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时空信息学报丨森林火灾应急救援情景演化Web三维模拟——以四川省西昌市泸山“3.30”森林火灾为例
2024-11-2873

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#时空信息学报

《时空信息学报》是由自然资源部主管,国家基础地理信息中心、中国地理信息产业协会、黑龙江测绘地理信息局共同主办的中文学术期刊,双月刊。为分享最新研究成果,搭建学术交流平台,中国地理信息产业协会公众号开设“时空信息学报”专栏,独家刊载《时空信息学报》论文,供广大读者研阅。11月1日起,陆续刊发2024年第4期的10篇论文。欢迎产学研用各界关注、分享!

森林火灾应急救援情景演化Web三维模拟——以四川省西昌市泸山“3.30”森林火灾为例


韩超然1, 李霖1,2,3,4,任福1,2,3,4


1. 武汉大学 资源与环境科学学院,武汉 430079
2. 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室,武汉430079
3. 自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室,武汉430079
4. 地球空间信息技术协同创新中心,武汉430079


摘  要:目前大多数森林火灾信息系统局限于对林火要素的单一模拟,对森林火灾应急响应情景演化过程进行综合性表达的系统较少。本文构建基于知识元和元胞自动机的多要素、多事件情景演化模型,采用Cesium创建森林火灾应急救援情景演化模拟的三维地理信息系统;通过四川泸山3.30森林火灾的实际应用案例验证可行性和有效性。结果表明:系统模型能够较准确地模拟林火扩散范围;系统模拟1 h林火扩散并可视化所需时间约为10 s,手动修正火灾扩散范围更新速度快于5 s/次;系统可以清晰地模拟森林火灾中火焰扩散、地面扑火、隔离带开辟、飞机扑火等过程中各要素的动态变化研究成果可为森林火灾灭火救援工作提供决策支持,有助于提高森林火灾应急救援能力,减少火灾对环境和经济造成的损失。

关键词:森林火灾;情景演化;应急救援;三维GISWebGISCesium;元胞自动机;知识元

引用格式:韩超然, 李霖, 任福. 2024. 森林火灾应急救援情景演化Web三维模拟——以四川省西昌市泸山“3.30”森林火灾为例. 时空信息学报, 31(4): 541-552

Han C R, Li L, Ren F. 2024. Web-based 3D simulation of the emergency rescue scenario evolution for forest firesA case study of the “3.30” forest fire in Lushan, Xichang City, Sichuan Province. Journal of Spatio-temporal Information, 31(4): 541-552, doi: 10.20117/ j.jsti.202404006


