netlogo笔记（4）：森林火灾模拟与模型改进

森林火灾模拟

1.to setup：建立一个森林和起火线

2.to go：燃烧

模型改进

改进（一）：考虑树木的可燃性

改进（二）：考虑风的影响

改进（三）：考虑火苗的远距离传播

森林火灾模拟

森林火灾模拟来自netlogo模型库。主要思路是通过让turtles随机改变周围turtles的颜色模拟火灾发生，并探索森林密度与烧毁比例之间的关系。

1.to setup：建立一个森林和起火线

代码如下：

globals [initial-trees   ;; 声明新的全局变量：原本的树burned-trees    ;; 被烧毁的树
]breed [fires fire]    ;; 声明新的海龟种类：fires fire（火）
breed [embers ember]  ;; embers ember（余烬）to setupclear-allset-default-shape turtles "square";; 将海龟默认形状设置为方形ask patches with [(random-float 100) < density][ set pcolor green ];; 用random-float命令让patch生成<100的随机数，该数字若小于density，则patch变绿ask patches with [pxcor = min-pxcor][ ignite ];; 让坐标系中最左边的一条线点燃set initial-trees count patches with [pcolor = green];;设置变量原本的树为：绿色patch的数量set burned-trees 0reset-ticks
end

注意点：

（1）在最前面声明新的全局变量：initial-trees、burned-trees和新的海龟种类：fire、fires、ember、embers；

（2）用random-float的命令使得patch与森林密度density关联起来，即：使patch生成随机数，若设置density为30（界面已设置density滑块），则随机数<30的patch变为绿色；

（3）用count命令使initial-trees取值等于绿色patch的数量。,

设置完毕如下图：

2.to go：燃烧

令fires随机点燃4个邻居，点燃即：使fire变红，之后pcolor变黑，烧毁数量加1。点燃后生成灰烬，最后灰烬死亡。

代码如下：

to goif not any? turtles  ;; 条件语句not any?，若为真，则停止[ stop ]ask fires[ ask neighbors4 with [pcolor = green] ;;随机选择上下左右的绿色patch点燃[ ignite ] ;;嵌套命令igniteset breed embers ] ;;设置种类embersfade-embers ;;嵌套命令fade-emberstick
endto ignite sprout-fires 1 ;;使fires涌现，数量为1[ set color red ] ;;颜色变为红色set pcolor black ;;瓦片颜色变为黑色set burned-trees burned-trees + 1 ;;烧毁的数数量加1
endto fade-embers ask embers[ set color color - 0.3  ;; embers颜色变为暗红if color < red - 3.5     ;; 如果颜色<red-3.5，则pcolor和color都消失[ set pcolor colordie ] ]
end

注意点：

（1）嵌套了两个命令：ignite和fade-embers，让fire涌现（红色），瓦片变黑；然后再生成ember，再让ember变暗至die。我尝试不加入ember，直接让fires变暗至die，这样做的后果是火线ignite后就die了，火苗没法传播出去。（p.s.：不知道解释的对不对）;

（2）之所以在ignite中要让pcolor变黑，是因为如果不变黑，红色就会以绿色为背景出现，视觉效果不好。

效果如图：

模型改进

改进（一）：考虑树木的可燃性

在现实的森林大火中，出于各种原因（下雨、天气湿度、树木本身特性），树木也许并不都是可燃的，所以火苗的传播可能不是畅通无阻的。可以在模型中增加变量：probability-of-spread。原代码变为：

ask fires[ ask neighbors4 with [pcolor = green][ if random 100 < probability-of-spread[ ignite ] ]set breed embers ]

注意点：

与命令random-float不同，random命令生成的是整数，random-float生成的是floating point number（浮点数，即小数）。

效果如图

改进（二）：考虑风的影响

风可能是影响火势的重要因素。因此，在模型中继续加入风速。考虑风的方向，主要把风分解为：南风速度、西风速度这两个变量。在火苗传播的过程中，如果没点燃的patch位于上风向，则令probability-of-spread减去风速；如果位于下风向，则令probability-of-spread加上风速，以计算总的被点燃可能性。原代码变为：

ask fires [ask neighbors4 with [pcolor = green] [let probability probability-of-spreadlet direction towards myselfif direction = 0 [set probability probability - south-wind-speed]if direction = 90 [set probability probability - west-wind-speed]if direction = 180 [set probability probability + south-wind-speed]if direction = 270 [set probability probability + west-wind-speed]if random 100 < probability [ ignite ] ]set breed embers ]

注意点：

（1）myself指的是命令的发出者（netlogo词典官方解释："the turtle, patch or link who asked me to do what I'm doing right now"），此句命令的发出者是：fire，所以指的是：令direction等于neighbors4和fire之间的角度。

（2）这里的probability和direction都是局部变量，不需要像全局变量那样在命令的最开始提前声明，但局部变量只在所属的这一段代码中有用。

效果如图：

改进（三）：考虑火苗的远距离传播

在真实的森林火灾中，火苗不止仅燃烧到neighbor的patch，还有可能会进行远距离的传播。因此加上big-jumps开关。原代码变为：

if random 100 < probability [ ignite ] ]if big-jumps? [let target patch-at (west-wind-speed / 5) (south-wind-speed / 5)if target != nobody and [ pcolor ] of target = green [ask target [ignite ]]]set breed embers ]

注意点：

（1）开关名为big-jumps?，if big-jumps?（如果打开）；

（2）target为局部变量，只在该命令行有效；

（3）nobody指的是一个主体都没有（netlogo词典：no agent was found），与not any有所不同。any？指主体集合（netlogo词典：the given agentset is non-empty），not any？指没有agentset；

（4）嵌套的命令较多，注意结尾方括号。

效果如图

加入以上这些变量以后，可以用行动空间模拟不同参数设置下，森林火灾的燃烧情况。实验数据可以用来进一步研究变量与森林火灾燃烧的关系。

（2022.3.31）