基于改进的王正非模型结合元胞自动机的林火蔓延预测

【目的】针对当前我国林火蔓延预测仍存在预测精度不高、普适性差等问题,基于王正非速度模型结合多维元胞自动机的林火蔓延预测模型进行改进,研究了不同区域和分辨率下该模型的有效性,增强了该模型对于不同分辨率数据的适应能力,从而更好地对森林火灾蔓延进行预测,并为林区的火灾蔓延预测和管理提供一种科学合理的技术手段。【方法】使用黑龙江省大兴安岭地区2011年10月28日发生的森林火灾(分辨率500 m)与四川省凉山地区2022年3月29日发生的森林火灾(分辨率30 m)作为数据源,提取发生火灾时刻以及蔓延过程的火线。引入归一化植被指数(NDVI)对王正非模型进行改进,并利用反卷积算法对元胞自动机算法进行改进,将改进后模型输出的结果与实际结果进行精度对比,并比较不同分辨率下的模型精度表现。【结果】改进后的模型精度有明显的提升,其中,黑龙江省大兴安岭试验改进后模型的kappa系数提高了0.0297,面积误差率降低了21.33%,火场预测火点170个,平均过火速度0.75 m/min。四川省木里县试验改进后模型的kappa系数提高了0.1165,面积误差率降低了37.08%,火场预测火点1795个,平均过火速度为4.00 m/min。【结论】改进后的林火蔓延预测模型可以更有效地预测火灾蔓延并计算出最可能过火的火点位置,其预测结果具有高度的一致性和准确性,提高了林火蔓延模拟预测的实用性。与原始模型相比,改进后的模型很好地提高了在不同分辨率数据下的预测精度,能为林火预防和管理提供科学依据。

坡度点烧实验中床层宽度对林火蔓延的影响

本研究在实验室内构件目标林分下的可燃物结构床层并进行点烧试验,通过改变点烧平台的坡度与宽度值,分析有坡点烧实验中不同床层宽度对火线燃烧轨迹、林火蔓延速率的影响。实验包括四种床层坡度(0°、10°、20°、30°)和三种床层宽度(1、2、3 m),每场点烧进行两次共24场点烧实验。将本研究结果与现有相关经典模型预测值对比后,给出合理的床层宽度范围,在保证点烧实验精度的前提下,以期为今后的相关研究提供参考。

大气与地形环境对林火蔓延的影响研究--以山西一次森林火灾为例

为了深入认识林火蔓延特征及大气、地形等对林火行为的影响,选取2020年“3·17”山西晋中森林火灾,利用高分辨率地理信息、卫星遥感林火监测数据和气象观测对此次林火行为进行分析研究,同时运用林火—大气耦合WRF-Fire模式进行数值模拟。研究发现:①在可燃物载量相对稳定情况下,林火蔓延与地形和大气环境(大尺度天气系统和小尺度局地小气候)密切相关,尤其是风的变化;②数值模拟过火区范围和形状、火线蔓延方向和速度以及风向风速变化与实况较为一致,表明WRF-Fire模式可以较准确再现真实火场蔓延情况。分析蔓延速率、蔓延方向、火焰高度、释放热量和水汽等蔓延特征变量和过火区分布情况,该次模拟时效内的林火发展可分为5个阶段,不同阶段蔓延特征显著不同。

基于WRF模式研究动态风场对林火蔓延预测的影响——以西昌“3·30”森林火灾为例

风场是影响林火蔓延行为最关键的因素之一。许多林火发生在地形复杂多变的山区,会产生复杂的局部风场。为探究动态风场对林火蔓延预测的影响,以“3·30”西昌泸山森林火灾为研究对象,利用WRF(weather research and forecasting)模式模拟动态风场,并与林火蔓延模型耦合。分别将模拟风场和均一风场分别输入林火蔓延模型,基于林火蔓延过程中实际火场范围数据,分析动态风场对林火蔓延模型预测结果的影响。结果表明,耦合WRF模式和林火蔓延模型考虑了分辨率更高、且更为准确的局部风场,能够实现对森林火灾蔓延的动态模拟。预测得到的火场范围和均一风场相比,与实际范围具有更高的相似度。

