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1、一个森林火灾蔓延分形模型案例的研究ZHU Qijiang ，RONG Tai,，N Rui摘要这篇论文是关于通过结合火场能量平衡的半经验模型与地面温度场的物理模型,目的是能够为火场扩展提供一种实用的描述工具。森林火场扩展形势取决于燃烧物特性和气象气候原因和地形的作用。例如森林可燃物本身表面积无特征尺度,然而林火的扩展过程具有自复制性,这两者使火场扩展具有自相似性,因此，火行为可用分形几何进行描述。研究中我们选中了大兴安岭林区五岔沟林火作为试验地点,在低分辨率的NOAA-AVHRR图像上发现火场,在相应高分辨率的TM图像上进行火场扩展模拟实验,这是一种新的信息结合方式。在遥感和地理信息系统的支持
2、下,采用描述变长现象的有限扩展集聚方法来模拟林火动态扩展过程,用标度律对森林火场的模拟结果进行形态控制。模拟火场与实际火场在形态上体现了很相似,火场面积在数量上也十分接近。关键词： 遥感 ; 林火监测 ; 火场扩展 ;分形模拟森林作为陆地生态系统中最重要的组成部分,森林通过自身的光合作用,每年吸收大量的CO2,并且它在地球表层碳循环和碳平衡中是个重要的的角色。火灾是造成森林破坏的主要方式之一,全球因火灾造成的森林损失每年约为1%,林火多发国家可达2%-8%1-4。我国是个少林的国家,森林资源对我国来说非常宝贵。早期发现林火并及时组织扑救,是减少森林损失的重要途径。及时准确的火场火情预报是科学组
3、织扑救的前提。近年来,全球普遍变暖,干旱频繁,造成北美澳大利亚和地中海沿岸地区森林火灾频频发生。我国自从1987年5月6日发生的大兴安岭林区大火以来,森林火灾形势也日趋严峻。如何用现代科学技术发现早期火源并进而预报其发展是一项重要的研究课题。根据NOAA-AVHRR图像识别林火已见诸许多报道,林火识别方法也已日渐成熟5-7,但是,关于火行为的研究则相对滞后。林火如何向外扩展蔓延是火行为研究中的重要内容。只有正确地揭示林火蔓延的物理机制,才能准确地预告林火蔓延的趋势和范围,进而为正确组织扑救进行科学决策。由于技术上的限制,直到1979年Kessel才在林火扩展研究中考虑空间因素。进入八十年代以后
4、,由于地理信息系统技术的成熟,才能做到对林火扩展的空间模拟。对林火扩展做案例研究的也仅见徐建平和Clark。Clark在火场扩展模拟中使用了细胞自动生长的原理,还运用了混沌与分形的概念8。问题是他们模拟的森林火场都很小,地面状况相对简单,并且是基于人工纵火及进行同步飞行的航空遥感数据。朱启疆高峰据能量平衡原理的半经验模型,曾对西昌地区的林火扩展进行过计算机模拟,但模拟结果未能做进一步的验证9。考虑到实用性和及时性,本研究中选择大兴安岭林区五岔沟林火作为案例,结合能量平衡的半经验模型与地面温度场的物理模型,在低分辨率的NOAA-AVHRR图像上发现火场,在相应高分辨率TM图像上进行火场扩展模拟,
5、达到快速准确定位的模拟目的。1林火扩展的速度模型及参数化森林燃烧是个物理化学现象,有着复杂的能量交换过程。因此,基于能量平衡和温度场的林火扩展模型一直是森林火场扩展模拟的主要发展方向。在本研究中,力求结合两类模型的合理内核,建立起能实际进行林火扩展模拟的有效工具。1.1林火扩展速度模型将初期火场视为一隔离体。在隔离体中,每单位质量可燃物净吸收热量为Q,可燃物有效体密度为,则单位体积可燃物的净吸热量D=.Q.据能量平衡原理,有方程10式中,x,y,z为燃烧点的空间坐标,t为时间。在风场的作用下,忽略与主风向相垂直的测向热量交换,对式1积分整理后得式中,V为林火扩展速度m/min;I为火焰区燃烧反
