森林小班林火蔓延模型信息化研究

可燃物更正值 K s
Combustibles correction value
（ Beijing Forestry University，Beijing 100083 ，China）
Abstract ： Ｒegarding the unsubstantial status of informatization research on forest fire spread model of forest subcompartment， for the purpose of quantitative description and analyzing subcompartment forest fire spread，supported by forestry technology，geographic information systems technology，spatial mathematical model and computer information technology，and on the base of forestry fire spread model created by professor of WANG Zhengfei and professor MAO Xianmin，the mathematical model of forest fire spread of forest subcompartment was established based on Octree theory． Moreover， using the computer technology and arcgis engine component technology，software platform was built to achieve the visual simulation of forest fire spread，and to reveal the mechanism and process of forest fire spread． Optimized forest fire spread model was used to achieve the spatial prediction of forest fire spread ． Key words： forest subcompartment； forest fire spread model； infomationization； octree 森林是大自然的组成部分， 它是人类文明的摇 篮， 是可持续发展的基础。森林作为可再生资源， 是 人类生存不可缺少的物质基础， 为人类提供木材、 竹 材、 林副产品、 药材等， 森林作为陆地最主要的生态 系统， 是人类发展的基本保障。森林可以涵养水源、 防风固沙、 防止水土流失、 消除噪音、 净化空气。 保 护和发展森林资源， 利在当代， 功在千秋。 植树造 林， 发展林业， 在协调人口、 资源、 环境， 协调当代人 和后代人利益中， 具有不可替代的作用， 在实施可持 续发展战略中居于重要地位。 因此， 保护森林成为
型实现林火蔓延空间预测， 在林火蔓延基础研究领 域形成一批原创性成果。
1 研究目标
以王正非和毛贤敏 2 位教授的林火蔓延速度数 学模型为理论基础， 在此基础上根据相应参数推导 出以着火点为中心 8 个方向 （ 上坡、 下坡、 左平坡、 右平坡、 左上坡， 左下坡、 右上坡、 右下坡 ） 上的蔓延 并根据 8 个方向的蔓延速度， 对小班林火蔓延 速度， 这一动态过程在计算机上进行动态模拟， 以达到火 灾范围的可视化效果以及火场面积可计算的效果 。
第 38 卷 第 2 期 2013 年 4 月
doi： 10. 3969 / j. issn. 1671-3168. 2013. 02. 012
林 业 调 查 规 划 Forest Inventory and Planning
Vol． 38 No． 2 Apr． 2013
森林小班林火蔓延模型信息化研究
坡为 OD， 左平坡为 OL， 右平坡为 OＲ， 风方向 4 个象 V2 、 V3 、 V4 ） 。 限都可能存在（ V1 、 上坡蔓延速度： Ｒ = Ｒ0 × K s × exp（ 0. 1783Vcosθ）
表1 Tab. 1
可燃物类型 Fuel Type Ks 平铺针叶 Flat Coniferous Forest 0. 8 枯枝落叶 Deadwood Shatter 1. 2
图1 Fig. 1 森林小班林火蔓延 5 个方向示例 forest fire spread Five direction indication of subcompartment
1. 2 ［ tan （ × cos （ 180° － θ） ］ ）｝
（ 90° ＜ θ
＜ 270° ） Ks 为可燃物系数 （ 树种 式中： Ｒ0 为蔓延的初速度， V 与数值之间关系可由表 1 得出） ， 为地形坡度角， 为风速， θ 为风向角 （ 把正上坡方向 OV1 作顺时针方 向旋转， 当与风向重合时， 令其所旋转的角度等于 θ） 。
马 天， 郑 君， 王智超
（ 北京林业大学， 北京 100083 ）
wk.baidu.com
摘要： 针对我国森林小班林火蔓延模型信息化基础研究较薄弱的现状， 以定量描述和分析小班林火 蔓延为目的， 在林业技术、 地理信息系统技术、 空间数学模型技术以及计算机信息等技术的支持下， 以王正非和毛贤敏 2 位教授的林火蔓延模型为基 础， 建立基 于 八叉 树理论 的 小班 林 火蔓延 的数 学 模型， 并在此基础上运用计算机技术与 arcgis engine 组件技术 建立 软件 平 台， 实 现 小班 林 火蔓延 的 可视化模拟， 揭示森林小班尺度的林火发生蔓延机理和过程， 应用优化的林火蔓延模型实现林火蔓 延空间预测。 关键词： 森林小班; 林火蔓延模型; 信息化; 八叉树