1  引  言

森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害,较大规模的森林火灾扑灭时长可能持续几天甚至数十天,火灾现场条件复杂火情变化快,需要时间精确的应急救援指挥。我国实现森林防火智慧监测体系建设,需要完善天–空–地一体化同步监测,集成气象卫星、物联网、视频监控等多种数据源(程子岳,2022),实现对多种要素的实时监测。山坡坡度、坡向等地形要素植被类型密度的空间分布对森林火灾火焰蔓延速度方向、扑火队伍救援行进路线等影响大。传统的二维地理信息系统geographicinformation systemGIS无法较好地表达火灾中各要素垂直方向的空间关系,有必要以三维形式全面直观地呈现火灾地形环境和应急救援活动。
针对自然灾害情景演化的研究较为丰富。知识元模型在情景要素属性和关联的表达中使用较多(张承伟等,2012;王宁和刘海园,2016。网络模型在情景推演中应用较多,如贝叶斯网络(夏登友等,2015;李思宇等,2023、随机网络(王循庆等,2014、区域承灾体关联网络(郄子君,2018等。这类模型以节点和边连接的网络形式进行情景演变模拟,主要预测事件间的因果关系和相互概率影响。但网状结构在表达事件随时间的演变上相于线性结构来说不直观,而且在时间跨度较长时间分辨率高时建立的定量模型非常复杂。元胞自动机cellular automataCA可以模拟空间上连续分布的单一变量随时间的扩散变化,能够简单直观表达情景要素在空间上的快速变动,在火灾情景建模中使用较多(杨福龙等,2016)。
对森林火灾三维可视化表达的研究也不少。吴瑞旭等(2018)使用ArcGIS和基于DEM栅格的CA林火蔓延算法,构建了动态模拟林火蔓延过程的可视化系统。郭昭滨和王洪昌(2018)基于SuperMap Object.NET在黑龙江省森林扑火指挥系统中集成了三维态势标绘功能。张全文等(2021)运用ArcSDE引擎实现基于CA、王正非模型与毛贤敏模型的高原林火蔓延三维可视化。上述研究使用的林火扩散理论模型主要为王正非模型和毛贤敏模型等,通过理论模型结合各类环境因子计算火焰蔓延速度,再基于CA模型模拟林火在一定时间和区域内的扩散过程。现有森林火灾三维可视化大多以表示火焰蔓延的区域和速度为主,而基于森林火灾应急救援情景演化的可视化表达偏少,缺乏对致灾因子、受灾体、孕灾环境、抗灾体进行整体性、系统性的综合情景表达体系。尚未有研究针对森林火灾应急救援情景建立全面的知识元模型。另外,目前森林火灾模拟系统以C/S架构为主,需要在客户端主机上存储安装软件,占用空间较大,且以基于商业GIS软件包如ArcGISSuperMap等进行二次开发为主,应用成本较高,较少使用开源软件资源吴瑞旭2021郭昭滨和王洪昌,2018)。B/S架构系统将数据存储和较复杂的计算处理放置在服务器端进行,用户通过浏览器即可访问,使用更加灵活。B/S架构已被越来越多地用于构建面向各行业不同应用领域的GIS,如自然灾害综合数据管理GIS(何伟和王海,2024)、森林资源GIS(刘亚克等,2024)、洪灾模拟GIS(张涛等,2023)、毒气扩散应急模拟GIS(刘振华等,2021)等,但在森林火灾模拟中应用较少。
综上所述,本文基于知识元模型和CA模型,构建综合多要素、多事件的森林火灾应急救援情景演化时间线模型,模拟不同地形和气象条件下的林火蔓延现象,以及扑火队、扑火飞机、隔离带等应灾体要素对林火的影响,全面表达森林火灾应急救援过程并研究基于开源的Web三维可视化引擎Cesium的森林火灾情景演化三维模拟方法,构建森林火灾应急救援情景演化WebGIS

2  森林火灾情景建模
2.1 森林火灾应急救援事件子情景
情景演化常用于描述和研究非常规突发事件,即前兆不充分、具有明显的复杂性特征和潜在次生衍生危害,破坏性严重,采用常规管理方式难以应对处置的突发事件(韩智勇等,2009)。一场重大森林火灾即可视为非常规突发事件。情景是对事件向未来发展一系列状态描述,既包含某个时间点上要素的状态集合,也包含时空约束下要素自身与要素之间关系及其变化趋势的描述。因此,情景可看作一种对现实物质世界中发生的造成一定影响的具体事件的抽象。情景要素是情景的重要构成单元,体现情景的主要特征,是情景演化的内在决定因素,是对参与到事件中的人、物等因素的抽象。情景演化是情景要素和众多影响因素共同作用的结果。一个情景中部分关联紧密要素相互作用形成可相对独立描述的子情景,如扑火队开辟一条隔离带是森林火灾应急救援情景的一个子情景。子情景包含要素是情景全部要素的子集。
考已有相关研究(李滨希,2020;白夜等,2022;王亚荣等,2023),本文对森林火灾应急救援情景中常见情景进行了归纳总结,按照主要变化要素将其分为致灾因子变化、抗灾体变化、承灾体变化三类,如图1所示

2.2  知识元模型构建
知识元是关于某一客观事物类的基本概念和属性特征及其关系的一种抽象表述,擅长表示离散性、关联性高的知识(陈波等,2021)。知识元模型K由框架模型Km、属性模型Ka和关系模型Kr组成(王宁和刘海园,2016):

M所有知识元框架的集合A所有知识元属性的集合R所有属性间关系的集合Nm知识元所对应事物的名称和概念Am事物的定量或定性属性集合Rm事物属性间的相互关系集合;pa为事物属性值;da为属性值量纲;fa为属性的时变函数,仅当属性可测且随时间变化时不为空;pr为映射关系类型,如线性、非线性、逻辑等;为关系输入属性状态集为关系输出属性状态集fr为关系的具体映射函数。