三维元胞自动机各向异性林火蔓延快速模型

为建立林火蔓延动态预测模型,实现实时三维可视化模拟,构建了王正非--3D元胞自动机模型林火蔓延模拟框架。该模型考虑林火蔓延的物理规律和全局因素的相互作用,在王正非山火初始蔓延速度经验模型的基础上,综合考虑地表植被类型、地形坡度、风速、风向、温度5个因素,并根据元胞之间能量传递建立状态转换规则。以我国西南火灾高发区作为实验区域,在多约束条件下模拟林火蔓延行为并获取林火矢量边界,实验证明该方法简便、高效、输入参数少、运算效率高,可以实现不同条件下的林火蔓延快速模拟。

虚拟景观下林火蔓延三维可视化研究进展

林火行为的研究与RS、GIS、GPS、林火数学模型、信息网络、数据库、计算机图形学、虚拟现实等技术密切相关,近些年来,这些技术的发展以及其集成化,使得对林火的研究从二维表达方式,再到如今的三维可视化表达,经过了一个又一个阶段。林火蔓延模拟与可视化的研究趋势是注重真实再现三维虚拟森林景观、多用户参与快速决策和网络信息服务等方面。文章以林火模型的发展、林火模拟系统的实现、以及与之相关的可视化技术的发展、林火模拟的实例几点为框架,对如今虚拟景观下林火蔓延三维可视化技术的研究状况和趋势进行了概述。

虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达

传统上的林火模拟通常只选用一种林火模型,用一个简单的椭圆预测林火蔓延时火场各个位置的情况,与现实中火灾蔓延状况相差甚远,而且以往的林火蔓延是基于二维可视化表达,表达信息有限.本系统采用现今运用最广泛的Rothermel模型,利用Huygen原理,并以改进的粒子系统方法三维模拟在不同的风速、坡度下林火在火场不同位置的扩散行为.采用该方法模拟林火扩散行为,不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大小,且能给人以真实感.并将该方法成功地应用于福建漳浦林区.

林火蔓延模型及蔓延模拟的研究进展

为了研究林火行为的预测预报及林火蔓延模拟的可视化问题 ,该文在分析了林火蔓延及其影响因子的基础之上 ,阐明了几种林火蔓延模型及其适用性 ,评述了选用不同的林火蔓延模型对实际火场的预测预报具有的重要理论意义及实用价值 ,初步分析了蔓延模型选择的 4个基本出发点 :模型的功能、模型适用的地区和植被类型、模型的假设条件、模型的检验频数等 .在假定已有蔓延模型的基础上 ,分析了国内外林火蔓延研究的发展状况 ,指出了在林火蔓延模型的基础上以地理信息系统为平台的林火蔓延模拟已成为林火行为预测预报的主要方向 。

林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展

林火蔓延是林火行为的主要表现形式。本文对各种林火蔓延的计算机模拟和可视化技术的最新研究状况和发展趋势进行综述。首先,分析林火蔓延相关数学模型的类别和特点、模型发展方向与体系形成。其次,讨论基于元胞自动机的和惠更斯原理的二维林火模拟与显示技术,以及三维虚拟林火环境构建技术。最后,就林火蔓延模拟与管理信息系统的最新发展进行概括。认为林火蔓延模拟与可视化的研究与开发除向高精度与实用化等方向发展外,今后将更注重真实感环境下的多维虚拟森林景观构建、多用户参与的快速决策能力(如协同灭火)以及网络信息服务等方面。

