基于图论优化的野火易发景观防火带规划框架：最小化潜在燃烧面积与燃料连通性的协同策略

本研究针对野火威胁下资源有限难以全面防控的难题，提出基于火灾传播树(FPT)和图论优化的防火带规划方法。通过构建有向无环图追踪火势蔓延路径，对比最小化燃料连通性(CND)与最小化预期燃烧面积(FPT)两种策略，并在加拿大Red Rock-Prairie Creek地区验证。该框架为复杂景观中协同降低火灾风险与生态影响提供了量化工具。

　　

随着气候变化加剧，北美森林野火频率和强度持续攀升，2023年更是创下火灾季纪录。面对这一严峻挑战，如何科学规划防火带成为保护人类基础设施和生态安全的关键。然而，野火行为的高度不确定性、资源限制下的优先决策难题，以及局部措施与景观级效果的关联评估，始终困扰着防控实践。

加拿大林务局大湖林业中心（Natural Resources Canada, Canadian Forest Service, Great Lakes Forestry Centre）的研究团队创新性地将图论优化引入防火带规划。他们开发了基于火灾传播树(Fire Propagation Tree, FPT)的模型，通过构建有向无环图追踪火势从起火点扩散的路径，量化防火带对潜在燃烧面积的阻断效果。研究对比了两种策略：一是传统的最小化燃料网络连通性(Critical Node Detection, CND)方法，二是新型的最小化预期燃烧面积(FPT)策略，并在加拿大阿尔伯塔省Red Rock-Prairie Creek这一典型火灾易发区进行验证。

关键技术包括：1) 使用Burn-P3火势增长模型生成60,000次火灾情景；2) 将景观划分为400公顷的六边形单元构建网络G；3) 建立包含多向火势蔓延（含飞火）的FPT；4) 开发混合整数规划模型优化节点/边移除方案。

研究结果方面：

1. 火灾传播树(FPT)策略：优先在燃烧风险热点周边布置防火带，使预期燃烧面积较无措施降低23.2%（50节点预算时）。但形成的防火带片段较短且存在间隙。
2. 临界节点检测(CND)策略：均匀分布防火带以分割燃料网络，使节点间火势传播路径减少11%，平均火灾影响范围缩小至27个节点。
3. 组合策略：通过变量v_fkj整合连通性与燃烧状态，在保护高风险区同时维持景观连通性控制，实现协同优化。

特别值得注意的是，研究发现：
• 在持续森林覆盖区域，CND与FPT策略差异仅5-8%，因阻断关键走廊能同时减少大火扩散
• 边移除方案比节点移除更精准匹配地形（如西向坡），预算利用率提升15%
• 通过聚合FPT为火灾传播图(Fireplain Propagation Graph, FPG)，计算量从|F|×|N|降至|N|×|N|级

这项发表于《Ecological Indicators》的研究，首次系统比较了连通性优化与燃烧面积最小化两种防火带规划范式的优劣。其创新价值在于：1) 提出量化局部措施对景观级风险影响的方法；2) 开发可处理飞火等多路径传播的FPT模型；3) 为加拿大"上烟区亚区域计划"等实际工程提供理论支撑。研究证实，在类似阿尔伯塔这样的连续针叶林区，传统CND方法已能较好兼顾双重目标，而FPT框架更适用于存在明显风险梯度的异质景观。这些发现为应对气候变化下的野火威胁提供了可扩展的决策工具。