林火蔓延的计算机模拟

1.3.3　林火蔓延的计算机模拟

林火蔓延和建模的主要目的是满足日常林火管理和预测、扑救，建立面向日常林火管理的计算工具或信息系统。林火蔓延的计算机模型已经被研究几十年了。在最近20年，由于计算机技术的飞速发展，出现了很多林火蔓延模拟和管理信息系统。其中包括能集成GIS的各种软件和不能集成的软件。前者由美国USDA开发的FARSITE林火管理系统最为典型;后者，美国农业部林务局率先开发了BEHAVE第1版。BEHAVE软件(改版后的界面更加友好)通过输入可燃物和环境数据，就可输出地表火蔓延速率和火线强度。随之，加拿大、欧盟(德国)、美国和澳大利亚等建立了类似的工具。我国的宋卫国等改进了BEHAVE。而且，目前许多地理信息系统公司如ESRI公司、Leica公司等开发的软件均提供了相应的语言让用户自己建模并开发相应的工具。

随着计算机科学的迅速发展和人们认识林火行为的深入，出现了大量的林火蔓延模拟技术，并由二维模拟仿真技术发展到三维仿真技术，许多国家研制了林火模拟和管理地理信息系统。三维模拟技术是最近发展起来的林火蔓延模拟技术，目前这种技术具有较大困难，属于起步阶段，和二维模拟仿真技术相比，它的主要优点只是构建一个虚拟的林火蔓延模拟环境，使计算机在火灾发生时能及时提供更加逼真、信息丰富的火场预测信息。对于林火扑救和预测需要的火场状况和火势状况，二维模拟仿真技术已能满足需要。

二维的林火蔓延模拟将复杂的多维自然现象抽象为平面问题，提供给用户所需的直观、简洁的信息。目前，其和GIS结合的发展方向主要有基于栅格的模拟和基于矢量的模拟两种，前者主要是基于元胞自动机的模拟，后者主要是基于Huygens原理的模拟。

(1)元胞自动机模拟林火蔓延

元胞自动机(Cellular Automata，CA)模型，开始被Von Neumann引进，已经被成功用来模拟物理系统和过程。它是定义在一个具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上的，按照一定局部规则，在离散的时间维上演化的动力学系统。它由元胞(Cell)、元胞空间(Lattice)、邻域(Neighbor)、规则(Rule)、状态、时间构成。它的主要特点是在时间上和空间上的离散化，状态离散有限，同步计算(并行性)、时空局限性、维数高、同质性、齐性。它可以将复杂的地理现象离散化，达到动态模拟的目的，在林火蔓延预测中有良好的应用前景，并且很适合于与GIS技术结合解决问题。目前，仍处于研究探索阶段。

近几年，林火蔓延CA模型的元胞常用的是正方形。每个单元被赋予一个林火蔓延速率，该值由此单元格中心点的速率为代表，决定此单元被完全燃烧所需要的时间。由于以随机方程为基础的局部规则模拟效果差，研究学者试图通过改进局部规则、相邻单元、时间步长、网格划分等方面来提高林火模拟效果。固定的数量有规律地运行，出现火形状的几何变形。在林火蔓延计算中，通过增加邻近元胞的数量来减少变形。针对传统CA模拟仿真存在计算费时且元胞大小固定造成效率低下等，Barros对传统的CA进行了改进，通过动态改变CA的结构和状态并只计算和刷新林火蔓延区域范围内单元的方法，提高了CA模拟林火的能力。最近，出现了采用离散事件的D.E.V.S或CELL-D.E.V.S.形式进行林火蔓延建模。

在国内，宋卫国等用元胞自动机模型构建一个布尔型的网格来研究整数型森林火灾模型的自组织临界性;黄华国等最近提出了一个三维曲面的元胞自动机模型，并开发了相应的软件系统，更形象地模拟林火;唐晓燕等提出了基于栅格结构的林火蔓延模型相关研究。

(2)基于Huygens原理的模拟仿真

最初的矢量模型假定林火在未知的、均一的可燃物上，依据定义好的蔓延法则蔓延，蔓延形状为标准的几何形状如椭圆形。如果燃烧条件是均一的，能使用一个简单的形状来估计林火形状大小、面积和周长，当遇上小面积的改变时使用不规则碎片形。这个模型具有一定的局限性。后来出现了更复杂的矢量模型——基于Huygens的波动原理模型。这个原理假定一个波能从它的外边缘的节点开始蔓延，作为更小蔓延的独立火源，来解决在一定时间内火头的位置问题。通过计算节点蔓延方向、蔓延速率等信息得到节点在下一时间步长位置得到过火面积。

近几年，用Huygens原理模拟林火蔓延取得了极大成功。Huygens原理始于17世纪，起初是由荷兰的科学家用来描述光波的，后来开始被人们用来进行林火蔓延模拟。1990年，Richards提出了一个用Huygens原理模拟林火蔓延较成熟的模型。该模型解决了蔓延周边上的顶点在下一时间步长的蔓延速度和方向及顶点上椭圆形方向的前火头、侧火头和后火头的尺寸问题。1986年，FARSITE林火计算系统改进了Richards模型，即用动态步长取代恒定步长实现林火的蔓延计算。1995年，Richards对模型简化并扩展了林火蔓延的形状(如双纽线和双椭圆形等)。FARSITE依据Rothermel的最初林火蔓延模型，描述了不同的地形、可燃物、天气状况下的林火的时空蔓延，已被很多决策者使用。但是，FARSITE包含一系列的限制和假设(如同质可燃物、林火蔓延的椭圆形状)，除此之外，它使用了简单的天气和风输入。这些限制就影响了模拟的精度，特别是在复杂险峻的地形上模拟效果相对较差。

