基于元胞自動機的高原林火蔓延三維可視化模擬

張全文, 楊永崇, 王 濤, 馬 健

(西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710054)

2018年,中國發(fā)生森林火災(zāi)約2 478起,造成40余人傷亡,約16 309公頃森林受損[1]。森林火災(zāi)指森林發(fā)生不受控制的燃燒,具有蔓延速度快、補救難度大等特點[2-5]。森林火災(zāi)發(fā)生后,火勢會沿著各個方向蔓延。林火蔓延是一種火行為,是由林火開始燃燒到逐漸熄滅這一過程所表現(xiàn)出來的特性,林火研究人員將地貌條件、可燃物和氣象作為林火蔓延的主要影響因素。唐勇等[5]揭示并分析了外界環(huán)境影響因子如溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等與林火蔓延模型之間的關(guān)系,在林火蔓延模型可視化方面進行了改進,增加林火蔓延細節(jié),對科學(xué)開展林火撲滅活動具有重要指導(dǎo)作用。

Papadopoulos等[6]將林火蔓延模擬模型與實際林火情況相結(jié)合,建立了林火管理與林火蔓延模擬系統(tǒng)；唐曉燕等[7]將柵格數(shù)據(jù)與王正非模型相結(jié)合,利用迷宮算法實現(xiàn)了林火蔓延動態(tài)模擬；元胞自動機(cellular automata, CA)是一種與地理信息系統(tǒng)相兼容且建模方法具有簡單易行性[8-9],常被用于重現(xiàn)自然現(xiàn)象的演變,如生態(tài)建模,城市增長和流行病傳播,森林火災(zāi)蔓延,利用元胞自動機開展森林火災(zāi)林火蔓延模擬成為森林火災(zāi)防控領(lǐng)域的研究熱點。Yassemi等[10]將地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)與元胞自動機模型相結(jié)合來描述森林火災(zāi)行為；張菲菲[11]結(jié)合元胞自動機原理,對王正非與毛賢敏林火蔓延模型進行改進,并在GIS平臺上對模擬情景進行展示；Arail等[12]基于GIS和元胞自動機原理,提出一種元搜索引擎,并在GIS平臺上驗證了該方法的有效性。開展林火蔓延三維可視化模擬能夠直觀展示火情蔓延趨勢,為滅火方案的設(shè)計提供參考[13-14]。

前人雖然在林火蔓延模擬方面取得了很大的進展,但僅是將GIS數(shù)據(jù)管理和二維可視化方面進行展示,模擬效果不夠逼真。基于此,將GIS三維可視化和元胞自動機原理相結(jié)合,選用中國較流行的王正非與毛賢敏組合模型,對云南省安寧市溫泉鎮(zhèn)“3·29”火災(zāi)進行模擬研究,能夠?qū)崟r模擬林火的動態(tài)蔓延變化,為科學(xué)撲火救火提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

溫泉鎮(zhèn)位于云南省安寧市北部8 km處,地理坐標為138°12′49.9″E、26°49′47.1″N。地形地貌復(fù)雜,年平均氣溫約為13.6 ℃,最高氣溫約為28 ℃。植被類型極為豐富,主要以熱帶的橡膠樹、溫帶的松樹以及亞熱帶的竹林等為主。2010年出現(xiàn)特大干旱災(zāi)情,年均降水量約350 mm。該地火災(zāi)頻繁發(fā)生,2014年云南省西山區(qū)“4·16”重大森林火災(zāi),2016年昆明嵩明“3·17”重大森林火災(zāi)。以2006年安寧“3·29”重大森林火災(zāi)數(shù)據(jù)為研究對象。安寧“3·29”火災(zāi)發(fā)生于2006年3月29日下午5時左右,中心火點位于安寧市溫泉鎮(zhèn),過火面積約為13.3 km2,周邊15個村莊和2 000余名群眾的安全受到威脅。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)溫泉鎮(zhèn)地區(qū)的30 m分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)、火災(zāi)發(fā)生地的氣象資料包括火災(zāi)發(fā)生日的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和相對濕度等(數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) )以及“3·29”火災(zāi)蔓延范圍(通過對2006年3月29日23:00 Landsat影像勾繪獲取)等作為模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)具有多種格式,需要轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和空間參考系,利用轉(zhuǎn)換函數(shù)將氣象數(shù)據(jù)中的風(fēng)向、風(fēng)速和濕度等參數(shù)進行轉(zhuǎn)換,使其達到林火蔓延模擬的數(shù)據(jù)條件。

