本发明涉及森林火灾预警，尤其涉及一种协同卫星观测的大尺度林火蔓延模拟多目标优化方法。
背景技术：
1、借助火行为模型开展林火蔓延模拟，不仅可以及时评估森林火灾发展态势，以更好服务火灾救援决策，也是预测景观尺度潜在林火行为特征(如火蔓延速度、火强度等)与极端火行为(如树冠火、飞火等)的重要手段。准确模拟森林火灾蔓延情况，对于厘清火灾发生发展过程具有重要意义，同时有助于构建可靠的林火行为案例库，以提高森林火灾风险评估精度，服务森林火灾精准防控。
2、可燃物载量与含水率是影响森林火灾发展的关键因素，已被纳入到可燃物模型参数中，可用于farsite、wrf-sfire等火行为模型开展火蔓延模拟。目前，常用的可燃物模型包括两类，一是anderson可燃物模型(共13种)，二是scott和burgan发展的可燃物模型(共43种)，后者对可燃物类型划分更细致。这些标准可燃物模型都对应着一套可燃物参数或属性，但其给出的默认值并不一定适用于中国西南地区。因此，可结合野外可燃物调查，初步确定可燃物模型参数，尽可能地提高林火蔓延模拟结果的可靠性。在火蔓延模拟精度评价方面，大部分研究仅考虑基于卫星观测的火灾燃烧轮廓分析火蔓延模拟轮廓间的一致性。这种基于燃烧轮廓的精度评估方式易受到人为因素影响，导致卫星观测到火蔓延态势并不能反映自然条件下的火蔓延情况。除火灾燃烧轮廓外，火蔓延过程中释放的热辐射同样值得关注，也与可燃物载量的大小密切相关。卫星遥感技术具有大范围、高精度的火辐射强度监测能力，这为评估林火蔓延模拟精度提供了新的参考依据，可用于可燃物模型参数优化。
3、此外，farsite模型较适合中尺度林火蔓延模拟，但如果应用在大尺度林火蔓延时，可燃物燃烧将释放的大量水气和热量，足以改变局部大气场，导致林火蔓延模拟的不确定性更大。wrf-sfire模型考虑了大气-火耦合效应，适合大尺度林火蔓延模拟，但其涉及的火行为模块相对简单。结合二者各自优势，利用farsite模型模拟的火蔓延结果，驱动wrf-sfire模型开展林火蔓延模拟，以获取更可靠的大尺度林火蔓延模拟结果，可为重特大和高强度森林火灾精准防控提供关键信息决策支撑。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种可扩展性强、计算简便的协同卫星观测的大尺度林火蔓延模拟多目标优化方法。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，包括以下步骤：
3、步骤1：确定火场区域，收集farsite模型和wrf-sfire模型开展林火蔓延模拟所需参数，所述输入参数包括空气温度、空气相对湿度、风速风向、降雨、高程、坡度、坡向、森林冠层结构参数和可燃物模型；
4、步骤2：基于farsite模型的林火蔓延模拟多目标优化；
5、步骤2.1：farsite模型参数化；
6、根据glc_fcs30土地覆盖产品，确定目标区域的可燃物模型；利用sobol算法，确定可燃物模型各参数的全局敏感性；根据林分和可燃物信息调查数据，设定敏感参数的区间范围，并设置弱敏感或不敏感的参数为默认值；
7、步骤2.2：基于卫星观测的林火行为特征提取；
8、基于global fire atlas数据集，确定初始火场位置，并提取该场火灾的燃烧轮廓信息，以此使用sc系数评估林火蔓延的空间模拟精度，sc系数计算方法为公式1；基于viirsnrt主动火点产品，提取燃烧区火辐射强度特征，以此使用相对均方根误差评估林火蔓延过程中的火行为特征模拟精度，相对均方根误差rrmse的计算方法为公式2；
9、
10、其中，sobs为从gfa数据集提取的火灾燃烧区域面积，ss为farsite模型模拟的火灾燃烧区域面积，so为火灾燃烧区域重叠部分的面积；
11、
