南京森林警察學(xué)院 張水鋒，彭徐劍，詹慶斌

森林火災(zāi)行為取決于天氣、地形和水文等多種快速演化的環(huán)境因素[1-3]。為森林火災(zāi)的蔓延提供準(zhǔn)確的預(yù)測一直是研究的重要目標(biāo)[4-5]。無論是作為災(zāi)前的規(guī)劃工具用于計(jì)劃，還是作為災(zāi)中火災(zāi)的蔓延預(yù)測工具，森林火災(zāi)蔓延模型的準(zhǔn)確性以及其及時(shí)提供有用信息的能力都是至關(guān)重要的。盡管目前已開發(fā)了大量的火災(zāi)預(yù)測模型[6-8]，但它們?cè)谑褂貌僮髦械淖饔萌匀幌鄬?duì)有限，部分原因在于所有的模型本質(zhì)上都是近似地對(duì)現(xiàn)實(shí)的抽象簡化。由于支持這些模型的數(shù)據(jù)，如可燃物、地形、天氣等會(huì)受到不確定性因素和有限的分辨率的影響[9-10]。解決這一問題的一種新方法是將現(xiàn)有模型和實(shí)時(shí)觀測相結(jié)合，利用野外火災(zāi)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)觀測來降低模型保真度和輸入數(shù)據(jù)的不確定性。這種新方法可稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模允許最優(yōu)使用信息，以改進(jìn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的火災(zāi)模型動(dòng)態(tài)集成了遙感等多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)，有助于捕捉和預(yù)測火災(zāi)變化，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法是WIFIRE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想。

一、WIFIRE簡介

WIFIRE是美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）贊助的一個(gè)合作項(xiàng)目，由圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心、加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）以及馬里蘭大學(xué)（UMD）共同合作，并成功地創(chuàng)建了一個(gè)用于實(shí)時(shí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模擬、預(yù)測和可視化森林火災(zāi)行為的綜合分析系統(tǒng)。為森林火災(zāi)的蔓延提供準(zhǔn)確的預(yù)測一直是火災(zāi)界研究的重要目標(biāo)，而WIFIRE系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)之一就是提供一個(gè)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測森林火災(zāi)蔓延速率的工具。為此，WIFIRE開發(fā)了用于獲取和可視化高密度傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口，并同時(shí)基于存檔和傳感等數(shù)據(jù)開發(fā)了一個(gè)復(fù)雜有效的數(shù)據(jù)分析模型，以完善區(qū)域天氣和森林火災(zāi)的預(yù)報(bào)工作。此外，為使系統(tǒng)中的地理空間數(shù)據(jù)可以被訪問，WIFIRE系統(tǒng)中還開發(fā)了一個(gè)基于web瀏覽器的平臺(tái)[11]。平臺(tái)通過將GIS功能與可擴(kuò)展的大數(shù)據(jù)集成和處理相結(jié)合，能夠簡單地選擇性地執(zhí)行模型以運(yùn)行WIFIRE，其運(yùn)行結(jié)果很容易查看、共享，并且可以作為時(shí)間序列動(dòng)畫展示。WIFIRE系統(tǒng)利用了異構(gòu)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)的計(jì)算技術(shù)，在信號(hào)處理、可視化、建模和數(shù)據(jù)同化方面提供了一種彈性技術(shù)方案，以監(jiān)測天氣模式，預(yù)測森林火災(zāi)的蔓延速度。

二、WIFIRE的技術(shù)特征

（一）集成功能模塊

WIFRE系統(tǒng)基于云計(jì)算環(huán)境的科學(xué)與工程工作流（Scientific and Engineering Workflows）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可視化編程、可擴(kuò)展的并行執(zhí)行、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口以及重用性和再現(xiàn)性。其中，技術(shù)集成后主要的功能模塊包括數(shù)據(jù)通信、火災(zāi)行為建模和數(shù)據(jù)同化、工作流管理、數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)的可視化交流等五個(gè)方面。

（1）數(shù)據(jù)通信功能模塊。WIFIRE的數(shù)據(jù)通信功能模塊集中了森林火災(zāi)建模所需的全部數(shù)據(jù)，用于處理各種地面和空中傳感器數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖像以及其他實(shí)驗(yàn)、建模數(shù)據(jù)集的輸入和整合。對(duì)現(xiàn)場部署的傳感器使用低延遲傳感器數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，支持原始或預(yù)處理數(shù)據(jù)的可伸縮性和快速可用性。

（2）火災(zāi)行為建模和數(shù)據(jù)同化功能模塊。WIFIRE中密集的天氣傳感器和遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)連接為森林火災(zāi)蔓延行為的數(shù)據(jù)同化計(jì)算提供了大量的數(shù)據(jù)資源，通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)可以實(shí)時(shí)測量火場的火災(zāi)行為，以糾正模擬誤差。

（3）工作流管理功能模塊。工作流是由數(shù)據(jù)依賴關(guān)系鏈接在一起的步驟或任務(wù)組成。工作流管理功能模塊是整個(gè)WIFIRE 架構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，用于確保所開發(fā)的數(shù)據(jù)訪問和建模工具的系統(tǒng)集成和可編程性、計(jì)算可擴(kuò)展性和再現(xiàn)性。

