林火蔓延模型研究及GIS应用模块开发

摘要

林火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气象条件和地形影响下燃烧和运动的极其复杂的现象。云南省是我国森林火灾损失严重的省份之一，虽然在林火扑救方面有很多实战经验，但是由于它特殊的地形，使得林火行为的研究更加复杂和困难，林火蔓延的计算机模拟较为落后。目前，这方面的研究较少、精度较低，缺乏能应用到实际扑救决策中的模拟结果，也缺少与蔓延模拟相关的各种行为模型，更没有集成到地理信息系统中的功能模块。 随着“3S”技术的发展，结合“3S”技术进行林火预测和分析成为林火行为研究的主要方向。目前，林火蔓延模拟和GIS结合应用的主要方向包括基于元胞自动机的模拟和基于惠更斯原理的模拟两种。两者在林火蔓延动态模拟应用上各有特点。惠更斯原理的特点是从林火蔓延的宏观规律出发，能简单处理时间步长，且能很好地结合已经存在的林火行为模型。它有助于我们理解不同林火行为模型间的关系、揭示模型的涵义、并识别不同模型间的缺失因子。 本文充分利用已有的数据和资料，特别是2006年安宁市“3.29”森林火灾数据，结合惠更斯原理和国际上成熟的林火行为模型(Rothermel的地表火模型，Van Wagner的树冠火蔓延模型，McAlpine的林火加速模型)，建立了适合云南省特殊地形的林火蔓延动态模型，并开发了相应的动态模拟模块。 在建立的林火蔓延动态模型中，地表火模型参数包括模型的类别、每类可燃物的燃烧床深度、死的可燃物林火消失含水率，其各个级别的载量、表面积与体积比、含水率；树冠火模型的参数包括树高、叶子的含水率、枝下高、树冠密度、郁闭度(盖度)；其余的参数在整个过程中均为常数。 在前人研究的基础上，结合云南省的具体情况，我们对模型进行了如下改进：引入坡位对风进行校正、风和坡度的矢量合成、引发地表火的可燃物级别的划分和可燃物含水率类别的设计。 风因子校正的具体算法如下：先计算出坡位因子X(取值为0-100)，然后根据坡位对风的影响，对坡位进行归一化处理(取值变为0.2-2.4)，乘以以前的风速(wsp)得到，具体的公式如下：其中，Z为校正后的风速，oldmin为0，oldmax为100，newmin为0.2，newmax为2,4。 对于任何方向风和坡度的矢量合成为： vx=Ф<,s>*cos(asp)+Ф<,w>*cos(wdr) vy=Ф<,s>*sin(asp)+Ф<,w>*sin(wdr) 其合力的大小为：vl=(vx<'2>+vy<'2>)<'1/2>。其中，φs为坡度因子；Фw为风因子；wdr为风向；asp为坡向。假设合力的方向(最大蔓延速度的方向)为θ，则θ的值为方程组的解。 根据野外调查和云南省可燃物调查的具体情况，将引发地表火的可燃物分为四个级别：腐殖质(位于细小可燃物下层、处于分解及半分解状态的地被物，其微粒直径为0-0.6cm)、细小可燃物(在林地内直径小于7厘米死的、处于未被分解状态的地被物。可燃物微粒直径为0.6-7cm)、活的草本层(处于灌木层下方，生长有草本的活地被物)、活的低矮木本层(因生境恶劣或其它原因生长的低矮灌木型的乔木树种以及胸径小于2cm的小杂竹丛的活地被物)。 在综合考虑模型的有效性、林火行为对含水率的敏感性和云南省区域情况的基础上，设计了可燃物含水率的类别，每个级别划分了7类。 动态模拟模块的开发使用ESRI公司的Arclnfo Workstation提供的AML 语言作为后台开发工具，VBA进行界面的开发和参数的输入。然后通过此公司提供的在ArcGIS下运行AML的接口，实现林火蔓延动态模拟的开发。 以安宁市为例，详细阐述了动态模拟模型参数的获取方法。其中，在可燃物分布图制作方面，我们划分了10类可燃物类别，其无可燃物的类型包括：农业用地、其它非林地、水域、居民地，并使用计算机自动勾绘图斑和决然推理、似然推理相结合的解译方法制作了可燃物分布图，经混淆矩阵检验得出判读结果的总体精度为79.40％。 在可燃物模型导出方面，特别在模型导出前对云南省细小可燃物载量和郁闭度的关系、枝下高和胸径的关系进行了探讨性研究，并建立了相应的数学模型。其中，地面细小可燃物载量与郁闭度关系的数学模型如下： y=3844x-389.27 R<'2>=0.6277这里，y指地面细小可燃物载量；x指郁闭度。研究结果显示，地面细小可燃物的载量和郁闭度有很强的相关性。 以云南松未成熟林为例，得出枝下高和胸径的一元回归模型为： y=0.1281x+0.6598经F检验得出在α=0.05水平下，胸径对枝下高的回归方程有显著意义。 由此，根据经验、野外调查数据、各类文献，参照国际上的可燃物模型定义方法，建立了含水率类别为D3L3时安宁市各类可燃物的地表火模型，它代表了平均郁闭度时的情况，并建立了树冠火模型，同时根据上面研究的相关性在实际应用时进行了调整。 本文得出的主要结论如下：应用惠更斯原理，通过修改成熟的蔓延模型进行林火蔓延模拟能达到模型预测的目的，并能反映林火蔓延的主要规律。本研究建立了一套模型参数提取加工处理的技术框架，为模型的扩展应用奠定了基础；制作了安宁市可燃物分布图、制定了可燃物的类别，并建立了每个类别的可燃物模型，对建立标准的模型数据库并应用到云南省的其它地方有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究进展

