[0001] 本发明属于森林防火领域，具体涉及一种生物阻隔带规划与林火模拟方法。

[0002] 森林火灾突发性强、破坏性大、危险性高,是全球发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一，不仅对人民生命财产、社会稳定和可持续发展带来严重损失，也对森林生态系统具有非常大的威胁，影响森林演替，破坏生物多样性以及森林在小气候和涵养水源等方面的作用，甚至导致生态环境失去平衡。因此，森林防火是保护森林资源一项必不可少的工作，也是防灾减灾的重要课题。

[0003] 文献“森林防火通信系统建设研究——以石嘴山市为例”(郭鸿郡,尹晶萍,刘晓波等.森林防火通信系统建设研究——以石嘴山市为例[J].森林防火,2023,41(04):26‑29)探讨了，探讨如何通过先进的通信技术，提高森林防火的效率和效果，减少森林火灾的发生，保护森林资源和人民生命财产安全，分析了石嘴山市森林防火通信建设存在一些问题，如通信设备数量不足、通信设备性能不稳定、通信人员操作技能不足等，并提出了相应的解决方案，包括建立完善的通信网络、配置必要的通信设备、定期对通信设备进行维护和检查、对通信人员进行必要的培训和考核、合理规划和选址通信塔和太阳能电站的建设地点等。该文献主要介绍先进通信技术在森林防火中的应用，未公开从火灾预防角度提出解决方案。

[0004] 文献“卫星遥感监测技术在北京市森林防火中的应用”(高健.卫星遥感监测技术在北京市森林防火中的应用[J].森林防火,2023,41(04):55‑59)公开了利用H8、FY系列、NOAA、EOS、NPP等10颗静止、极轨遥感卫星数据，结合不同卫星传感器的优势，分析了在森林火灾监测中综合应用多源遥感数据，及时开展火情监测预警、火场定位、发展趋势监测及灾后评估的应用成效，指导全市森林防火监测体系的科学发展，为精细化开展京津冀地区森林防火工作提供科技保障和建设经验。该文献主要从火灾发生后快速准确利用静止、极轨遥感卫星数据优势进行火情预警以及灾后受损评估，也未公开从火灾预防角度提出解决方案。

[0005] 文献“改进蚁群算法的森林防火移动机器人路径规划”(杨松,洪涛,朱良宽.改进蚁群算法的森林防火移动机器人路径规划[J].森林工程,2024,40(01):152‑159.)为解决森林防火移动机器人在森林地形条件的最优路径规划问题，提出一种基于拓展邻域的改进蚁群算法。提出了一种基于拓展邻域的改进蚁群算法，并在该算法中引入了定向邻域拓展策略，将搜索邻域从8个扩展到10个，以提高搜索效率和范围。除此之外，还考虑了影响移动机器人的多种因素，并利用路径长度和能耗改进了启发函数。通过改进初始信息素的位置信息，并结合最大‑最小蚂蚁系统(MMAS)和精英蚂蚁等算法模型的优点，他们改进了信息素更新规则。结果表明，所提出的改进蚁群算法与传统蚁群算法、基于多启发因素的改进蚁群算法相比，路径长度分别缩短7.66％、6.53％,能耗指标分别下降62.2％、49.3％,综合指标分别下降32.6％、23.1％。该文献从扑救火灾上更加智能化，而本发明则侧重火灾预防方面。

[0006] 文献“林内道路建设、规划及维护对森林防火工作的影响”([1]王立志,张伟,柳春明等.林内道路建设、规划及维护对森林防火工作的影响[J].森林防火,2023,41(03):16‑18.)以易燃地区森林道路为研究对象，探讨林内道路网络建设、规划和维护时需遵循的基本原则，定义、总结其主要作用及相关经验做法，分析森林道路在火灾预防和扑救中的作用，讨论林内道路建设对森林资源保护重要性。与该文献相比，本发明从道路、河流以及生物防火带等综合利用，发挥预防与补救作用。

[0007] 林火阻隔系统就是将各种天然和人工建设的阻火隔离带相连，形成闭合的网络系统，在网络中最小的网眼面积，即林火控制最小范围，在地面上形成一定宽度的具有阻火功能的屏障，封闭成网状，将发生的林火尽量控制在最小网眼面积内，达到阻止火灾蔓延、提升扑救能力、最大限度地减少火灾损失的目的。林火阻隔系统建设是防止火灾蔓延，控制大面积森林火灾发生的治本措施，也是减少森林损失、降低森林防火开支最有效的措施之一。