（4）數(shù)據(jù)挖掘功能模塊。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于WIFIRE主要是為了了解影響火災(zāi)行為的環(huán)境條件。例如，對(duì)氣象站數(shù)據(jù)的分析可以確定與目標(biāo)區(qū)域條件相關(guān)的天氣數(shù)據(jù)模式。

（5）系統(tǒng)的可視化交流功能模塊。WIFIRE在可視化方面的研究正試圖拓展包括虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)地圖等方面的功能。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式、可視化對(duì)于理解火災(zāi)行為的復(fù)雜過程和測試可視化火災(zāi)事件數(shù)據(jù)非常重要。

（二）數(shù)據(jù)特征

WIFIRE系統(tǒng)的運(yùn)行以大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)為支撐。首先，遴選區(qū)域高分辨率衛(wèi)星圖像和土地利用類型圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)重新分析處理數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性，從而制作更高分辨率的圖像輸入系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)更好的火災(zāi)預(yù)測提供精確的背景數(shù)據(jù)。WIFIRE系統(tǒng)中集成的數(shù)據(jù)還包括氣候研究和預(yù)報(bào)模型數(shù)據(jù)、森林火場布置的氣象傳感器數(shù)據(jù)、山頂布置的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)數(shù)據(jù)、MODIS衛(wèi)星圖像的火點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及通過UAV拍攝的低空影像數(shù)據(jù)等（如表1所示）。其中，數(shù)據(jù)的獲取注重對(duì)實(shí)時(shí)傳感器遙測數(shù)據(jù)的集成，由此可為系統(tǒng)運(yùn)行提供更好的態(tài)勢感知，將其集成到森林火災(zāi)應(yīng)急處理的決策過程中是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。

表1 WIFIRE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型與分辨率

隨著區(qū)域環(huán)境中多源異構(gòu)傳感遙測數(shù)據(jù)的不斷增加，需為大數(shù)據(jù)分析提供一個(gè)系統(tǒng)的、易于維護(hù)的編程環(huán)境，以便將高維度異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)縮降為低維度的表示。而系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)同化和參數(shù)估計(jì)技術(shù)可用于解決將高維數(shù)據(jù)集降低到適合分析的低維的需求。

（三）基本系統(tǒng)架構(gòu)

WIFIRE系統(tǒng)是為解決方案而設(shè)計(jì)的，這些解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)森林火災(zāi)管理的聯(lián)合創(chuàng)新和不同用戶之間的協(xié)作。WIFIRE作為一個(gè)軟件產(chǎn)品集成了豐富得多源異構(gòu)傳感遙測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中新的數(shù)據(jù)同化和參數(shù)估計(jì)技術(shù)的應(yīng)用將這些遙測數(shù)據(jù)集縮減為參數(shù)化的低維模型，以預(yù)測不斷變化環(huán)境中的森林火災(zāi)的蔓延速率?？茖W(xué)工作流也被用于已開發(fā)技術(shù)的集成，并作為分布式編程與執(zhí)行模型支持系統(tǒng)不同組件和異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的接口（其基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示）。為改進(jìn)對(duì)森林火災(zāi)蔓延的監(jiān)測、建模和預(yù)測的數(shù)據(jù)處理功能，主要包括三大組件：

圖1 WIFIRE的基本系統(tǒng)架構(gòu)

（1）基于開源的開普勒科學(xué)工作流系統(tǒng)的科學(xué)與工程中央組織模塊，在分布式計(jì)算環(huán)境中協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和火災(zāi)蔓延分析工具的執(zhí)行。

（2）連接存檔數(shù)據(jù)與信息、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、建模工具和來自不同數(shù)據(jù)源集的異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通信層。

（3）用于向不同終端用戶傳播數(shù)據(jù)的接口，包括政府管理單位、科研工作者、各種終端接收器以及基于Web 2.0的公共系統(tǒng)發(fā)布展示平臺(tái)。

三、總結(jié)與展望

WIFIRE系統(tǒng)作為一個(gè)端到端的森林火災(zāi)綜合分析網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可實(shí)時(shí)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模擬、預(yù)測和可視化森林火災(zāi)行為，主要用于分析大維度異構(gòu)實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持在新的模型下使用新的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)能夠服務(wù)于森林火災(zāi)管理的態(tài)勢感知、火災(zāi)建模和應(yīng)急響應(yīng)。該系統(tǒng)是多學(xué)科交叉合作深入研究而形成的成果，它提高了森林火災(zāi)的預(yù)警和監(jiān)測能力，有利于提高對(duì)森林火災(zāi)作出應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)的能力。該系統(tǒng)改善了實(shí)時(shí)信息在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)操作程序中的使用，并以一種前所未有的方式將從研究中提煉出來的變革性概念集成到操作環(huán)境中。未來應(yīng)更加注重對(duì)WIFIRE等森林火災(zāi)綜合分析應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)平臺(tái)的研究和推廣，提高科學(xué)和技術(shù)的轉(zhuǎn)化利用率，為相關(guān)的森林火災(zāi)防范、準(zhǔn)備、響應(yīng)和恢復(fù)等政策制定提供幫助。