林火蔓延模型研究綜述

周靖

摘 要： 為更好研究林火蔓延行為，預測林火蔓延趨勢，仿真與模擬林火蔓延及實現蔓延的可視化問題，本文重要搜集和整理林火蔓延的各類模型，整理和分析國內外先進林火蔓延算法，并分析了國內外林火蔓延模型發展趨勢，討論了林火蔓延模型和蔓延模擬的發展前景。

關鍵詞： 森林防火；蔓延模型；Rothermel

1 引言

森林是大自然的重要組成部分，是人類可持續發展的基礎。森林火災是失去人為控制，在林地內自由蔓延和擴展，對森林、森林生態系統和人類帶來一定危害和損失的林火行為。發生森林火災即發生林火，林火蔓延是持續毀滅森林的根本動力。因此，了解和掌握林火蔓延模型，預測林火蔓延趨勢，可視化林火蔓延研究將最大限度地減少森林火災造成的損失，具有極其重要的作用。

林火蔓延是多組分可燃物在溫度、濕度、風向和風力等各種氣象條件和地形影響下的燃燒和復雜運動現象。多年來，大多研究者對林火的蔓延還僅停留于現場觀察和實驗室實驗條件下，抓住其中某些重要因素，按照統計的或物理的規律， 以此建立相應的數學模型，從而估計林火蔓延趨勢。

從1946 年 W. R. Fons 首先提出林火蔓延的數學模以來， 世界上許多國家都提出了自己的林火蔓延模型， 主要包括 RothermeI 模型[1]、 McArthur 模型、 加拿大林火蔓延模型[2] 以及王正非林火蔓延模型等。根據模型建立的方法以及對林火蔓延本質的認識程度，模型可分為統計模型、半物理模型、物理模型三類。

統計模型是指不涉及任何物理機制，純粹從統計的角度來描述火行為，模型把有多個變量相互關系的復雜問題，在形式上作簡單的處理。由于其建立在大量實際森林火災和計劃火燒的資料基礎上，置信度高，材料充足等，因此該公式的計算結果與實際情況基本符合。

物理模型主要由Fons最早提出，Fons將模型種燃料床理想化，且假定燃料達到著火的溫度即著火，因此，造成模型與實際相距較大，使得模型表達式復雜，物理參數較多，參數不確定等因素。通過該方法建立的模型使得其局限性在于：使模型與性在于它跟實際火災情況有較大的差距，但該模型的意義在于：把林火蔓延抽象成一個純物理問題來研究，為人類提供了一條便捷、簡單認識林火蔓延一般規律的途徑。

由于每個數學模型的應用都有一定的局限性，特別是用于模型所基于的假定之外的場合時，將會帶來很大的誤差。所以，我們利用任何蔓延模型來估測時， 要事先了解數學模型的應用范圍、條件及其優缺點。本文在對前人建模工作的基礎上，探討了各個模型的特點，對部分模型進行了初步的比較研究。

2經典蔓延模型

經典林火蔓延模型主要包括美國基于能量守恒定律的 Rothermel模型、澳大利亞的McArthur模型，加拿大森林火險等級系統[3]和中國的王正非模型。

2.1 基于能量守恒定律的 Rothermel模型

基于能量守恒定律的Rothermel模型遵循能量守恒定律，是一種半物理模型。該模型研究火焰前鋒的蔓延，但未關注火火場的持續燃燒。模型種提出了“似穩態”的概念，在整體角度方面研究林火行為，為宏觀研究林火提供了科學方法。優點在于：從數學角度來說，其假定燃料床和地形地勢在空間上是連續分布的，且可燃物的含水量、風速、坡度等參數是定值；同時，火災蔓延過程中，兼顧了熱傳導、熱對流和熱輻射等物理機制。其局限性在于：可燃物處于均一狀態，有固定的直徑，可燃物小范圍的含水量，因此常常忽略大的可燃物。

2.2澳大利亞 Mcarthur 模型

澳大利亞的McArthur模型是Noble I.R.等人用數學模型對McArthur火險尺的描述。該模型是基于統計學方法，具體為：進行多次點燃實驗，通過試驗得出林火蔓延速度，各參數之間定量值，從而獲取其相互的關系式。基于該模型的方法的優點是：可以預報火險天氣和部分重要的林火行為參數。缺點是：范圍只適合草地和桉樹林。我國部分地區可以參考應用該模型。

