Page 119 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第6期

第 50 卷第 6 期 张玉春等：森林火灾燃烧蔓延预测模型及预报平台研究 1141

前，利用 Nelson 模型 ［49］ 根据气象信息和地形信息 延速度、火线强度、火焰长度等在内的火行为参
进行修正，将景观地图内不同位置可燃物的含水 数，其根据 Rothermel 蔓延模型，通过惠更斯原理
率进行调整，以符合该位置的特定地理和气候条 计算所有火焰前锋的位置。在结果输出之前，检
件，是 Rothermel 森林火灾蔓延模型的重要输入 查计算火场的面积和周长，判断火场的位置，将
参数。 起火点与蔓延模拟计算的火场合并交叉，最后输
2）地表火计算 出火场的栅格与矢量信息。图 3 展示了地表火蔓
地表火计算模块主要计算包括火场范围、蔓 延的计算流程。

图 3 森林火灾地表火计算流程
Fig. 3 Calculation Process for Surface Fire

3） 树冠火计算 火场范围与实际存在一定误差，同时受地形和可
树冠火大多数情况由地表火诱发而成。因 燃物影响，风速、风向数据常与传感器和气象站
此，地表火计算完成后，根据郁闭度与树高判断 获取的原始数据不同。因此，实时获取并调用较
当前位置植被类型，选择调用树冠火计算模块。 高精度的火场范围数据与更新的气象数据，再次
结 合 Rothermel 地 表 火 蔓 延 模 型 、可 燃 物 模 型 重新输入森林草原燃烧蔓延预测模型开始模拟，
［18］
FM10 与植被水分效应，树冠火蔓延速度利用 修正得到较高精度的模拟结果。
风速和地表可燃物含水率计算得到。当地表火 实时获取与修正的动态数据主要包含火场
提供的热量蒸干冠层燃料的水分并将其温度升 范围与气象数据。变化的火场范围利用遥感卫
高到燃点时，树冠就会被点燃，引燃树冠火的临
星、UAVRS 等方式实时获取，利用 Canny 边缘算
界地表火火焰强度表达式如下：
法对其先进行去噪，以减小火场烟雾对数据的影
I = HWR （2）
响；再利用模型预测得到预测的火线范围数据，
式中，I 为火线强度（kW/m）；H 为可燃物的热值 计算观测的火线范围数据和预测模拟数据的预
（kJ/kg）；W 为燃烧的有效可燃物载量（kg/m²）；R
测均值和预测协方差矩阵统计量；然后进行数据
为火蔓延速度（m/s）。树冠火的计算流程与地表
同化，计算卡尔曼增益矩阵，分析比较更新集合；
火相同，均利用惠更斯原理模拟火线向四周蔓延
最后计算分析均值和协方差矩阵，分析均值即为
扩散的过程，如图 4 所示。
更新的火线范围 ［37，39］ 。实时获取变化的气象数据

主要通过现场传感器与气象站实时获取更新，然
后利用 CFD 模型进行风场模拟，得到各个位置较
为准确的风速与风向。将实时获取与修正的火
场范围与气象数据输入模拟流程，对火蔓延过程
进行迭代优化，以提高模拟预测精度。迭代优化
计算流程如图 5 所示。

3 森林火灾燃烧蔓延平台与案例应用

以某真实森林火灾案例数据为例，依托开发
图 4 树冠火的计算流程
的森林火灾燃烧蔓延预报平台，利用森林火灾燃
Fig. 4 Calculation Process for Crown Fire
烧蔓延预测模型对风场情况与森林火灾蔓延范
4) 优化迭代计算 围进行模拟预测，验证平台情景数据动态输入、
在模拟过程中，受人为、环境和气候的影响， 火灾范围蔓延与火场关键信息实时预报等功能。