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1、一个森林火灾蔓延分形模型案例的研究ZHUQijiang，RONGTaizong,，SUNRui摘要这篇论文是关于通过结合火场能量平衡的半经验模型与地面温度场的物理模型,目的是能够为火场扩展提供一种实用的描述工具。森林火场扩展形势取决于燃烧物特性和气象气候原因和地形的作用。例如森林可燃物本身表面积无特征尺度,然而林火的扩展过程具有自复制性,这两者使火场扩展具有自相似性,因此，火行为可用分形几何进行描述。研究中我们选中了大兴安岭林区五岔沟林火作为试验地点,在低分辨率的NOAA-AVHRR图像上发现火场,在相应高分辨率的TM图像上进行火场扩展模拟实验,这是一种新的信息结合方式。在遥感和地
2、理信息系统的支持下,采用描述变长现象的有限扩展集聚方法来模拟林火动态扩展过程,用标度律对森林火场的模拟结果进行形态控制。模拟火场与实际火场在形态上体现了很相似,火场面积在数量上也十分接近。关键词：遥感;林火监测;火场扩展;分形模拟森林作为陆地生态系统中最重要的组成部分,森林通过自身的光合作用,每年吸收大量的CO2,并且它在地球表层碳循环和碳平衡中是个重要的的角色。火灾是造成森林破坏的主要方式之一,全球因火灾造成的森林损失每年约为1%,林火多发国家可达2%-8%[1-4]。我国是个少林的国家,森林资源对我国来说非常宝贵。早期发现林火并及时组织扑救,是减少森林损失的重要途径。及时准确的
3、火场火情预报是科学组织扑救的前提。近年来,全球普遍变暖,干旱频繁,造成北美澳大利亚和地中海沿岸地区森林火灾频频发生。我国自从1987年5月6日发生的大兴安岭林区大火以来,森林火灾形势也日趋严峻。如何用现代科学技术发现早期火源并进而预报其发展是一项重要的研究课题。根据NOAA-AVHRR图像识别林火已见诸许多报道,林火识别方法也已日渐成熟[5-7],但是,关于火行为的研究则相对滞后。林火如何向外扩展蔓延是火行为研究中的重要内容。只有正确地揭示林火蔓延的物理机制,才能准确地预告林火蔓延的趋势和范围,进而为正确组织扑救进行科学决策。由于技术上的限制,直到1979年Kessel才在林火扩展
4、研究中考虑空间因素。进入八十年代以后,由于地理信息系统技术的成熟,才能做到对林火扩展的空间模拟。对林火扩展做案例研究的也仅见徐建平和Clark。Clark在火场扩展模拟中使用了细胞自动生长的原理,还运用了混沌与分形的概念[8]。问题是他们模拟的森林火场都很小,地面状况相对简单,并且是基于人工纵火及进行同步飞行的航空遥感数据。朱启疆高峰据能量平衡原理的半经验模型,曾对西昌地区的林火扩展进行过计算机模拟,但模拟结果未能做进一步的验证[9]。考虑到实用性和及时性,本研究中选择大兴安岭林区五岔沟林火作为案例,结合能量平衡的半经验模型与地面温度场的物理模型,在低分辨率的NOAA-AVHRR图
5、像上发现火场,在相应高分辨率TM图像上进行火场扩展模拟,达到快速准确定位的模拟目的。1林火扩展的速度模型及参数化森林燃烧是个物理化学现象,有着复杂的能量交换过程。因此,基于能量平衡和温度场的林火扩展模型一直是森林火场扩展模拟的主要发展方向。在本研究中,力求结合两类模型的合理内核,建立起能实际进行林火扩展模拟的有效工具。1.1林火扩展速度模型将初期火场视为一隔离体。在隔离体中,每单位质量可燃物净吸收热量为Q,可燃物有效体密度为,则单位体积可燃物的净吸热量D=.Q.据能量平衡原理,有方程[10]式中,x,y,z为燃烧点的空间坐标,t为时间。在风场的作用下,忽略与主风向相垂直的测向热量交
6、换,对式1积分整理后得式中,V为林火扩展速度m/min;I为火焰区燃烧反应强度kJ/min.m2;为林火蔓延率;w为风速修正系数;s为地形坡度修正系数;为可燃物体密度kgm3;e为有效热系数;Q为点燃单位质量可燃物耗热kJ/kg。火场扩展速度V的表达式中,参数间存在相互嵌套关系,不便作为林火扩展模拟,需作进一步的简化和参数化。式2可表达为可燃物类型a,火场表面温度b,风速c和地形d等4大影响因子的函数式1.3的好处在于,各因子或可由遥感数据提取,或可由地面资料产生,借之比较容易实现火场的扩展模拟。1.2扩展速度影响因子分析1.2.1可燃物对扩展速度的影响林中可燃物对林火扩展速度的影
7、响主要决定于可燃物的类型数量和空间布局。林中地表可燃物中的干枯杂草落叶小枝等枯落物,在干旱周期里,含水少,燃点低,耗热量少,极易燃烧和蔓延,特别是在林缘。林下枯落物的数量和空间分布是个难于准确定量的问题,在本次模拟中,采用根据TM图像获得的可燃物类型分类数据,来确定可燃物的影响a。1.2.2地形对扩展速度的影响在地形起伏的条件下,燃烧时,热空气上升,上坡方向可燃物截获的燃烧过程中释放的能量较多,在上升气流作用下,上坡火表现为速度快强度大的特点;对于向下坡方向扩展,大部