6、应强度kJ/min.m2;为林火蔓延率;w为风速修正系数; s为地形坡度修正系数;为可燃物体密度kgm3;e为有效热系数;Q为点燃单位质量可燃物耗热kJ/kg。火场扩展速度V的表达式中,参数间存在相互嵌套关系,不便作为林火扩展模拟,需作进一步的简化和参数化。式2可表达为可燃物类型a,火场表面温度b,风速c和地形d等4大影响因子的函数式1.3的好处在于,各因子或可由遥感数据提取,或可由地面资料产生,借之比较容易实现火场的扩展模拟。1.2扩展速度影响因子分析1.2.1可燃物对扩展速度的影响林中可燃物对林火扩展速度的影响主要决定于可燃物的类型数量和空间布局。林中地表可燃物中的干枯杂草落叶小枝等枯落物
7、,在干旱周期里,含水少,燃点低,耗热量少,极易燃烧和蔓延,特别是在林缘。林下枯落物的数量和空间分布是个难于准确定量的问题,在本次模拟中,采用根据TM图像获得的可燃物类型分类数据,来确定可燃物的影响a。1.2.2地形对扩展速度的影响在地形起伏的条件下,燃烧时,热空气上升,上坡方向可燃物截获的燃烧过程中释放的能量较多,在上升气流作用下,上坡火表现为速度快强度大的特点;对于向下坡方向扩展,大部分研究者认为,下坡火扩展速度在坡度从0到22.5时,随着坡度的增加而减小;而在22.5到45时随着坡度的增加而增加,并趋同于平地的情况。坡度产生的速度改正系数与坡度的关系呈抛物线形式,抛物线顶点在22.5左右。
8、据王正飞毛贤敏等人的研究11,地形订正因数d可表示式中为地形坡度。为了使式1.4能用于计算坡面上各个各个方向上的火扩展速度,设坡度为Sd,坡向为Sdd,扩展速度向为Vdd,则该向上坡面倾角为根据蔡炳峰等的研究,系统在进行模拟时,对式1.4做了调整12,采用的地形订正因素d为1.2.3风对扩展速度的影响风对林火扩展的影响是十分显著的。当林火燃烧时,风把产生的CO2等阻燃气体带走,同时带来新鲜的氧气助燃;由于风的作用,燃烧过程产生的热能被带到下风,对下风处的可燃物产生预热和干燥脱水作用,为火的下风向扩展创造条件。毛贤敏研究认为13,沿着风吹方向,风速愈大,林火扩展速度愈快,风影响因子c作用也就愈大
9、,其定量关系表达为式1.7中经验常数c=0.1783,v为风速m/min考虑风对不同方向上火扩展速度的影响,设风向为Wdd,计算的任意方向的风速为Vdd,则风的作用表达为1.8式中vcosvdd-wdd是风在计算方向上的投影值。由式1.8可知,在与风向相反的方向上,风对林火扩展起着阻滞作用。由于烟云的方向与风向一致,从NOAA-AVHRR图像上容易确定风的方向。风的速度可由天气预报决定。1.2.4温度场对扩展速度的影响森林火场中,地表温度t和温度场结构,既是燃烧中热量交换的结果,又将通过热辐射热对流热扩散作用对火场的蔓延产生重要影响。在林火研究中,对地表温度获取精度要求不高,我们通过分析普遍应
10、用的红外裂窗技术所发展起来的各种温度反演算法以及借助于辐射传输模型LOWTRAN-7进行大气纠正来获取研究区的地表温度场,并用表达地表温度对林火扩展的影响大小b。将林火扩展速度因子a,b,c,d归一化处理后,得到下面的表达式为林火扩展速度式中Vbase为火点的当前速度,Vext为火点运行到下一位置时的速度。为了考虑环境因子对林火扩展方向的作用,并融入各条火线自己的特性,我们引入影响因子作用权重Wext的概念。火源在各个方向均有扩展的可能性,但由火源生成火线时,受影响因子的限制,这种限制决定了火源在各方向生成火线的可能性及火线生成的先后。同样,当一条火线生出时,就有了自己的方向,引入因子作用权重
11、的目的是为了确定火线新的扩展方向。权重Wext的大小反映了火线朝该方向扩展的可能性大小:其中Wext是根据火线起始方向的不同以及周边的燃烧情况,进行各方向权重的修订,为经验函数。火源的八个方向的Wext中,大于一定阈值的可以生成火线,其大小的顺序作为火线的生成顺序。火线新的扩展方向则选定其在新位置上最大Wext的方向。2火场扩展的分形模拟2.1林火的分形特征森林火场的火物理特性和火化学特性,取决于燃烧物,即取决于燃烧物的紧密度和混杂性。燃烧物的紧密度由燃烧物的表面积与体积的比值来表征,比值愈大,燃烧物与空气接触得就愈充分,从而燃烧得也愈快。混杂性表征着可燃物成分的复杂程度。森林可燃物可由松针落