(3)元胞自动机模拟和Huygens原理模拟比较

①前者考虑的是局部规律，后者更倾向宏观作用

元胞自动机只考虑元胞之间的局部作用，而没有考虑元胞空间的宏观作用，因而忽略了现实系统的宏观作用因素;元胞自动机的因素层过于单一，元胞状态的变化取决于自身和邻域元胞的状态组合，从而忽略了其他因素的影响，标准元胞自动机的转换规则是确定性的，而现实系统的行为并非是确定性的，通常表现为某种倾向和可能性。合理的规则是模型效果的关键，在元胞自动机模型中，规则是针对抽象空间划分单元的，反映了单元间局部的相互作用。此局部规则与传统的宏观规律，既有联系，又存在差别，而且找到一个确定性的规则的难度相当大。所以，使得真实性成为人们对元胞自动机的最大质疑。

Huygens原理从宏观出发，通过结合已经成熟的林火蔓延模型来计算林火的蔓延速率和方向。林火蔓延模型是在各种简化的条件下，进行数学上的处理，导出林火行为(蔓延速度)与各种参数(如可燃物的理化性质、地形、气象因子等)间的定量关系式，使人们可以利用这些关系式去预测要发生的林火形为，利用它去指导扑火工作，以及日常的林火管理。以前林火蔓延预测会出现各种参数复杂、数学模型的运算复杂繁琐，不能满足林火蔓延的实效性问题。但是，随着计算机技术和数学模型的完美结合，成功解决了这个问题。虽然林火蔓延具有复杂性、混沌性、随机性和自组织性，是不能通过某种确定的数学公式就可以描述清楚的，而现有林火蔓延模型多是从整体出发的研究思路，很难解释蔓延的内在规律。但是，目前，在真实性上Huygens原理更具说服力。

②前者是基于栅格的，后者是基于矢量的

元胞自动机是建立在离散、规则的空间划分基础上的，合理的空间分辨率起着平衡离散性和连续性的桥梁作用。目前，在多种地理实体共存的系统中，不同的实体有着不同的空间尺度，如何确定一个统一的空间分辨率，对于元胞自动机建模非常困难，如混合像元的出现，不同的空间分辨率下，地理系统单元所表现出的规律也有所不同。

Huygens原理假设地表是连续变换的，其蔓延点的信息提取是唯一的，不会出现混合像元的问题。

③前者很难处理时间对应问题，后者相对简单

在元胞自动机中，时间是一个抽象的概念，从模型中的T时刻到T+1时刻对应的时间单位不明确，而不同元胞在不同状态下持续的时间也很难确定。目前，问题集中体现在速度的计算上，比如，随着风速的增大，林火蔓延速度变化并不显著，会出现一种饱和现象，即林火蔓延速度很快就达到最大值。总之，当燃烧环境异质性增强时，元胞自动机模型模拟的林火形状和蔓延模式与经验数据相差甚远，而且很难处理时间变化对林火蔓延的影响，如风速、风向、燃料湿度的变化。

使用Huygens原理可以避免元胞模型的那些问题。这里在定义的时间步长上，蔓延模型定义为火头连续蔓延的多边形。本质上它是元胞自动机的反面。林火多边形定义为一系列的二维节点。随着时间的推移，林火的面积扩大时，节点的数量增加。

④前者没有定义林火的蔓延形状，后者假定林火蔓延有一定的形状

元胞自动机没有定义林火的蔓延形状，所以能解释各种情况的林火蔓延。

Huygens原理假设在均一条件下，二维的林火形状大体上是椭圆形的。均一的条件指影响林火行为的因子(可燃物，天气，地形)在时空上是连续的，尽管那些条件在自然界很少出现。林火蔓延最简单的是单一的椭圆形，直接使用数学方法计算林火蔓延的周长、面积或其他林火行为参数。在相对均一的样地条件下观察得出林火的形状从粗糙的鸭蛋形逐渐向扇子形变化，根据林火的经验数据，那些变化可能由于环境或内在的蔓延条件的变化。然而，Richards发现这些变化不能在数学上用简单的风速或方向的变化解释。Green等得出简单的椭圆形和其他形状一样能适合观测的林火生长数据。不管正确的形状是什么(如果存在一个简单的形状)，本质上，林火的变化随风速、坡度合力的变化而变化。如假定林火形状是椭圆的，林火在其他方向的蔓延可由椭圆的数学属性和火头的速率来推算，最普遍的假设是起火点和火尾的焦点是一致的。尽管不一定正确，但提供了火尾可能的蔓延速率。

综上所述，元胞自动机和Huygens原理在林火蔓延动态模拟应用上各有特点，不能说哪个更有优势。但是，选择Huygens原理在真实性上更具说服力，且能简单处理时间步长，能很好地结合已经存在的林火行为模型，包括地表火、树冠火、飞火、点火源的加速和燃料湿度。对于开发不同林火行为模型间的关系非常有用、对于林火蔓延假设的暗示有启迪作用，对不同模型间缺失元素的识别有重大意义。