广州市林火动态监测研究

我国林业承担了中国21世纪的生态环境建设和促进社会可持续发展的重大使命，森林是生态环境建设的主体，然而当森林生态系统形成时，火就参与了生态系统的演变和发展。森林火灾是林业灾害中对社会、环境及经济发展影响范围最广和破坏性最大的一种自然灾害，森林火灾的发生有其必然性，也有其突发性。如何更好地控制森林火灾和有效地利用林火，就迫切需要对林火实施动态监测。 作为国际花城的广州市，地形复杂，光热资源充足。十年绿化广东，大规模的荒山造林完成后，森林面积大大增加，中幼林比例增大，树种结构单一，加之市郊自然村落分散，道路四通八达，人为活动频繁，极易发生森林火灾。 本论文是在导师指导下的由本人主持的广州市重大科技项目的部分内容，项目名称：广州市森林防火信息系统(编号20020197)，项目资金：200.66万元。研究过程中购置了气象卫星地面接收站，指挥扑救导航车，以及由美国ESRI公司提供的ArcGIS8.3地理信息开发平台和广州市卫星影像数据、数字化地形图与专题图件，研究期间，调查、收集了大量的属性数据与空间数据，进行了近三年的研究开发工作，现已研究成功并交付使用。 论文综述了国内外森林火灾预防、监测和扑救的研究现状与发展趋势。以系统科学、生态学、林火科学和信息学理论为指导，深入调查研究了广州市社会经济、自然地理、城市林业与森林防火现状。为满足把广州市建设成为“森林围城、城在林中”的可持续发展的山水生态大都市对森林防火工作的需要，运用地理信息系统、遥感技术、全球定位系统、计算机技术、无线通信技术、虚拟仿真技术和数学方法，对广州市林火预报、火点定位、林火蔓延与仿真以及森林火灾扑救等问题进行了如下研究： (1)运用经过数字图像处理的TM图像，进行了森林火险因子空间数据采集，综合分析评价，编制出可燃物类型分级表和森林火险等级分析表。运用GIS空间数据库中的图像叠加、自然属性库进行分类，然后用动态聚类方法，对广州市进行了森林火险区划，并绘制了1∶5万的广州市森林火险区划图。 (2)利用广州市1997年—2001年火险性天气资料，结合各季节人为用火规律以及森林火险区划结果，参照全国森林火险性天气预报方法，研制了广州市1—2天内森林火险性天气预报系统，并利用森林火险天气预报系统自动生成广州市森林火险天气等级分布图，以此为依据来发布广州市各区(县、市)短期森林火险天气预报。 (3)在森林火险天气预报过程中，将火险性天气划分为5个等级，并参照广州市近三年在森林防火期内的天气资料和森林火灾发生特点，得到各级火险等级天数出现的频率，3级占50％左右，2、4级各占20％左右，1、5级在5％左右。而林火发生几率，1～2级在5％以下，3级15％左右，4级30％，5级50％以上。 (4)通过所建立的气象卫星地面接收站，实现了对森林火点的实时监测，并能提取林火初发信息。 (5)林火发生及蔓延后，从火场的温度变化即温度场出发，应用能量守恒定律，建立了可燃物燃烧的能量守恒关系式，得出受灾区域温度场动态变化模型，同时视火场为若干个微元体，以 广州市林火动态监测研究 博士学位论文 各个微元体为对象，分析火场环境及各微元体特征，经差分处理，得到了可以进行模拟计算的一 组温度场计算式，以此判定火灾区内各点在时刻万下，是否处于未燃、正燃或已燃状态。 (6)由火场上任何一点(x，y)在时刻:时的温度，(x，y，弓，得到火场内燃烧过的和正在燃烧 的点的集合，再根据边界点与未燃区特殊的温度关系，得到边界点的集合，得出公时刻燃烧边界 线y关于:的函数，即当y>O时，共‘一关(x)和y<0时， yJ一少:(x)的函数，积分处理后， 得到公时刻火场过火总面积，即S:二Cfjx冲+C，:(x卜由公时刻燃烧边界线，关于‘的 函数，弓’入弧长计算公式，得到公时刻火线长度乙一C亦石承众+C扣硕于饭O (7)在林火蔓延模拟过程中，引入必，必为火线上任一一点沿坡面的某一方向与水平面的夹 角，这就能利用Gls使林火的蔓延模拟与复杂的地形地貌紧密结合在一起，并充分考虑复杂地形 地貌下，热对流、热辐射对林火蔓延的影响，提高了林火蔓延模拟的准确性与科学性。 (8)确定温度场动态变化模型的参数值和输入变量后，进行小样本模拟，得到任一时刻公任 意一点(x，y)的温度以及过火面积和火线长度，同时得到任一时间段△:内过火面积、火线长度和 火场形状的变化规律。 (9)林火仿真数据准备并处理后，进行数据建模，以正射影像图为背景，以林火着火点为中 心，确定指定时间内林火蔓延的趋势、蔓延效果，并以三维方式显示。 (10)根据火场特点和交通道路的分布情况，以及扑火队伍的实际位置和需要到达目的地的 信息，以Mierosoft visualc++6.0为编程工具，调用Arclnfo 83网络分析模块所提供的MaP objects 接口Pathfinder，自动计算出最佳的行进路线、次佳行进路线以及达到目的地所需的时间，并以图 形和数字的形式提供给指挥者。 (11)分析任一时刻火情因子，利用系统开发的林火仿真模块，掌握任一时刻林火蔓延规律， 参考广州市森林防火指挥部经验，确定开设