1.3.3　林火蔓延的計(jì)算機(jī)模擬

林火蔓延和建模的主要目的是滿足日常林火管理和預(yù)測(cè)、撲救，建立面向日常林火管理的計(jì)算工具或信息系統(tǒng)。林火蔓延的計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)被研究幾十年了。在最近20年，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多林火蔓延模擬和管理信息系統(tǒng)。其中包括能集成GIS的各種軟件和不能集成的軟件。前者由美國(guó)USDA開發(fā)的FARSITE林火管理系統(tǒng)最為典型;后者，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局率先開發(fā)了BEHAVE第1版。BEHAVE軟件(改版后的界面更加友好)通過輸入可燃物和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可輸出地表火蔓延速率和火線強(qiáng)度。隨之，加拿大、歐盟(德國(guó))、美國(guó)和澳大利亞等建立了類似的工具。我國(guó)的宋衛(wèi)國(guó)等改進(jìn)了BEHAVE。而且，目前許多地理信息系統(tǒng)公司如ESRI公司、Leica公司等開發(fā)的軟件均提供了相應(yīng)的語言讓用戶自己建模并開發(fā)相應(yīng)的工具。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)林火行為的深入，出現(xiàn)了大量的林火蔓延模擬技術(shù)，并由二維模擬仿真技術(shù)發(fā)展到三維仿真技術(shù)，許多國(guó)家研制了林火模擬和管理地理信息系統(tǒng)。三維模擬技術(shù)是最近發(fā)展起來的林火蔓延模擬技術(shù)，目前這種技術(shù)具有較大困難，屬于起步階段，和二維模擬仿真技術(shù)相比，它的主要優(yōu)點(diǎn)只是構(gòu)建一個(gè)虛擬的林火蔓延模擬環(huán)境，使計(jì)算機(jī)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能及時(shí)提供更加逼真、信息豐富的火場(chǎng)預(yù)測(cè)信息。對(duì)于林火撲救和預(yù)測(cè)需要的火場(chǎng)狀況和火勢(shì)狀況，二維模擬仿真技術(shù)已能滿足需要。

二維的林火蔓延模擬將復(fù)雜的多維自然現(xiàn)象抽象為平面問題，提供給用戶所需的直觀、簡(jiǎn)潔的信息。目前，其和GIS結(jié)合的發(fā)展方向主要有基于柵格的模擬和基于矢量的模擬兩種，前者主要是基于元胞自動(dòng)機(jī)的模擬，后者主要是基于Huygens原理的模擬。

(1)元胞自動(dòng)機(jī)模擬林火蔓延

元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，CA)模型，開始被Von Neumann引進(jìn)，已經(jīng)被成功用來模擬物理系統(tǒng)和過程。它是定義在一個(gè)具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上的，按照一定局部規(guī)則，在離散的時(shí)間維上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。它由元胞(Cell)、元胞空間(Lattice)、鄰域(Neighbor)、規(guī)則(Rule)、狀態(tài)、時(shí)間構(gòu)成。它的主要特點(diǎn)是在時(shí)間上和空間上的離散化，狀態(tài)離散有限，同步計(jì)算(并行性)、時(shí)空局限性、維數(shù)高、同質(zhì)性、齊性。它可以將復(fù)雜的地理現(xiàn)象離散化，達(dá)到動(dòng)態(tài)模擬的目的，在林火蔓延預(yù)測(cè)中有良好的應(yīng)用前景，并且很適合于與GIS技術(shù)結(jié)合解決問題。目前，仍處于研究探索階段。

近幾年，林火蔓延CA模型的元胞常用的是正方形。每個(gè)單元被賦予一個(gè)林火蔓延速率，該值由此單元格中心點(diǎn)的速率為代表，決定此單元被完全燃燒所需要的時(shí)間。由于以隨機(jī)方程為基礎(chǔ)的局部規(guī)則模擬效果差，研究學(xué)者試圖通過改進(jìn)局部規(guī)則、相鄰單元、時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格劃分等方面來提高林火模擬效果。固定的數(shù)量有規(guī)律地運(yùn)行，出現(xiàn)火形狀的幾何變形。在林火蔓延計(jì)算中，通過增加鄰近元胞的數(shù)量來減少變形。針對(duì)傳統(tǒng)CA模擬仿真存在計(jì)算費(fèi)時(shí)且元胞大小固定造成效率低下等，Barros對(duì)傳統(tǒng)的CA進(jìn)行了改進(jìn)，通過動(dòng)態(tài)改變CA的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)并只計(jì)算和刷新林火蔓延區(qū)域范圍內(nèi)單元的方法，提高了CA模擬林火的能力。最近，出現(xiàn)了采用離散事件的D.E.V.S或CELL-D.E.V.S.形式進(jìn)行林火蔓延建模。