1.2.1林火蔓延的定性认识

1.2.2林火蔓延的数学模型

1.2.3林火蔓延的计算机模拟

1.3研究目的和意义

1.3.1研究目的

1.3.2研究意义

1.4本研究主要内容及方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法和步骤

1.4.3研究技术路线

1.5本章小结

2林火蔓延动态模拟模型研究

2.1惠更斯原理研究

2.2林火蔓延的行为模型研究

2.2.1地表火

2.2.2树冠火

2.2.3林火加速

2.3林火蔓延动态模型的建立

2.3.1基本思想

2.3.2坡度因子

2.3.3风因子

2.3.4可燃物因子

2.3.5调整因子

2.4林火蔓延动态模拟技术要点

2.4.1坡度转换

2.4.2风的校正

2.4.3风和坡度的矢量合成

2.4.4可燃物含水率类别的设计

2.5本章小结

3林火蔓延动态模拟GIS模块开发

3.1开发工具简介

3.2模块详细设计

3.2.1技术流程

3.2.2功能设计

3.2.3界面实现

3.2.4空间分析

3.3本章小结

4林火蔓延模型参数设置和动态模拟案例

4.1研究区域概况

4.1.1自然概况

4.1.2植被特征及森林资源现状

4.2安宁市可燃物电子地图的生成

4.2.1技术方法概述

4.2.2矢量数据的生成

4.2.3可燃物类别的确定

4.2.4实地调查

4.2.5植被解译

4.2.6精度检验

4.3可燃物模型的建立

4.3.1地面样地调查

4.3.2细小可燃物载量和郁闭度的关系模型研究

4.3.3枝下高和胸径的关系研究

4.3.4可燃物模型的导出

4.4其它数据的获取

4.5起火点的确定

4.6调整因子的确定

4.7模型结果与分析

4.7.1模型结果

4.7.2各个因子影响分析

4.7.3模拟结果和实际火场对比分析

4.7.4火势增长分析

4.8本章小结

5结论与讨论

5.1主要结论

5.2主要讨论

5.2.1惠更斯原理应用于林火蔓延模拟的局限性

5.2.2林火蔓延动态模拟模型的局限性

5.2.3使用ArcGIS进行动态模拟功能模块开发的局限性

5.2.4可燃物分布图制作的不足

5.2.5可燃物模型建立的不足

5.3本章小结

参考文献

致谢

附录