[计算模拟]火灾中森林密度与剩余树木存活率的关系研究与代码解读.1

很长，反着你也不看，点个赞意思下就行

前言

森林火灾是一种全球性的自然灾害，它会导致森林中的树木被烧毁，导致森林的密度下降，进而影响森林的生态系统。

如果不考虑我东大对于森林火灾中饱和式救援的制度优势，西方大部分国家面对森林火灾都采取了躺平式的救援制度，即“烧吧烧吧，烧完了就不会烧了……”

 重庆山火中的饱和式救灾

 澳洲山火中的躺平式救灾

在这种“烧吧烧吧”的救灾制度下，烧完一轮之后，还能留下多少树木，就是研究的重点。也就是所谓的剩余树木存活率。森林密度是指森林中树木的数量，而剩余树木存活率则是指森林中未被烧毁的树木的存活率。

众所周知，如果不考虑风力地形等诸多影响，火灾的蔓延是需要媒介的，在森林火灾中，燃烧的媒介就是树木。所以理论上，森林密度越高，剩余树木存活率就越低。

人为的降低森林的密度，是有效的控制火灾蔓延的一种方法。在国内，就是人为的清理出防火带，或者将树木进行修剪等。

但是如果在人迹罕至的地方，无法大规模的动用人力来制作防火隔离带，那么就需要对森林密度与剩余树木存活率之间的关系进行研究。必要的情况下，可以动用一些技术手段来控制森林密度，从而减少森林火灾的损害。

传统的线性方法是根据森林密度，来计算出剩余树木存活率，但是这种方法存在很多的局限性，因为森林密度和剩余树木存活率之间的关系是一个非线性的关系，到了一定的阈值之后，就会出现一个临界点，当森林密度超过这个临界点之后，剩余树木存活率就会变成0。

——这个临界点，在复杂性科学里面，就叫做突变论（Catastrophe Theory），突变论是复杂性科学中的一个分支，它研究系统在连续变化的参数下如何突然发生质的变化。这种理论主要用于解释和预测当系统的状态从一种稳定形式快速转变为另一种稳定形式时的行为，而这种转变通常是不可逆的，并且不能简单地通过参数的小幅调整来逆转。

（有关突变论的其他研究，有兴趣的同学可以去关注一下复杂性科学，这里暂时不跑题了，以后有机会我在开个专题好了。）

（最后跑题一句：突变论和涌现性是OpenAI和ChatGPT的理论特征之一……没有这两个复杂性科学的基础理论，就没有今天的大模型。）

FireSimple 模型

今天给大家介绍一个挺有意思的研究森林密度与剩余树木存活率之间关系的模型，及Uri Wilensky 和 William Rand 创建的 NetLogo FireSimple 模型。

Wilensky, U. & Rand, W. (2015). Introduction to Agent-Based Modeling: Modeling Natural, Social and Engineered Complex Systems with NetLogo. Cambridge, MA. MIT Press.

Uri Wilensky 和 William Rand 合著的《基于多智能体的建模导论：使用 NetLogo 建模自然、社会和工程复杂系统》一书的第三章

NetLogo是一种用于模拟自然和社会现象的多智能体编程语言和建模环境。它适用于对随时间演变的复杂系统进行建模。建模者可以向数百甚至数千个同时独立运行的“Agents”发出指令。这使得探索个人的微观行为、研究个体微观互动中涌现出的宏观模式成为可能。

NetLogo是一种简单的仿真模拟工具，通过“Agents”进行交互，探索他们在各种条件下的不同行为模式。NetLogo也是一个创作环境，业面设计以及环境设置非常简单，可以让不是专业程序员的学生和研究人员也能够创建自己的模型。

模型简介

不过我今天介绍的不是个软件（软件什么的，虽然大大的降低了门槛，但是感觉可控能力总是不如手动好使……）所以今天使用的是用agentpy这个包，来实现该模型的示例

FireSimple模型模拟了火灾在一个森林中的蔓延过程。它展示了火灾蔓延到森林右边缘的概率关键性地依赖于树木的密度。这是复杂系统中一个常见特征的例子，即存在非线性的阈值或临界参数。

火灾从森林的左边缘开始，并向邻近的树木蔓延。火灾在相邻的任意方向上传播。该模型假设没有风的影响。因此，火灾必须在其路径上有树木才能继续前进。也就是说，火灾不能跳过无树木区域（空白地块），因此这样的空白地块会阻挡火灾在该方向上的蔓延。

所以，我们可以很直观的理解，如果森林的密度越高，那么火灾蔓延的通道就越通畅。

先看结果：

从最稀疏的情况看起，我们先设定森林的范围是50*50，然后森林的密度是10%，也就是只有10%的地方有树木，其他地方都是空地。

着火点从最左边的边缘开始，然后向四周蔓延，直到右边的边缘。

从上图可以看见，着火之后，着火点周边完全没有任何可以燃烧的树木，所以直接就熄灭了，所以我们可以得到结论，在森林密度为10%的情况下，剩余树木存活率为100%。

然后我们调高森林密度，以下三个视频，分别是密度为40%、60%和80%：

40%密度的森林火灾模拟

40

60%密度的森林火灾模拟

60

80%密度的森林火灾模拟

80

可以看到，在森林密度为80%的情况下，剩余树木存活率为0%，也就是密度太高，无法形成有效的隔离带，导致森林火灾的蔓延。

那么到底森林密度和剩余树木存活率之间有没有什么关系呢？下面我们通过随机设定森林密度，然后进行模拟推演，来观察剩余树木存活率的变化。

代码见后文，具体分析结果如下：

从分析曲线可以看见，当森林密度超过50%的时候，森林的烧毁比例就接近100%了。

那么这玩意儿是怎么弄出来的呢？

有兴趣的听下回分解。