2 研究内容
包括小班林火蔓延速度数学模型的研究和软件 模拟蔓延的研究这两大部分。 2. 1 小班林火蔓延 5 个方向速度数学模型 根据王正非的《山火初始蔓延速度测算法 》 中 所总结出的数学模型， 控制蔓延速度的因子主要有 4 个： ①初始蔓延速度 Ｒ0 （ 无风时在水平面上的蔓 延速度， 取决于可燃物种类及其干燥程度 ） ； ② 可燃 物配置格局系数 Ks； ③风作用项 Kw ； ④ 地形作用项 K 。Ｒ0 与 Ks 在 当 时 当 地 条 件 下， 可近似地看作 常数。 目前， 国内比较先进并有可能业务实现的林火 蔓延速度（ Ｒ） 计算方法是王正非提出的： Ｒ = Ｒ0 K s K w / cos Ｒ0 为蔓延的初速度， Ks 为可 式中： 为地形坡度角， Kw 为风作用项系数。 燃物系数， 王正非根据大兴安岭有关材料进行回归分析， 得出林火蔓延的初始速度为： Ｒ0 = 0. 0299 T + 0. 047 W + 0. 009 （ 100 － h） － 0. 0304 T 为每天的最高气 式中： Ｒ0 为林火蔓延的初速度， W 为中午的风力 （ 级 ） ， h 为每天的最小相对湿 温， 度（ % ） 。 毛贤敏为减小理论值与实测值之间的误差， 将 Ks 和 K （ Kw / cos） 2 个参数进行拟合， 得出林火蔓 延速度的基本公式： Ｒ = Ｒ0 K s K w K = Ｒ0 × Ks × exp（ 0. 1783 V） × exp（ 3. 533 （ tan）
1. 2
）
毛贤敏通过讨论风向与地形的各种组合搭配， 推出 5 个方向的林火蔓延速度公式： 5 个蔓延方向的具体方位如图 1 ： 上坡为 OU， 下
第2 期
马 天， 等： 森林小班林火蔓延模型信息化研究
· 57·
1. 2
× exp（ 3. 533 （ tan）
）
1. 2
下坡蔓延速度： Ｒ = Ｒ0 × K s × exp （ 0. 1783 Vcos （ 180° － θ） ） × exp（ － 3. 533 （ tan） cos（ θ + 90° ） ） 右平坡蔓延速度 ： Ｒ = Ｒ 0 × K s × exp （ 0. 1783 V cos（ θ + 90° ） ） 风方向蔓延速度： Ｒ = Ｒ0 × K s × exp （ 0. 1783 V ）
中图分类号： S762. 34 ； S711 文献标识码： A 文章编号： 1671－3168 （ 2013 ） 02－0055－05
Informatization Ｒesearch on Forest Fire Spread Model of Forest Sub － compartment
M A Tian，ZHENG Jun，WANG Zhichao
收稿日期： 2013－02－28. ： “3S” 作者简介： 马天（ 1987－ ） ， 男， 黑龙江哈尔滨人， 硕士研究生。研究方向 技术在林业上的应用。
· 56· 21 世纪人类最重要的任务之一。
林业调查规划
第 38 卷
但在诸多影响森林的自然因子中， 火灾对森林 的影响和破坏最为严重。 森林一旦遭受火灾， 最直 观的危害是烧死或烧伤林木， 一方面使森林蓄积下 降， 另一方面也使森林生长受到严重影响 ； 森林火灾 或者由于火干扰后， 改 能烧毁珍贵的林下野生植物， 变其生存环境， 使其数量显著下降， 甚至使某些种类 灭绝； 森林遭受火灾后， 会破坏野生动物赖以生存的 环境， 有时甚至直接烧死、 烧伤野生动物， 由于火灾 等造成的森林破坏， 不少野生动物种类已经灭绝或 ； “ 处于濒危 森林素有 绿色水库 ” 之美称， 当森林火 灾过后这种功能会显著减弱， 严重时甚至会消失， 不 还会引起山洪暴发、 泥石流等自 仅会引起水土流失， 然灾害； 森林火灾后的黑色物质 （ 灰分等 ） 大量吸收 太阳能， 使得下游河流水温升高， 千万鱼类容易染 病， 特别是在冷水中生存的鱼类， 火烧后常常大量死 亡； 森林燃烧会产生大量的烟雾， 其主要成分为二氧 这两类物质约占所有烟雾成分的 化碳和水 蒸 汽， 90% ～ 95% ， 还会产生一氧化碳、 碳氢化合物、 碳化 氮氧化物及微粒物质， 约占 10% ～ 5% ， 都将危 物、 害人类身体健康及野生动物的生存 。森林火灾常造 成人员伤亡， 全世界每年由于森林火灾导致千余人 死亡。 因此森林防火工作是中国防灾减灾工作的重要 组成部分， 是国家公共应急体系建设的重要内容 ， 是 社会稳定和人民安居乐业的重要保障， 是加快林业 发展， 加强生态建设的基础和前提， 事关森林资源和 生态安全， 事关人民群众生命财产安全， 事关改革发 展稳定的大局。预防森林火灾的发生， 就要了解森 林火灾发生的规律， 采取行政、 法律、 经济相结合的 办法， 运用科学技术手段， 最大限度地减少火灾发生 次数。扑救森林火灾， 就要了解森林火灾燃烧的规 建立严密的应急机制和强有力的指挥系统 ， 组织 律， 运用有效、 科学的方法和先进 训练有素的扑火队伍， 的扑火设 备 及 时 进 行 扑 救， 最大限度地减少火灾 损失。 针对我国森林小班林火蔓延模型信息化基础研 究较薄弱的现状， 以定量描述和分析小班林火蔓延 为目的， 在林业技术， 地理信息系统技术， 空间数学 ， 模型技术 以及计算机信息等技术的支持下 ， 以王正 非和毛贤敏 2 位教授的林火蔓延模型为基础， 建立 基于八叉树理论的小班林火蔓延的数学模型 ， 实现 小班林火蔓延的可视化模拟， 揭示森林小班尺度的 林火发生蔓延机理和过程， 应用优化的林火蔓延模
1. 2 × exp｛ 3. 533［ tan（ × cosθ） ］ ）｝
）
左平坡蔓延速度 ： Ｒ = Ｒ 0 × K s × exp （ 0. 1783 V
（ θ = 0° ～ 90° 或 270° ～ 360° ） Ｒ = Ｒ0 × K s × exp（ 0. 1783 V × exp｛ － 3. 533