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韩超然1, 李霖1,2,3,4,任福1,2,3,4
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;通过四川省泸山“3.30”森林火灾的实际应用案例验证了可行性和有效性。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GIS;WebGIS;Cesium;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 fires—A 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
其中,M为所有知识元框架的集合;A为所有知识元属性的集合;R为所有属性间关系的集合;Nm为知识元所对应事物的名称和概念;Am为事物的定量或定性属性集合;Rm为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。
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个邻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。
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;点击节点之间的时间线,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。系统界面如图4所示。
3.2 实验案例及数据
以2020年3月30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′ E、27°32′~28°10′ N,地处热带高原季风气候区,拥有森林14.89万hm2,森林覆盖率达51.69%。2020年3月30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。2020年3月30日15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1万人。截至2020年4月2日10:30,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到根据遥感影像提取的2020年3月30日17:00~31日00:00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V1.0(Liu等,2021)、清华大学2017年10 m分辨率全球地表覆盖数据集(Gong等,2019)和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)的WorldCover 2020产品(Zanaga等,2021)。NDVI 30 m分辨率数据通过Google Earth Engine平台获取2019年3月Landsat 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
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来源:《时空信息学报》2024年第4期
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