通过知识元模型可以表达森林火灾情景要素和事件随时间的定量变化过程。本文构建的森林火灾知识元及其属性1所示

2.3  栅格元胞模型支持的林火情景演化模拟

借鉴白夜和杨福龙(2015)中的方法,本文在元胞模拟单一林火蔓延现象的基础上增加了扑火、开辟隔离带等应灾活动对火焰元胞的影响。为便于进行知识元属性的定量计算和一致性可视化表达,建立火场的元胞栅格模型,栅格空间分辨率为30 m,即将二维空间划分为边长30 m正方形元胞。所有具备空间位置属性的知识元空间经纬度坐标将统一映射为火场栅格的元胞坐标。坐标以栅格左上角为原点,向右为x轴方向,向下为y轴方向,坐标索引从0开始,每个元胞具有索引坐标对(i,j),可转化为以经纬度或米为单位的坐标对(x,y)。构建知识元时,将致灾因子视为具备一定燃烧状态、燃烧速度、已燃烧面积的火焰元胞单元,将承灾体视为具备一定高程、坡度、地表覆盖、可燃物载荷的地表元胞单元。元胞更新时间分辨率为1 min。基于元胞模型进行林火情景演化模拟过程见图2,模拟计算所需的知识元推理规则集见表2。

1)火场环境初始化

在火场环境初始化阶段,基于火场栅格范围生成承载体元胞图层:数字高程模型(digital elevation model,DEM)层、地表覆盖类型层、植被层。DEM层元胞存储元胞高程E;地表覆盖类型层存储元胞地表类型LC;植被层存储元胞位置的归一化植被指数值NDVI。天气要素作为孕灾环境可选图层输入,包括风向、风速、温度和相对湿度。由于小范围天气局部数据相对难以测量,可假设火场中这些环境参数是均匀的,并输入预设的数值由所有元胞共用。如果需要更精确的模拟,可以通过火场局部点实测值进行插值获得这些参数的图层。同时生成存储火焰单元燃烧状态S、已燃烧面积比率A、已燃烧时间tof的三个图层。若某元胞处的地表类型属于不可燃类(水体、裸地和人工建筑),则燃烧状态S值恒为0,即不可燃;否则初始状态设为1,即未燃烧。设定起火点坐标,将起火点处元胞设为完全燃烧。

2)林火蔓延模拟

依次计算每个元胞受周围8域元胞火焰蔓延的影响而增加的燃烧面积,元胞属性每分钟迭代一次,更新火焰单元燃烧状态,计算方法见表2中的推理规则。只有处于完全燃烧状态的元胞火焰会向周围元胞蔓延。完全燃烧一定时间后的元胞会自动变为已燃烧熄灭状态。在林火蔓延模拟过程中,可以随时调整各属性参数值,并可根据火场实际观测范围手动修正燃烧范围。手动修正通过编辑闭合矢量多边形来实现,将多边形边缘位置的元胞设置为完全燃烧状态S=3,而多边形内部的元胞则标记为已燃烧熄灭状态S=4。