12、其中，和分别为第i个像元对应的farsite模型模拟和卫星观测的火辐射强度，n为落在farsite模型模拟燃烧轮廓内的卫星火点像元数量；
13、步骤2.3：优化敏感参数；
14、使用sc系数和rrmse同时评价特定参数下的林火蔓延模拟精度；基于非支配排序遗传算法ii，设置种群个体数为m，最大进化代数为n，优化farsite模型敏感性参数，以此获得sc系数较高且rrmse较低的林火蔓延模拟最优结果；
15、所述的最优林火蔓延模拟结果的scopt系数和rrmseopt应满足公式(3)；
16、
17、其中，di为在第i次林火蔓延时考虑sc系数和rrmse的综合评价指标；
18、步骤3：基于优化的wrf-sfire模型模拟大尺度林火蔓延；
19、步骤3.1：wrf-sfire模型参数化；
20、根据glc_fcs30土地覆盖产品，将目标区的可燃物模型划分为草地和森林两类，并将步骤2.3标定的最优可燃物模型参数作为wrf-sfire的可燃物模型参数；将wrf-sfire模型的domain域设置为4层嵌套，第四层大气网格的空间分辨率为300米，火网格的空间分辨率为30米；
21、步骤3.2：基于wrf-sfire模型模拟大尺度林火蔓延；
22、将基于farsite模型获取的最优林火蔓延模拟结果作为wrf-sfire模型的初始火场位置信息，使用wrf-sfire模型开展大尺度林火蔓延模拟，并输出火蔓延速度和火强度等林火行为特征；为保证林火蔓延模拟的可靠性，上述过程每h小时重复一次。
23、进一步地，步骤2.1中所述敏感参数为1-h/10-h/100-h地表死可燃物含水率与载量、活草本和木质可燃物含水率与载量、可燃物床层厚度，不敏感参数为可燃物表面积体积比、可燃物热值、可燃物熄灭含水率。
24、进一步地，步骤2.2中所述初始火场像元应满足其燃烧日期相对火场其它像元最小，火场开始时间和结束时间由viirs nrt火点像元的最早和最迟时间确定。
25、进一步地，步骤2.2中所述应用于rrmse计算的viirs nrt火点像元的置信度等级应为“h”或者“n”。
26、进一步地，步骤2.3中所述的m和n分别为30和50；
27、进一步地，步骤3.2中所述的h为6。
28、本发明的有益效果：本发明所述的大尺度林火蔓延模拟多目标优化方法操作简单，首先利用模型参数多目标优化同时提高了林火蔓延的空间模拟和火行为特征预测精度，再基于两种火蔓延模型耦合，进一步提高了大尺度林火蔓延模拟的可靠性。该方法可为森林火灾精准防控提供火场态势等关键信息支撑。
1.一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，其特征在于，步骤2.1中所述敏感参数为1-h/10-h/100-h地表死可燃物含水率与载量、活草本和木质可燃物含水率与载量、可燃物床层厚度，不敏感参数为可燃物表面积体积比、可燃物热值、可燃物熄灭含水率。
3.如权利要求1所述的一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，其特征在于，步骤2.2中所述初始火场像元应满足其燃烧日期相对火场其它像元最小，火场开始时间和结束时间由viirs nrt火点像元的最早和最迟时间确定。
4.如权利要求1所述的一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，其特征在于，步骤2.2中所述应用于rrmse计算的viirs nrt火点像元的置信度等级应为“h”或者“n”。
5.如权利要求1所述的一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，其特征在于，步骤2.3中所述的m和n分别为30和50。
6.如权利要求1所述的一种基于farsite模型和wrf-sfire模型的大尺度林火蔓延模拟方法，其特征在于，步骤3.2中所述的h为6。