基于GIS的林火蔓延模拟的实现

为定量描述林火行为以辅助扑救决策,利用地理信息系统(GIS)软件建立林火蔓延模拟的空间背景并生成相应数据,运用林火蔓延模型且综合考虑火场地形、气象及可燃物类型等因子,采用点到点的传播方式,用Visual Basic 6.0开发软件,最终实现林火蔓延的动态模拟。模拟的结果表明,在地形条件一定的情况下,林火的初始蔓延速度和风速的大小对林火蔓延有明显的影响,不同的初始蔓延速度会导致不同的蔓延结果,随着初始速度的增大,蔓延面积也相应增加;不同的风速形成的火场面积不同,随着风速的增大,蔓延面积也相应增加,但火场的形状相似;坡向不同,接受阳光的照射不同,温度、湿度、土壤和植被都有差异,一般南坡比北坡更容易燃烧且蔓延速度快;不同的坡位会导致林地内水分含量不同,进而也会影响林火的蔓延速度。

基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真

在GIS的支持下,建立了林火蔓延的空间背景数据库,在此基础上采用了王正非林火蔓延模型和遍历各点算法,在空间背景数据库之上,用Visual C++6.0+MapObject2.1控件技术进行了林火蔓延的动态模拟,以实现任意地点、任意气象条件下的林火蔓延动态仿真模拟,直观地掌握林火的发生、发展和蔓延的过程,以及林火蔓延的方向等。通过对模拟结果的分析得出,在模拟的过程中计算机运行比较快,模拟效果很好。

基于三维曲面元胞自动机模型的林火蔓延模拟

为了研究林火蔓延的动态预测及可视化模拟问题,该文在分析现有林火蔓延模型的基础上,提出选用三维曲面元胞自动机进行林火建模和蔓延模拟.该文初步完成了一个整合数字高程模型、气象因子、树种因子的三维曲面元胞自动机模型,设计了数据提取、加工、应用框架,开发出了能够进行林火蔓延三维模拟的软件系统.并通过八达岭林场局部地区的模拟,指出了应用该模型,可以实现不同条件下的林火蔓延模拟,快速预测林火发展趋势。

林火蔓延模拟的研究进展

随着计算机在火蔓延模拟方面广泛的应用,出现了很多计算机仿真模型。这些模型是在原有火蔓延模型的基础上结合各种蔓延算法发展起来的,相对于原始的火蔓延模型来说,这些模型的使用范围更加的广泛,模拟的结果更加的接近真实结果。近年来数学方法在火蔓延模型中的应用也越来越多,如CA、渗透理论、突变理论和人工神经网络等等,本研究在Andrew等人研究的基础上总结了数学方法在我国林火蔓延中的一些应用。重点分析了火蔓延的影响因子,我国对可燃物模型研究的较少,在模拟过程中多是借鉴国外模型或是应用简单的可燃物代替复杂的可燃物研究,本研究指出了建立可燃物模型、气象模型的重要性和必要性。

复杂地形下风场插值与林火蔓延模拟应用研究

山区地形复杂多变,风场随地形而变化,作为影响林火蔓延的主要因素,风场数据的准确程度将直接影响山地林火蔓延预测的结果。选择同时考虑地形起伏变化和距离作为主要因子的风场插值方法,设计并开发实现风场插值功能,并与基于空间距离的传统反距离权重(IDW)插值方法进行了比较研究。通过实验验证表明,所实现的基于地形起伏的风场插值方法对山区风场的模拟更接近实际;利用该方法的插值结果输入林火蔓延模拟,模拟的火场形状与实际范围具有更高的相似度。

林火蔓延模型研究及应用开发

利用惠更斯原理进行林火蔓延模拟,结合国际上成熟的林火行为模型(Rothermel的地表火模型,Van Wagner的树冠火蔓延模型,McAlpine的林火加速模型),建立适合云南省特殊地形的林火蔓延动态模型,并开发相应的动态模拟模块,在云南特殊地形地貌上的林火蔓延模拟做出一定探索。通过修改成熟的蔓延模型进行林火蔓延模拟达到模型预测的目的,并反映林火蔓延的主要规律。实验结果证明矢量的模拟方法是集成单个的地表火、树冠火、加速、飞火和可燃物含水率模型的更实际的技术。模型的集成简单易懂,因为每个模型的计算可以直接应用到火头的节点模拟上,然后控制所有模型的空间和时间分辨率。