3)应灾交互模拟
对地面扑火、空中扑火、隔离带开辟、人员救援和撤退等子情景进行时空定量表达。
地面扑火和空中扑火事件效果的计算均通过作用于火焰元胞属性实现:对于燃烧中元胞(包括已完全燃烧和未完全燃烧元胞),减少其燃烧面积;若燃烧中的元胞受扑火影响后燃烧面积降为0,则元胞燃烧状态为已熄灭,不会再次燃烧。计算公见表2规则r6。扑火区域的确定方法有两种:定位点邻域。扑火队携带定位设备坐标对应栅格元胞周围生成若干元胞带宽的邻域(默认1元胞带宽,相邻8个元胞为邻域)。多边形扑火区。手动绘制火场范围内多边形,多边形中的元胞在设定时间内都会受扑火影响。扑火队灭火速度Ve、飞机灭火速度Vair由系统用户根据经验和火灾现场具体情况自定义。
隔离带通过将相应位置的元胞设为不可燃来表示。手动绘制隔离带矢量折线,隔离带一侧完全燃烧的元胞火焰不会扩散到另一侧,能够在林火扩散模拟时实现隔离带的阻燃效果。
对于人员救援和撤退,实现基于元胞栅格的最优路径分析,设定救援队伍出发的起点和待救援人员所在的终点位置,使用考虑山地坡度和植被密度的A*算法(张朝胤,2023进行两点间最优路径计算。将栅格元胞视为图的节点,在节点间建立边。引入了坡度和NDVI权重因子,植被越茂盛、坡度越大,人员行进难度越大,加权后距离越大。为使救援队安全便捷地抵达目的地,规划时应避开陡峭斜坡和剧烈燃烧的区域。根据行进方向角和山坡坡向的夹角来判断是上坡还是下坡,如果行进方向为下坡且坡度大于35°,路线200 m内存在上坡方向扩散火线,则发生爆燃的可能性高,火线附近一定邻域范围栅格被标记为高危区域,在规划路线时将其排除。
2.4  情景要素的时间对齐与序列构建
在森林火灾应急救援过程中,各要素紧密关联且快速变动,需要表达大量的运动数据。时间线是一条具有方向标示的线段,可以表示运动对象按时间顺序依次经过停驻点的过程,能够较为清晰地表达运动对象在单位时间里的运动特征(同彦霖,2014)。本文在构建森林火灾应急救援知识元模型的基础上建立情景演化时间线。将一场火灾过程看作是有起始和结束的、随连续的线性时间不断发展变化的、中间存在若干关键节点的完整情景。时间线由时间节点和时间段组成,时间节点表示情景中的时刻,记录火灾中某个关键瞬间当前所有要素知识元的状态,在时间线上用点表示,要素属性在该点是静态不变的。节点与节点之间由时间段连接,表示情景中从一个时刻到另一时刻的连续过程变化,在时间线上用线段表示,要素属性是动态变化的。
创建情景演化时间线节点的方法分为两种,即自动检测要素状态关键变化创建节点、自定义节点。如果事件集合内部事件数量改变或要素集合内部要素数量改变(事件开始或结束、要素加入或退出情景,Nm集合发生变动)、性质改变(属性集合Am内部元素数量变化或属性间相互作用函数fr改变),则在改变发生的时刻自动记录关键节点,如防火指挥部指派扑火队去往指定地点进行扑火任务,任务下达后事件集合检测到增加扑火任务新事件,自动添加起始节点,成功完成任务目标后在系统中记录事件结束,集合中事件数量减少,自动添加终止节点。自定义节点则是事件集合和要素集合及内部元素都没有明显变化,但属于人为规定的其他重要节点。
每个要素、每个事件都有自身的时间线,为情景主时间线的子集。对于知识元要素m和节点node,如果m中某个属性a的变化是导致节点node被记录的原因,则该节点node加入知识元要素自身的时间线TLm。将要素和事件时间线绘制在主时间线下方,如图3所示,构成多要素多任务并行时间线。通过并行时间线,可以全面直观地掌握火场要素和事件的综合变化与交互状态,能够清晰看到单个事件持续的时间长短,并可以明确多个事件的重叠时间。

2.5  三维可视化
森林火灾情景三维可视化设计需要满足清晰、简明、直观的要求,重点在于展示火灾中各要素在三维空间中的动态变化和相互作用。三维场景中的不同符号要易于分辨,大小、形状、颜色能为系统用户带来舒适的视觉体验。同时,符号设计尽可能满足相关国家标准。《突发事件应急标绘符号规范》(GB/T 35649—2017;下文简称《规范》)中规定了自然灾害等突发事件的点、线、面可视化地图符号规范,突发事件(灾害事件)、危险源、防护目标、应急保障资源分别使用红色、黄色、蓝色、绿色符号。应急机构、人力资源、物资储备、避难场所、隔离线、疏通道路、救援行进路线、灾民撤退路线、事故蔓延区域等要素的表达也参考《规范》中示例进行设计。考虑到三维场景便于用户从不同的尺度、视角进行观测,需要对三维电子地图进行频繁的比例尺缩放操作,于是对每种要素设计了大、小两种尺度的可视化符号大比例尺的符号为三维模型,如人物、飞机、房屋模型小比例尺的符号为简单直观的二维点状、线状或图标符号。使用Cesium粒子系统模拟火焰、烟雾和雨雪天气效果。使用Cesium中的Model类创建三维模型符号,将gltf格式的三维模型在Cesium三维电子地图中显示。使用Entity类创建点、线、面符号和文字注记。因Cesium中栅格数据格式可视化需要WMS发布后导入显示,不便于数据的频繁更新,使用Entity的点状符号point属性生成离散点阵列模拟栅格元胞显示火焰元胞燃烧状态图层,可以清晰地表示林火燃烧范围。

3  森林火灾情景演化系统构建
3.1  系统架构
构建三维WebGIS以实现森林火灾情景模拟,系统前端使用Vue3框架和Cesium三维可视化库,后端使用Spring Boot 3框架搭建,并使用GDAL库进行栅格、矢量空间数据计算与处理,数据库使用PostgreSQL

