同。本系統(tǒng)采用美國(guó)和加拿大兩個(gè)預(yù)測(cè)模型,所以需要兩個(gè)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(cè)模型計(jì)算。

2.2.1 美國(guó)系統(tǒng)的可燃物信息

美國(guó)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(guó)系統(tǒng)的要求進(jìn)行可燃物類型劃分,本系統(tǒng)按20個(gè)可燃物模型劃分,同時(shí)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(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)將可燃物類型劃分為5個(gè)類型組16個(gè)類型。針葉林類型組7個(gè)可燃物類型,闊葉林類型組1個(gè),混交林類型組4個(gè),采伐跡地類型組3個(gè),林中空地類型組1個(gè)。每個(gè)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(jì)估計(jì)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(shí)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(zhǎng)、輸入環(huán)境變量(氣象參數(shù))的范圍、步長(zhǎng),火災(zāi)從數(shù)據(jù)文件中讀取多個(gè)起火點(diǎn)、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(jì),需要用戶輸入實(shí)際火場(chǎng)的指標(biāo),如火場(chǎng)面積或周長(zhǎng),計(jì)算模擬火場(chǎng)與實(shí)際火場(chǎng)相應(yīng)指標(biāo)的約束目標(biāo)函數(shù)值,對(duì)結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià),確定最優(yōu)結(jié)果。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要在輸出結(jié)果中進(jìn)行火場(chǎng)相關(guān)統(tǒng)計(jì)。主要采用Kappa系數(shù)和S?rensen指標(biāo)。其中Kappa系數(shù)用來檢驗(yàn)?zāi)M后的火場(chǎng)與真實(shí)火場(chǎng)的一致性。其計(jì)算公式為其中:po代表實(shí)際火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)的一致性比例,pc是真實(shí)值。N為象元總數(shù);a1為實(shí)際火場(chǎng)中已燃象元數(shù);a0代表實(shí)際火場(chǎng)中未燃像元數(shù);b1為模擬火場(chǎng)中已燃像元數(shù);b0代表實(shí)際火場(chǎng)中未燃像元數(shù);s為真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)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(shí)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(yàn)真實(shí)火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)燃燒區(qū)的相似性指火場(chǎng)和模擬火場(chǎng)中重疊燃燒區(qū)的像元數(shù);b,實(shí)際火場(chǎng)中燃燒模擬火場(chǎng)中未燃像元數(shù);c,實(shí)際火場(chǎng)中未燃模擬火場(chǎng)中燃燒的像元數(shù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)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(duì)可燃物林火行為模擬精度的影響,根據(jù)林火行為來估計(jì)最適可燃物參數(shù),分析林火對(duì)景觀格局的影響,研究林火歷史格局等。下面給出一個(gè)利用本系統(tǒng)研究不同可燃物參數(shù)對(duì)林火行為模擬精度的影響研究實(shí)例。

4.1 研究區(qū)概況

選擇黑龍江省2006年4.30大火,火場(chǎng)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(guó)的重點(diǎn)火險(xiǎn)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(chǎng)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(shí)段多,火險(xiǎn)等級(jí)偏高。4月30日13時(shí)40分,罕諾河管護(hù)區(qū)內(nèi)因野外吸煙引發(fā)草甸森林火災(zāi),火場(chǎng)風(fēng)力在白天達(dá)到了5級(jí)以上,夜間也高達(dá)4級(jí),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?chǎng)的可燃物為草甸、灌叢和森林。

4.3 模擬實(shí)驗(yàn)研究

收集研究地區(qū)的數(shù)字高程模型和火場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)??扇嘉镱愋陀肨M遙感圖像分別按美國(guó)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(cè)模型模擬。用美國(guó)系統(tǒng)模型模擬時(shí)采用最小誤差法來進(jìn)行可燃物參數(shù)的估計(jì)。可燃物模型參數(shù)的組合是:草類可燃物載量為0.1~1.0 kg/m2,步長(zhǎng)0.1 kg/m2;床層深度為0.3~1.3 m,步長(zhǎng)0.1 m。森林類的可燃物載量為0.1~0.5 kg/m2,步長(zhǎng)0.1 kg/m2;可燃物床層深度為0.1~0.5 m,步長(zhǎng)0.1 m。灌叢類的可燃物載量為0.2~0.6 kg/m2,步長(zhǎng)0.1 kg/m2;可燃物床層深度為0.7~1.2 m,步長(zhǎng)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(gè)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(duì)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(guó)系統(tǒng)模型時(shí)草本可燃物不同參數(shù)組合時(shí)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(chǎng)與真實(shí)火場(chǎng)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(shí)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(shí)模擬火場(chǎng)與實(shí)際火場(chǎng)的比較和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從中可見,F(xiàn)BP模型的模擬效果不如美國(guó)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(shí)火場(chǎng)對(duì)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(píng)價(jià)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(shì)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(jì)。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(duì)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(guó)Rothermel模型和加拿大火行為預(yù)報(bào)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(shì)。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(duì)林火蔓延影響等功能,但其仍具有很高的應(yīng)用價(jià)值。今后將加強(qiáng)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(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(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]

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