2.3加拿大林火蔓延模型

加拿大林火蔓延模型，也即是森林火險等級系統（CFFCRS）。該系統以加拿大林火行為為理論基礎進行研發的，共有四個子模塊：林火行為預報模塊，林火天氣指標模塊，林火發生預報模塊，可燃物濕度估測模塊。該模型方法需經過數百次實驗、觀察，從而通過統計模型方法，建立林火向前蔓延速度方程。對于不同可燃物類型，將會得出不同的蔓延速度方程，而且方程之間無依賴關系，僅依賴于初始蔓延指標。該模型的優點是：方程獨立，無需考慮任何熱傳機制，可以幫助人們初步、簡單的認識林火行為的各個分過程和整個過程，從而揭示其初步作用規律。如果各參數比較相似，模型得出的林火預測行為越準確。

2.4王正非的林火蔓延模型

王正非模型的林火蔓延行為與上述Mcarthur 模型、加拿大林火蔓延模型相似，均是通過統計模型方法，在大量的實驗基礎上，利用數學方法計算出林火蔓延速度方程式。王正非的林火蔓延模型的優點是：適用于平地無風、無風上坡和順風上坡且坡度不能超過65°的情況下。缺點：一些粗大的可燃物，模型將其視為無效可燃物。比如大的枝干。該模型配備有公式的相應修正系數關系表。使用時大大簡化計算量。具有一定的實用價值。

3林火蔓延新模型

3.1 基于Rothermel改進模型。

根據上述模型特征，以及實際應用效果，Rothermel模型適用范圍最廣，不需要大量的基礎試驗，因此，近年來，大多數學者均基于該模型做了大量的研究工作。

國外方面：FARSITE和BehavePlus把地表火、樹冠火、飛火和火加速等多種火源的模型進行集成，而且每個集成的子模型均是采用Rothermel模型來計算地表火蔓延速度。可以是橢圓形來模擬二維林火蔓延趨勢，也可以是采用基于惠更斯波動理論來模擬二維林火蔓延趨勢。還可以也采用Rothermel模型來計算林火蔓延速率，運用惠更斯理論來模擬二維林火蔓延趨勢等，可以說，國外在基于Rothermel改進模型方面做了大量的研究和擴展。

國內方面：李建微以Rothermel模型為參考，利用惠更斯原理，粒子系統方法、計算機圖形和虛擬現實技術，在不同風速、坡度下，對不同位置的林火火場蔓延行為進行三維模擬；朱啟疆利用地理信息系統和遙感技術，結合Rothermel半經驗模型和經驗模型，利用迷宮算法實現了林火空間蔓延動態模擬；蔡學理、張貴以AroInfo為地理信息系統平臺，結合Rothermel模型，并將火場形狀假設為多邊形，提出了一種森林火災指揮撲救方案等，可以說，國內研究緊跟國外研究，提出了一些有價值的研究參考方向。

3.2新型模型研究

新型模型研究如為DEVS-FIRE模型，其將森林看成是由一個個大小相同的矩形單元組成的空間，空間的尺寸由地理信息系統來確定。每個單元代表一個原子模型。一旦著火，每個單元都利用Rothermel模型來計算一維火蔓延速度和方向，然后根據橢圓形將其分解為八個方向的二維火蔓延。在林火蔓延的過程中，采用元胞自動機模型，分解的八個方向剛好與八個相鄰的元胞方向一致。

DEVS-FIRE采用一種傳感器信息相關的方法，該方法可以節省了大量的內存空間。同時，引入了動態數據驅動應用系統，對仿真結果進行動態地調整，可以結合粒子濾波算法對從傳感器獲取的實時數據進行數據同化來降低這些誤差。從傳感器獲取的測量數據具有高度的空間相關性，如果將其孤立的看待，將導致原始粒子權重偏差較大，對系統狀態分布的估計正確率降低。

4結束語

森林火災的撲救是世界性難題，其關鍵點之一在于準確建立火災蔓延數學模型，從而指導各類火災的撲救工作，因此，今后很長時期，對于大火和特大火的蔓延模型研究將是重要方向。隨著VR虛擬現實技術的深入發展和在地理信息系統技術種的應用，將為蔓延模型的研究向三維化、立體化、可視化提供可能。于此同時，物聯網技術、大數據技術、基于無人機的巡航預警技術等的快速發展，將為蔓延模型建立提供大量的基礎數據。未來，結合上述技術手段，形成空天地立體式預警系統，從而快速高效獲取建立林火預警模型的數據，將為林火模型建立提供重要保障，也是林火模型發展的重要方向。

參考文獻

[1]吳志偉.FARSITE火行為模型的原理、結構及其應用[J].生態學雜志，2012，31（2）：494-500.

[2]廖超，陳愛斌，王丹. 森林火災蔓延研究新進展[J]《電子世界》， 2014 （13） ：177-178.

[3]張運生.林火蔓延模擬研究進展[J].安徽農業科學，2010.