[0008] 本发明通过林业、测绘、气象、交通以及水利等多源数据并结合GIS技术和编程技术辅助规划生物阻隔带，能够更加准确、科学的设计和建设生物阻隔带。本发明是在无数专家学者研究基础上，进一步与生产实际结合，以求减少人工工作量，加快产生实际的经济效益和林火阻隔带建设效率。

[0052] 在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0053] 在本发明实施例中，一种生物阻隔带规划与林火模拟方法，包括以下步骤：

[0054] S1：基础数据准备：森林防火涉及林业、测绘、气象、交通以及水利等多方面数据。因此，收集基础数据是一个系统而又必不可少的工作。同时，数据存储格式也各种各样，必须分类归纳存储整理。

[0055] S2：基础数据标准化：林业、交通、水利、地形以及气象等数据格式非矢量格式的数据类型转化为矢量格式(SHP格式)并赋予相关属性信息，便于数据的运算以及查询；

[0056] S3：生物阻隔带规划：在利用现有自然阻隔带自然阻隔带、工程阻隔带和生物阻隔带基础上，构建现有的生物阻隔网。

[0057] a:利用现有自然阻隔带、工程阻隔带和生物阻隔带构建闭合区域即现有林火阻隔网，并计算其面积；

[0058] b:依据火险等级或者特殊防火区域的林火阻隔网面积查询需要布设林火阻隔带的闭合环；

[0059] c:依据山脊、山谷、坡度等地形地貌信息选择建设自然阻隔带位置，并按照林地立地条件选择建设自然阻隔带的树种；

[0060] d:计算建设自然阻隔带的投入成本以及遭受林火的林木引起损失价值判断是否进一步加密林火阻隔网；

[0061] S4：林火模拟：将各种数据图层转化为栅格，编程模拟林火蔓延。

[0062] 为了使本发明公开更加充分，下面通过更具体实施例加以说明。

[0063] 实施例1

[0064] 如图1所示，一种生物阻隔带规划与林火模拟方法，包括以下步骤：

[0065] S1：基础数据准备：以2022年10月桂林市兴安县、灵川县(溶江镇、三街镇)交界处的山火发生区域进行生物阻隔带规划分析，收集到的数据有森林资源数据、DEM数据、遥感影像数据、道路数据、河流数据、风场数据。

[0066] S2：基础数据标准化：林业、交通、水利、地形以及风场等数据格式其他格式的数据类型转化为矢量格式或者栅格数据，并赋予相关属性信息，便于数据的运算以及查询；

[0067] 在ArcGIS工具箱中工具处理DEM数据，提取出坡度、海拔、山脊、山谷等地形信息。本次坡度使用ArcGIS工具箱的坡度计算工具计算得到坡度图，并按45度分为2类；海拔则把DEM按照每200米进行分类。因山脊、山谷线使用ArcGIS工具箱计算步骤较多，则使用Python语言编程实现，本次根据实验区域情况，按照99个像元分割提取。

[0068] python编程将风场数据(ERA5 monthly averaged data on sing le levels from 1940to present)处理为所需要的数据格式。其中，u表示经度方向上的风，v表示纬度方向上的风。风速wspd和风向wd ir计算公式如下：

[0069] wspd＝sqrt(u×u+v×v)

[0070] wdir＝mod(180.0+arctan2(u,v),360.0)或者

[0071] wdir＝mod(270.0‑arctan2(u,v),360.0)

[0072] S3：生物阻隔带规划：在利用现有自然阻隔带、工程阻隔带和生物阻隔带基础上，构建现有阻隔网。在ArcGIS工具箱中的工具制作阻隔网闭合区域，并计算该闭合区域的面积(见表1)以及闭合区域内经济价值和生态价值(见表2)。

[0073] 表1阻隔网内(闭合区域)面积与编号

[0074] 编号 面积433 584
522 1019
859 847
1125 1799
1336 739
1838 2150
1994 853
2412 1387
2636 953
3443 2076

[0075] 表2阻隔网内(闭合区域)生态价值计算表

[0076]

[0077]