2.2 元胞狀態(tài)

林火蔓延過程中,元胞在t時刻的狀態(tài)定義為[15]

(1)

2.3 元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則

(2)

(3)

其余7個元胞按照以上方法進行計算,則Δt時間后的轉(zhuǎn)換函數(shù)變?yōu)?/p>

(4)

圖1 鄰域元胞的火蔓延Fig.1 Fire spread of neighboring cells

2.4 王正非與毛賢敏組合模型

林火蔓延模型大致分為:①經(jīng)驗?zāi)Ｐ?如美國的羅森梅爾模型、蘇聯(lián)的謝斯柯夫模型和中國的王正非模型；②物理模型,如范一舟等[17]將燃燒床理想化,利用系數(shù)修正方法最早提出物理模型,將可燃物設(shè)定一個閾值,當(dāng)可燃物溫度達到閾值時即著火,因此,該模型模擬結(jié)果與實際林火情況具有較大的差距,且存在物理參數(shù)較多,參數(shù)不確定等情況；③經(jīng)驗?zāi)Ｐ?如美國的Rothermel模型,主要是從能量守恒的角度出發(fā)推導(dǎo)出的方程,該模型參數(shù)一般是通過室內(nèi)燃燒床進行多次實驗獲取。在中國應(yīng)用最廣泛的是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?是由統(tǒng)計數(shù)據(jù)推導(dǎo)而成,實用性強。在遵守適宜性和可行性原則基礎(chǔ)上,根據(jù)云南省植被類型分布特點和地形起伏情況,選用王正非與毛賢敏組合模型進行地表火模擬研究,其表達式為[18]

R=R0KSKWKφ

(5)

式(5)中：R0為可燃物在無風(fēng)情況下的初始蔓延速度；KS為可燃物的易燃程度及配置格局更正系數(shù)；KW為風(fēng)更正系數(shù)；Kφ為坡度角；KW=e0.178 8Vcosθ,表示風(fēng)更正系數(shù)(KW)與蔓延速度(V)之間的關(guān)系。在林火蔓延過程中,鄰域元胞會受到風(fēng)作用的影響[19],推導(dǎo)求出中心燃燒元胞(i,j)在8鄰域元胞方向的分速度,如圖2所示。

圖2 風(fēng)的投影Fig.2 Wind projection

假定風(fēng)方向沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)到OH,且旋轉(zhuǎn)角度為θ,那么中心元胞在OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG方向的風(fēng)作用系數(shù)分別為e0.178 3Vcos(θ-45°)、e0.178 3Vcos(θ-90°)、e0.178 3Vcos(θ-135°)、e0.178 3Vcos(θ-180°)、e0.178 3Vcos(225°-θ)、e0.178 3Vcos(θ+90°)、e0.178 3Vcos(315°-θ)。由此得到中心燃燒元胞在周圍8鄰域方向的分速度如下。

OA方向速度分量為

(6)

OB方向速度分量為

(7)

OC方向速度分量為

(8)

OD方向速度分量為

(9)

OE方向速度分量為

(10)

OF方向速度分量為

(11)

OG方向速度分量為

(12)

OH方向速度分量為

(13)

2.5 精度評價方法

氣象、地形和可燃物特性等影響因素共同決定了林火蔓延擴散,數(shù)據(jù)具有多樣性,為了更加準確地模擬林火蔓延態(tài)勢,需要利用不同林火蔓延模型進行模擬對比,并進行空間精度評價,目前主要有比較蔓延速率、周長、火場面積等指標來評價火行為模擬精度[20-22],由于缺少林火蔓延速率的詳細數(shù)據(jù),僅在火場面積方面進行比較。選用周宇飛等[23]提出的精度評價指標,其表達式為