系统将时间序列进行可视化,实现时间线和三维地图的数图联动、文图联动。时间线在界面下方显示,点击添加节点按钮可添加自定义节点。时间线的当前时刻指针指向现实中当下时刻位置,浏览时刻指针指向系统地图界面正在浏览的节点或时间段位置。点击节点,可以显示节点属性界面点击节点间的时间线,可以显示时间线属性界面,并能以文本和数值的形式查看此刻的要素知识元属性和交互事件状态,同时在三维地图界面中显示要素的位置和状态。系统界面4所示

3.2  实验案例及数据

2020330日四川省西昌市泸山森林火灾为例,对火灾中关键节点事件进行表达。西昌市位于101°46′~102°25′ E27°32′~28°10′ N,地处热带高原季风气候区,拥有森林14.89hm2森林覆盖率达51.69%2020330日,当地前一周内降水量较小、气温较高、空气干燥,火险等级高。202033015时,西昌市泸山发生森林火灾,火场周边涉及36家单位,3个乡(镇、街道),10个村(社区)2145户。疏散人员超过1人。截至20204210:30,已投入扑火队伍3600余人,消防直升机参与灭火。此次森林火灾过火面积超过1000 hm2,毁坏面积超过80 hm2(李滨希,2020)。

从四川测绘地理信息局获取根据遥感影像提取的202033017:00~3100:00每小时林火燃烧范围数据。系统中使用的DEM 数据为STRM 30 m空间分辨率数据。地表覆盖数据使用中国科学院空天信息创新研究院的全球30 m地表覆盖精细分类产品V1.0Liu等,2021、清华大学201710 m分辨率全球地表覆盖数据集(Gong等,2019洲空间European Space AgencyESAWorldCover 2020产品(Zanaga等,2021)。NDVI 30 m分辨率数据通过Google Earth Engine平台获取20193Landsat 8 30 m遥感影像数据计算得到。温度、湿度、风速等历史气象数据来自中国气象数据网。调用天地图API遥感影像底图和注记作为三维地图底图。扑火队、救援队、扑火直升机等要素的相关应灾活动数据来自相关研究(魏庆和郑礼军2020;李滨希,2020和新闻报道。

3.3  系统功能验证

从2020年3月30日15:35火灾发生开始模拟。元胞状态迭代步长为1 min,模拟林火蔓延区域随时间的变化,与2020年“3.30”西昌市森林火灾不同时段火灾实际燃烧范围遥感数据进行比较。加入每小时燃烧范围手动修正模型和扑火交互的模拟燃烧范围与实际燃烧范围的对比如图5所示,实际和模拟燃烧过火面积对比,以及两者重叠部分(即正确模拟过火面积)占实际燃烧面积的百分比如表3所示。可以看出,模型能够较准确地模拟林火扩散过程,局部区域存在一定误差,可通过实时手动修正完善。

经测试,系统模拟1 h林火扩散并可视化所需时间在10 s左右,系统的手动修正火灾扩散范围更新速度快于5 s/次,满足一般火灾现场实时指挥的需求。 

结合“3.30”西昌泸山火灾实际情况,选取了火焰扩散、扑火队扑火、飞机扑火、扑火队开辟隔离带、救援路径规划等重要事件进行三维可视化表达,可以看到系统能够明确清晰地展示森林火灾应急救援要素的动态变化过程,如图6~8所示。


4  结  论

文建立了结合知识元和栅格元胞的森林火灾情景演化模型,构建了森林火灾情景演化时间序列,在此基础上构建了WebGIS进行三维可视化模拟。系统的设计充分考虑了用户体验和实际操作需求,采用B/S架构,用户通过浏览器即可访问,操作简便,响应迅速,信息展示直观,便于用户快速把握火场态势和救援进展。此外,系统还具备手动修正功能,能够根据实时观测数据对模拟结果进行微调,提高了模拟精度。模型可较准确地模拟林火扩散情况和火灾救援中的多要素交互过程,能够为森林火灾应急救援指挥和灾后情景复盘总结提供辅助,弥补了当前三维森林火灾应急救援模拟多要素综合的不足,有助于提高森林火灾防控能力。
然而,目前模拟中使用的实际案例仅有西昌泸山“3.30”火灾一例,对于不同地形地貌气候环境下的野外火灾模拟尚且欠缺一定普适性,未来将进一步优化系统功能,扩展应用范围,并结合更多实际案例进行验证和完善,以期达到更高的模拟精度和应用价值。同时,也将探索系统在各地区不同环境下的普适性,为森林火灾防控工作提供更加全面和深入的技术支持。

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来源:《时空信息学报》2024年第4期



编辑:李   娟
审核:余   青
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