在國(guó)內(nèi)，宋衛(wèi)國(guó)等用元胞自動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建一個(gè)布爾型的網(wǎng)格來研究整數(shù)型森林火災(zāi)模型的自組織臨界性;黃華國(guó)等最近提出了一個(gè)三維曲面的元胞自動(dòng)機(jī)模型，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，更形象地模擬林火;唐曉燕等提出了基于柵格結(jié)構(gòu)的林火蔓延模型相關(guān)研究。

(2)基于Huygens原理的模擬仿真

最初的矢量模型假定林火在未知的、均一的可燃物上，依據(jù)定義好的蔓延法則蔓延，蔓延形狀為標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀如橢圓形。如果燃燒條件是均一的，能使用一個(gè)簡(jiǎn)單的形狀來估計(jì)林火形狀大小、面積和周長(zhǎng)，當(dāng)遇上小面積的改變時(shí)使用不規(guī)則碎片形。這個(gè)模型具有一定的局限性。后來出現(xiàn)了更復(fù)雜的矢量模型——基于Huygens的波動(dòng)原理模型。這個(gè)原理假定一個(gè)波能從它的外邊緣的節(jié)點(diǎn)開始蔓延，作為更小蔓延的獨(dú)立火源，來解決在一定時(shí)間內(nèi)火頭的位置問題。通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)蔓延方向、蔓延速率等信息得到節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)間步長(zhǎng)位置得到過火面積。

近幾年，用Huygens原理模擬林火蔓延取得了極大成功。Huygens原理始于17世紀(jì)，起初是由荷蘭的科學(xué)家用來描述光波的，后來開始被人們用來進(jìn)行林火蔓延模擬。1990年，Richards提出了一個(gè)用Huygens原理模擬林火蔓延較成熟的模型。該模型解決了蔓延周邊上的頂點(diǎn)在下一時(shí)間步長(zhǎng)的蔓延速度和方向及頂點(diǎn)上橢圓形方向的前火頭、側(cè)火頭和后火頭的尺寸問題。1986年，F(xiàn)ARSITE林火計(jì)算系統(tǒng)改進(jìn)了Richards模型，即用動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)取代恒定步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)林火的蔓延計(jì)算。1995年，Richards對(duì)模型簡(jiǎn)化并擴(kuò)展了林火蔓延的形狀(如雙紐線和雙橢圓形等)。FARSITE依據(jù)Rothermel的最初林火蔓延模型，描述了不同的地形、可燃物、天氣狀況下的林火的時(shí)空蔓延，已被很多決策者使用。但是，F(xiàn)ARSITE包含一系列的限制和假設(shè)(如同質(zhì)可燃物、林火蔓延的橢圓形狀)，除此之外，它使用了簡(jiǎn)單的天氣和風(fēng)輸入。這些限制就影響了模擬的精度，特別是在復(fù)雜險(xiǎn)峻的地形上模擬效果相對(duì)較差。

(3)元胞自動(dòng)機(jī)模擬和Huygens原理模擬比較

①前者考慮的是局部規(guī)律，后者更傾向宏觀作用

元胞自動(dòng)機(jī)只考慮元胞之間的局部作用，而沒有考慮元胞空間的宏觀作用，因而忽略了現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的宏觀作用因素;元胞自動(dòng)機(jī)的因素層過于單一，元胞狀態(tài)的變化取決于自身和鄰域元胞的狀態(tài)組合，從而忽略了其他因素的影響，標(biāo)準(zhǔn)元胞自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換規(guī)則是確定性的，而現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的行為并非是確定性的，通常表現(xiàn)為某種傾向和可能性。合理的規(guī)則是模型效果的關(guān)鍵，在元胞自動(dòng)機(jī)模型中，規(guī)則是針對(duì)抽象空間劃分單元的，反映了單元間局部的相互作用。此局部規(guī)則與傳統(tǒng)的宏觀規(guī)律，既有聯(lián)系，又存在差別，而且找到一個(gè)確定性的規(guī)則的難度相當(dāng)大。所以，使得真實(shí)性成為人們對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)的最大質(zhì)疑。

Huygens原理從宏觀出發(fā)，通過結(jié)合已經(jīng)成熟的林火蔓延模型來計(jì)算林火的蔓延速率和方向。林火蔓延模型是在各種簡(jiǎn)化的條件下，進(jìn)行數(shù)學(xué)上的處理，導(dǎo)出林火行為(蔓延速度)與各種參數(shù)(如可燃物的理化性質(zhì)、地形、氣象因子等)間的定量關(guān)系式，使人們可以利用這些關(guān)系式去預(yù)測(cè)要發(fā)生的林火形為，利用它去指導(dǎo)撲火工作，以及日常的林火管理。以前林火蔓延預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)各種參數(shù)復(fù)雜、數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算復(fù)雜繁瑣，不能滿足林火蔓延的實(shí)效性問題。但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型的完美結(jié)合，成功解決了這個(gè)問題。雖然林火蔓延具有復(fù)雜性、混沌性、隨機(jī)性和自組織性，是不能通過某種確定的數(shù)學(xué)公式就可以描述清楚的，而現(xiàn)有林火蔓延模型多是從整體出發(fā)的研究思路，很難解釋蔓延的內(nèi)在規(guī)律。但是，目前，在真實(shí)性上Huygens原理更具說服力。