12、叶小枝分枝和树干等组成,而每一成分在任何尺度上都呈高斯分布。当我们逐渐缩小测量尺度时,则更小的成分便进入到测量视野中,从而使可燃物表面积的测量值以非线性的方式增长。这表明可燃物具有分形的一个重要特性无特征尺度。这样一来,每一树干的分枝数,每一分枝的小枝数,每一小枝的叶片数或针叶数对林火就非常重要,而林火的可燃物的这种自相似性就导致了火场形态的自相似和其他的分形特征。林火的扩展过程具有自复制性。每一火点都能点燃它周围的可燃物,并且在气象和其他条件合适的情况下,火具有跳跃性,即燃着的可燃物被带到下风向去点燃新火。可以认为,自复制特征在一定程度上导致了自相似性,这一点对于孤立的火点和相互派生的火点都
13、是适用的。基于上述关于林火分形本质的认识,Clark等人8将混沌和分形等理论引进林火扩展模拟。他们认为,当一个系统中的各因素之间的关系及其相互作用的程度不能完全被确定时,这个系统便进入混沌状态,而该系统的发展演化就表现为混沌过程。于是可假设,林火扩展是一个混沌过程,其几何维数呈分数维,介于椭圆和直线之间。统计和假设检验都表明,林火扩展的外边界更接近于分形,而不是椭圆。基于林火具有分形特征这一认识,可采用描述生长现象的有限扩展集聚模型 14的方法来模拟林火动态扩展过程。DLA是个面向过程的模型,它不同于传统的基于数学表达式的模型。它假设对象的存亡与变化取决于大量的随机事件,而这些事件又取决于发生
14、在它之前的事件。由DLA生成的对象具有分形特征。通过对DLA方法进行改动,使之适用于本研究中的林火扩展模拟。2.2火场的分形控制分形是自然界存在的复杂现象。自然界存在的各种现象中,有一个共同的特征,即无特征尺度但却有自相似的结构,燃烧的森林火场亦如此。若用尺度r去量测火场边界的面积,则分数维D和尺度r间的关系可表达为D=logNr/log1/r,或Nr=1/rD。 2.1式中Nr为用r去测量所得的度量单位r的数量。一个分形目标如火场,其空间尺度r变换成lr后,其特征尺度不变,只是原来形状的放大或缩小,称为标度不变性。由式2.1得一般地,把称为标度律,式中a称为标度指数。标度指数a是和分维D有关
15、的不变量。a和D互相制约,共同从数量上保证火场分形的形式特征。在森林火场分形模拟中,即根据标度律,用a和D去控制火场的扩展过程。2.3火场扩展分形模拟的应用森林火场扩展模拟的实验区选在内蒙古兴安盟五岔沟地区。1997年5月4日由NOAA-AVHRR记录了发生在五岔沟附近的森林火场。为了真实地模拟这场林火的全过程,我们收集了该场火发生前后的多景AVHRR图像,为了获得该地区的地面覆盖数据并对林火扩展模拟进行检验,还收集了记录这场火的前后两期TM图像1997年5月25日和1998年8月16日。加上与TM图幅大小相同的1：25000字地形,构成了林火扩展模拟空间背景库。火场，火源，火线，以及火像元是
16、采用的概念模型中重要模拟处理对象。这几种对象逐级嵌套,后三种对象构成一种树状结构,整个火场呈分散集聚状。初始时火场由若干个初始火源对应图像上若干个像元组成,由每个初始火源向八个方向中的某一方向生出一条火线。在火线前进过程中,不断将新的像元点燃,使之成为火像元而加入这条火线。在扩展过程中,火源可以不断的生成新火线,而已有的火线会由于种种原因而消失。在条件合适的情况下包括燃烧物量控制参数等,可由某些火像元生出新火源,而已有的火源也会由于可燃物耗竭等原因而熄灭。火源火线火像元的生成条件由上述模型控制,同时我们根据林火分形维数和标度指数加入扰动因子在细节上修改林火行为。待到结束条件满足时即所有的火源熄灭,或预定的模拟时间用完,或达到控制边界,这一生灭的过程即告结束。