模糊数据挖掘技术支持下的林火蔓延模型选择研究

林火蔓延是一种复杂的燃烧现象,要准确预测林火行为,就需要有科学的林火蔓延模型.该文结合广州市森林资源和森林防火的现状,利用模糊数据挖掘(FDM)技术,寻找与预测区域复杂自然条件相匹配的林火蔓延模型来预测林火行为.其方法是①确定影响林火行为的主导因子(可燃物水分含量、可燃物负荷量、易燃程度和坡度);②构建火灾数据样本集,利用FDM的模式发现与预测两大功能,归纳发现3类模式,依照择近原则匹配各模式所适用的林火蔓延模型;③根据火场指挥者实时提供的火灾信息,遵照FDM最大贴近度原则,判定新样本所接近的模式,然后自动选择适合这一模式的林火蔓延模型来预测林火行为.该方法可以提高林火行为预测的准确性.

基于元胞自动机的林火蔓延时空演变研究

以林火蔓延时空演变过程的计算机模拟为研究目的,提出一种GIS空间分析功能和元胞自动机模拟功能相结合的林火蔓延模拟方法.探讨影响林火蔓延的因素,将林火蔓延影响因子概括为土壤特性、可燃物特性、气象因子、地形因子和地理阻隔因素;分析林火蔓延模型,选取毛贤敏的王正非修正模型进行模拟;结合元胞自动机和GIS空间分析技术,对元胞属性赋值;根据林火蔓延的特点,设置元胞的状态;利用元胞扩散算法对元胞扩散过程进行模拟;最后,开发了一个原型系统,对林火蔓延的时空演变过程进行展示.结合GIS空间分析功能和元胞自动机技术能够较好地对林火的时空演变过程进行模拟.

基于ArcGIS Engine林火蔓延模拟算法的比较分析

算法选择对林火蔓延的模拟具有重要作用,既影响模拟的精度与效率,也限制模拟的实用性.对传统的边界插值算法进行优化,并与迷宫算法进行对比分析.研究表明,从耗时方面分析,与边界插值算法(5、7、16 s)相比,迷宫算法在3个时段的耗时(204、458、1 325 s)较长;且随着模拟时间的增加,迷宫算法的耗时呈现倍数增长.从模拟结果的精度上看,边界插值算法虽然模拟结果较为粗糙,但能从整体上反映林火蔓延的趋势,火场覆盖率为59.75%.迷宫算法的模拟蔓延边界细节较为接近实际的蔓延边界,能够反映林火蔓延的详细动态变化,且火场覆盖率达79.51%.

山地林火蔓延模型的研究

建立了有风速有坡度条件下的林火蔓延模型 ,并进行了模拟山丘条件下的数值计算和实验模拟。通过对计算结果和实验结果的分析比较 ,获得了模拟山地条件下的一些流场变化规律 ,为进一步预测林火行为奠定了基础 。

基于规则学习的林火蔓延元胞自动机模型

由于元胞自动机模型本质上的自组织特性与林火行为很接近,近年来基于元胞自动机的林火蔓延模型引起了广泛的关注.典型的元胞自动机是按照确定的映射规则自主地随时间演进的.当环境发生变化的时候规则需要由人工静态地进行调整、修正,因此效率低、对环境变化的适应能力差,模型的可移植性也不令人满意.这是基于CA的林火蔓延模型难以推广的主要原因之一.本文提出了一种应用人工免疫机制对元胞自动机规则进行自适应调节的方法,并在此基础上建立了一个林火蔓延实验模型.仿真实验表明经过规则学习,该模型具有了一定的火线形状的自纠正能力.