(14)

式(14)中：SP為該系統(tǒng)模擬面積與實際過火面積不重合區(qū)域的面積；SR為實際過火面積。ε為系統(tǒng)模擬面積與實際過火面積不重合區(qū)域的面積與實際過火面積的比率。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬蔓延過程動態(tài)可視化

以元胞自動機和GIS 三維可視化原理為基礎(chǔ),對云南省溫泉鎮(zhèn)“3·29”重大火災(zāi)進行模擬研究,火災(zāi)發(fā)生地位于云南省溫泉鎮(zhèn)北部古朗箐林區(qū),林火蔓延期間白天平均風(fēng)速1.7 m/s,最高風(fēng)速平均為4.9 m/s。設(shè)置模擬蔓延總時長6 h和時間步長1 min,加載可燃物載量、坡度坡向等其他參數(shù)信息。結(jié)合元胞自動機和GIS三維可視化,輸入各種參數(shù)后,隨著蔓延區(qū)域的不斷擴大,圖3描述了著火后林火蔓延在三維地形中的動態(tài)模擬。當(dāng)林火蔓延結(jié)束后,系統(tǒng)停止渲染,計算蔓延面積為20.59 km2,蔓延周長為3.82 km。

圖3 林火蔓延模擬過程Fig.3 Simulation process of forest fire spread

3.2 精度驗證

模擬林火燃燒6 h后的著火情況,林火蔓延結(jié)束后,對模擬結(jié)果進行精度評價,將研究區(qū)實際過火面積與模擬過火面積進行疊加,如圖4所示。從圖4可以看出,模擬出的林火燃燒范圍大部分都在實際燃燒范圍之內(nèi),運用式(14)求得二者重合度為81.2%,模擬結(jié)果符合要求,但模擬范圍的南部已經(jīng)超出了實際林火范圍,是因為沒有實時獲取氣象數(shù)據(jù),而在模擬過程中僅考慮風(fēng)向為西南方向所導(dǎo)致,將來可以結(jié)合氣象傳感器技術(shù)來加以改善。

圖4 實測面積與模擬結(jié)果疊合效果Fig.4 Superposition effect of measured area and simulation result

4 結(jié)論

利用元胞自動機原理和GIS 三維可視化并結(jié)合王正非與毛賢敏組合模型對林火蔓延進行預(yù)測模擬,集成Arc SDE引擎和可視化技術(shù)研發(fā)形成林火蔓延可視化模擬系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于2006年發(fā)生在云南省安寧市溫泉鎮(zhèn)的一場森林火災(zāi)模擬中,系統(tǒng)根據(jù)輸入的地形、氣象等參數(shù)信息后能夠動態(tài)預(yù)測出不同時間間隔的過火面積和火線強度,在三維地形中更加形象直觀地動態(tài)模擬過火情況,具有高度的逼真感和沉浸感,該系統(tǒng)可以為林火預(yù)警、應(yīng)急方案的制定和撲火滅火提供決策依據(jù)。

開展林火蔓延三維可視化,需要從水平方向進行林火動態(tài)蔓延模擬,也要從垂直方向展示蔓延三維可視化。由于林火蔓延模擬的復(fù)雜性,沒有采用LOD(levels of detail)技術(shù),將來可以采用LOD技術(shù)來提高場景的繪制效率。因沒有實時獲取氣象數(shù)據(jù),為進一步提高林火蔓延模擬精度水平,今后研究中可以結(jié)合傳感器技術(shù),在林火易發(fā)區(qū)部署相應(yīng)的傳感器,利用火場實時數(shù)據(jù)來修正林火蔓延預(yù)測邊界,從而提高林火蔓延模擬的準確性,為下一步研究提供了參考。