②前者是基于柵格的，后者是基于矢量的

元胞自動(dòng)機(jī)是建立在離散、規(guī)則的空間劃分基礎(chǔ)上的，合理的空間分辨率起著平衡離散性和連續(xù)性的橋梁作用。目前，在多種地理實(shí)體共存的系統(tǒng)中，不同的實(shí)體有著不同的空間尺度，如何確定一個(gè)統(tǒng)一的空間分辨率，對(duì)于元胞自動(dòng)機(jī)建模非常困難，如混合像元的出現(xiàn)，不同的空間分辨率下，地理系統(tǒng)單元所表現(xiàn)出的規(guī)律也有所不同。

Huygens原理假設(shè)地表是連續(xù)變換的，其蔓延點(diǎn)的信息提取是唯一的，不會(huì)出現(xiàn)混合像元的問題。

③前者很難處理時(shí)間對(duì)應(yīng)問題，后者相對(duì)簡(jiǎn)單

在元胞自動(dòng)機(jī)中，時(shí)間是一個(gè)抽象的概念，從模型中的T時(shí)刻到T+1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間單位不明確，而不同元胞在不同狀態(tài)下持續(xù)的時(shí)間也很難確定。目前，問題集中體現(xiàn)在速度的計(jì)算上，比如，隨著風(fēng)速的增大，林火蔓延速度變化并不顯著，會(huì)出現(xiàn)一種飽和現(xiàn)象，即林火蔓延速度很快就達(dá)到最大值?？傊?，當(dāng)燃燒環(huán)境異質(zhì)性增強(qiáng)時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬的林火形狀和蔓延模式與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，而且很難處理時(shí)間變化對(duì)林火蔓延的影響，如風(fēng)速、風(fēng)向、燃料濕度的變化。

使用Huygens原理可以避免元胞模型的那些問題。這里在定義的時(shí)間步長(zhǎng)上，蔓延模型定義為火頭連續(xù)蔓延的多邊形。本質(zhì)上它是元胞自動(dòng)機(jī)的反面。林火多邊形定義為一系列的二維節(jié)點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移，林火的面積擴(kuò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加。

④前者沒有定義林火的蔓延形狀，后者假定林火蔓延有一定的形狀

元胞自動(dòng)機(jī)沒有定義林火的蔓延形狀，所以能解釋各種情況的林火蔓延。

Huygens原理假設(shè)在均一條件下，二維的林火形狀大體上是橢圓形的。均一的條件指影響林火行為的因子(可燃物，天氣，地形)在時(shí)空上是連續(xù)的，盡管那些條件在自然界很少出現(xiàn)。林火蔓延最簡(jiǎn)單的是單一的橢圓形，直接使用數(shù)學(xué)方法計(jì)算林火蔓延的周長(zhǎng)、面積或其他林火行為參數(shù)。在相對(duì)均一的樣地條件下觀察得出林火的形狀從粗糙的鴨蛋形逐漸向扇子形變化，根據(jù)林火的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，那些變化可能由于環(huán)境或內(nèi)在的蔓延條件的變化。然而，Richards發(fā)現(xiàn)這些變化不能在數(shù)學(xué)上用簡(jiǎn)單的風(fēng)速或方向的變化解釋。Green等得出簡(jiǎn)單的橢圓形和其他形狀一樣能適合觀測(cè)的林火生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。不管正確的形狀是什么(如果存在一個(gè)簡(jiǎn)單的形狀)，本質(zhì)上，林火的變化隨風(fēng)速、坡度合力的變化而變化。如假定林火形狀是橢圓的，林火在其他方向的蔓延可由橢圓的數(shù)學(xué)屬性和火頭的速率來推算，最普遍的假設(shè)是起火點(diǎn)和火尾的焦點(diǎn)是一致的。盡管不一定正確，但提供了火尾可能的蔓延速率。

綜上所述，元胞自動(dòng)機(jī)和Huygens原理在林火蔓延動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)用上各有特點(diǎn)，不能說哪個(gè)更有優(yōu)勢(shì)。但是，選擇Huygens原理在真實(shí)性上更具說服力，且能簡(jiǎn)單處理時(shí)間步長(zhǎng)，能很好地結(jié)合已經(jīng)存在的林火行為模型，包括地表火、樹冠火、飛火、點(diǎn)火源的加速和燃料濕度。對(duì)于開發(fā)不同林火行為模型間的關(guān)系非常有用、對(duì)于林火蔓延假設(shè)的暗示有啟迪作用，對(duì)不同模型間缺失元素的識(shí)別有重大意義。