[0078] a:利用现有自然阻隔带、工程阻隔带和现有生物阻隔带构建的闭合区域即现有林火阻隔网(如图2中道路、河流围合区域)，并计算其面积；

[0079] 利用现有的大道一定宽度的道路、河流以及县界、乡镇界、居民村屯及生产场所图层，使用ArcGIS工具箱中的工具构建现有阻隔网图层。

[0080] b:依据火险等级和特殊防火区域的林火阻隔网标准(见表3)，查询需要进一步布设林火阻隔带的现有阻隔网；

[0081] 表3林火阻隔网控制面积(参考LY_T 5007‑2014林火阻隔系统建设标准)[0082]

[0083] c:依据山脊、山谷、坡度等地形地貌信息选择建设自然阻隔带的合适位置(如图3中需要建设阻隔带区域，依照山脊线选择建设区域)，并按照林地立地条件选择建设自然阻隔带的树种；

[0084] 叠加提取的山脊、山谷、坡度等地形地貌信息以及风向信息在需要建设阻隔带的阻隔网中选择建设自然阻隔带的合适位置，并根据立地条件选择建设自然阻隔带的本土树种。

[0085] d:根据地类、树种的参数(见表4)，计算各个林火阻隔网控制面积及其经济和生态价值，查询需要建设阻隔带的阻隔网建设自然阻隔带的投入成本以及遭受林火的林木引起损失价值判断是否进一步加密林火阻隔网。如果损失价值大于经济和生态价值，可以考虑加密阻隔网，即规划建设阻隔网，如果损失价值小于经济和生态价值，则可以继续规划建设阻隔网；

[0086] 表4林地经济和生态价值参数表(参考GB/T 38582‑2020森林生态系统服务功能评估规范与广西生态公益林监测报告获取相关参数)

[0087]

[0088] 生态经济价值计算方法如下：

[0089] 水土保持服务功能：按下列公式计算土壤侵蚀模数。

[0090] M＝DSU/A

[0091] 式中：M—土壤侵蚀模数(吨/公顷)；D—平均侵蚀深度(米)；S—被测区面积(平方米)；U—干土容重(吨/立方米)；A—站区面积(公顷)。

[0092] 根据不用地类土壤侵蚀模数，计算土壤侵蚀量，汇总后可得水土流失量，并通过与无林地比较，计算土壤保育能力。

[0093] 水土流失服务功能：应用修正通用土壤流失方程(RUSLE)计算各监测小班的土壤流失量。RUSLE方程的基本形式为：

[0094] E＝R×K×L×S×C×P

[0095] 式中：E－土壤流失量〔吨/(公顷.年)〕；R－降雨侵蚀力指标，或称降雨侵蚀力因子；K－土壤可蚀性因子；L－坡长因子；S－坡度因子；C－覆盖与管理因子；P－水土保持措施因子。

[0096] 根据通用土壤流失方程，计算出不同地类土壤流失量，然后通过与无林地比较，计算土壤保持能力。

[0097] 固碳释氧服务功能：按照制造1吨干物质可同化二氧化碳1.628吨，固定碳素0.4444吨，释放氧气1.184吨。利用不同树种的生物量计算出森林植物的碳汇、碳储量及氧气释放量。

[0098] 碳汇＝1.628∑Wi；

[0099] 碳储量＝0.4444∑Wi；

[0100] 氧气释放量＝1.184∑Wi；

[0101] 式中：∑Wi—森林植物的生物量之和。

[0102] 森林固土生态价值评估公式：

[0103] U固土＝A×(X2‑X1)×F×C土/ρ；

[0104] U固土为评估林分年固土价值，单位：元·a－1；

[0105] A为林分面积，单位：hm2；

[0106] X2为无林地土壤侵蚀模数，单位：t·hm－2·a－1；

[0107] X1为实测林分有林地土壤侵蚀模数，单位:t·hm－2·a－1；

[0108] F为森林生态系统服务修正系数；

[0109] C土为挖取和运输单位体积土方所需费用，单位：元·m－3；

[0110] ρ为土壤容重，单位：g·cm－3

[0111] 森林固碳生态价值评估公式：

[0112] U碳＝1.63R碳×A×B年×F×C碳；

[0113] U碳为林分年固碳价值，单位：元·a‑1；

[0114] B年为林分净生产力，单位：t·hm‑2·a‑1；

[0115] C碳为固碳价格，单位：元·t‑1；

[0116] R碳为CO2中碳的含量，为27.27％；

[0117] F土壤碳为单位面积林分土壤年固碳量，单位：t·hm‑2·a‑1；

[0118] A为林分面积，单位：hm2。

[0119] S4：林火模拟：将各种数据图层转化为栅格，编程模拟林火蔓延。

[0120] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。