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一个森林火灾蔓延分形模型案例的研究ZHUQijiang,RONGTaizong,SUNRui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__无特征尺度然而林火的扩展过程具有自__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-__HRR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__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__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__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-__HRR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__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ClarkClark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__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-__HRR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xyz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作用也就愈大其定量关系表达为式
1.7中经验常数c=
0.1783v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-__HRR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abcd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__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__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__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__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__而这些__又取决于发生在它之前的__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__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-__HRR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__HRR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125000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从而得到最终的火场边界具体的模拟过程3模拟结果与验证就在1997年5月4日兴安盟五岔沟森林火场历时约47h同年5月25日TM图像记录了这场火的最后结果火场扩展模拟按6个时间段进行每个时间段为8h模拟结果第6时间段火场外廓在时间上相当于TM图像上记录的火灾迹地范围在TM图像上统计的着火像元共56866个未记亚像元相应地面__为
51.18km2而第6时段火场在TM图像上扩展模拟结果其外廓包括像元数为61212个相应的地面__为
55.09km2两者相对误差约为
7.4%考虑到未记入亚像元的影响以及在时程上的差异相差一小时两者相对误差还应小些另外在外形上模拟图像与火灾迹地也十分相近体现了分形和自__特点4结论与讨论基于对森林可燃物具有的结构和尺度等级特征以及火行为的跳跃性的分析采用分形方法对森林火场进行扩展模拟从本质上体现了林火行为的自相似性和自__性根据能量平衡的一般原理并结合温度场的作用来确定林火扩展速度模型并将其用于林火扩展模拟抓住了森林燃烧现象的物理本质这是本模型不同于前人的一个地方在低分辨率NOAA-__HRR图像上进行火点识别在高分辨率TM图像背景上进行火场扩展模拟体现了一种新的信息复合思想在森林火情预报和损失评估中有着很大的实用价值这种由低分辨率图像生成大框架在高分辨率背景数据增添其细节在大框架准确的前提控制下模拟出的细节不会有很大的偏差在遥感和地理信息系统技术支持下实现了森林火场的分形模拟模拟火场和实际火场在形状上体现了自相似在火场__数量上也十分接近取得了模拟的成功在这场林火扩展模拟实验中模拟算法仍需探索并加以改进使之在宏观上更符合林火行为的规律同时对扩展速度影响因子的权重计算模型还应进行深入研究积累实验数据既要研究各因子的__作用又要将各因子影响归一化到同一标准只有这样才能将其综合起来建立起较客观的权重计算模型而这一改进将使得林火扩展模拟在微观上更接近于实际参考文献
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