基于GIS模型的森林草原火蔓延模擬探析

劉礴霏　宋來萍　王磊　李昕

摘要采用具有可操作性和較實用性的Rothermel模型和加拿大FBP系統的火蔓延模型，利用迷宮算法建立了一套基于氣象數據、可燃物數據及環境數據的單起火點無阻隔帶的森林草原火蔓延模擬系統，并對蔓延模擬結果進行了分析。

關鍵詞森林;草原;火災;模擬

中圖分類號：S762文獻標識碼：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束所表現出來的一種火行為，森林草原火蔓延受氣象因素、可燃物因素及環境因素等因子影響。隨著GIS技術的不斷完善和發展，結合國內外林火蔓延模擬模型，能夠實現運用計算機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517火災火場數據為研究基礎，通過對林火蔓延模型、蔓延算法的選擇進行了基于GIS的森林草原火蔓延模擬研究。

1研究區域及森林草原火災概況

1.1研究區域概況

陳巴爾虎旗地處大興安嶺西麓與呼倫貝爾草原的結合地帶。地理坐標為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，夏季溫涼短促，春天多大風，日照豐富，太陽輻射強烈，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，年蒸發量1 678?mm，年平均風速2.5 m·s，無霜期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森林草原火災概況

2017年5月17日，陳巴爾虎旗鄂溫克蘇木那吉林場（120°45′26″E，49°54′08″ N）發生了森林草原火災。火災期間，最高氣溫達34 ℃，風力較大，白天風力均為5～6級，瞬間風力高達8～9級，火場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，地下腐殖質層較厚，火場地形復雜，周邊沼澤地較多，經過9 000多名撲火人員3晝夜的全力撲救，至5月20日11時明火被全部撲滅，經核實過火面積為8 400 hm。根據現場調查及查閱相關資料，陳巴爾虎旗517那吉林場火災為典型的森林草原火災，因此本研究具有一定的代表性。

2研究方法及內容

2.1森林草原火蔓延模型選擇

由于森林草原火災預防和撲救的時效性很強，影響火行為的因素很多，各種參數復雜多變，各種模型運算煩瑣，所以要在短時間內判斷火災的蔓延趨勢，及時采取應對措施，就必須適時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用性的Rothermel模型和加拿大FBP系統的火蔓延模型。

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為反應強度（kJ·min·m）;ξ為傳熱通量比率，量綱為1;Φ為風速系數，量綱為1;Φ為坡度系數，量綱為1;ρb為可燃物容積密度（kg·m）;ε為有效加熱系數，量綱為1;Qig為預引燃熱量（kJ·kg）。

加拿大FBP系統的火蔓延模型為：

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中的初始蔓延指標。

2.2火場研究數據采集

氣象數據采集主要包括溫度、濕度、風向及風速等因素。可燃物數據包括地類、樹種、可燃物類型等。環境數據包括遙感影像和DEM 數據，火場周長、面積及起火點坐標等數據。將這些數據整理并建立數據庫。

2.3林火蔓延算法

本研究采用迷宮算法，以柵格數據為基礎，以火點為起點，從正東起沿順時針方向，其八方鄰位可分別表示為E、SE、S、SW、W、NW、N、NE。每一點向外擴散有8個方向的選擇，從正東開始，沿順時針方向檢測，每探測到某一方向，計算累積時間∑t[3]。迷宮算法的優點為編程較易實現，運算速度適中;缺點為計算時長無法掌握，完整模擬火場只有在計算完成后才能看到。

2.4蔓延模擬精度

蔓延模擬精度采用Kappa系數和S?rensen系數進行驗證。Kappa系數是用來檢驗模擬后的火場與真實火場的一致性，將真實火場視為遙感影像分類中的地物類型數據，模擬火場視為影像分類結果，從而建立誤差矩陣。S?rensen系數，又稱為S?rensen相似性系數，最初是應用在生態學領域用來比較兩個樣本的相似性。本研究使用S?rensen相似性系數來檢驗真實火場和模擬火場燃燒區的相似性指標。

Kappa系數計算公式為：

K=P-P/-P

式中：P代表真實火場和模擬火場一致性的百分比，即觀測值;P是期望值，即真實值。

其中：

Po=s/n

P=a×b+a×b/n×n

式中：n代表柵格總象元數;a代表真實火場中已燃點柵格的象元數;a代表真實火場中未燃點柵格的像元數;b代表模擬火場中已燃點柵格的像元數;b代表真實火場中未燃點柵格的像元數;s代表真實火場和模擬火場中柵格對應象元值相等的像元數。

Srensen系數計算公式為：

S=2a/2a+b+c

式中：a代表真實火場和模擬火場中重疊燃燒區的柵格數量;b代表真實火場中燃燒模擬火場中未燃的柵格數量;c代表真實火場中未燃模擬火場中燃燒的柵格數量。

計算結果：0.0～0.20表示和真實火場模擬一致性很低;0.21～0.40表示和真實火場模擬一致性一般;0.41～0.60表示和真實火場模擬一致性中等;0.61～0.80表示和真實火場模擬一致性高度一致;0.81～1表示和真實火場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個步驟：第一，建立空間背景數據庫;第二，把林火蔓延模型轉換為計算機模型;第三，進行動態模擬顯示;第四，計算蔓延面積及周長等數據[4]。本研究選擇C#進行編程，將火蔓延模型寫入編程系統，通過運算采取單火點無阻隔帶模式進行，將蔓延火行為的結果以圖形的形式展現出來，然后對蔓延模擬結果進行統計分析，完成系統開發。

3結果分析

如圖1所示，能夠衡量模型精確程度的Kappa系數和S?rensen系數無論在哪種情況下，變化趨勢均相似。在無阻隔帶情況下，Rothermel模型和FBP模型與實際火場的重合率先升高后下降，可以推斷出當林火蔓延至Kappa系數和S?rensen系數最高時，已經達到了與原火場的最佳重合程度，也就是蔓延到了原火場的邊界，在沒有阻隔帶的理想情況下，林火繼續自由蔓延出原火場，導致與原火場重合程度下降，進一步證明了Rothermel模型和FBP模型在應對真實火場林火蔓延模擬的能力。

4結論

本研究以那吉林場森林草原火災為例，通過組建森林草原火災成災、致災數據資料庫，對模型進行適用性參數修正，最終以修正Rothermel模型、加拿大FBP火行為預報模型，利用迷宮算法實現了基于植被、地形、氣象數據的林火蔓延模擬，建立了一套雙模型比對的單起火點無阻隔帶的森林草原火蔓延模擬系統。模擬結果表明，修正后的Rothermel模型在對陳巴爾虎旗那吉林場森林草原火蔓延模擬中效果最好，后續可以通過對更多森林草原火災數據的獲取及蔓延模擬模型參數的修正，做到對森林草原火蔓延的精確模擬，實現火災發生中精準實時的蔓延模擬。

參考文獻：

[1] 唐曉燕， 孟憲宇，易浩若.林火蔓延模型及蔓延模擬研究進展[J].北京林業大學學報，2002，24（1）：87-91

[2] 王曉紅，張吉利，金森.林火蔓延模擬的研究進展[J].中南林業科技大學學報，2013，33（10）：69-78

[3] 唐曉燕， 孟憲宇，葛宏立，等.基于柵格結構的林火蔓延模擬研究及其實現[J].北京林業大學學報，2003，25（1）：53-57

[4] 毛學剛，范文義，李明澤，等.基于GIS模型的林火蔓延計算機仿真[J].東北林業大學學報，2008，36（9）：38-41