The Mathematical Model of Short-Term Forest Fire Spread

In this paper, we establish a mathematical model of the forest fire spread process based on a partial differential equation. We describe the distribution of time field and velocity field in the whole two-dimensional space by vector field theory. And we obtain a continuous algorithm to predict the dynamic behavior of forest fire spread in a short time. We use the algorithm to interpolate the fire boundary by cubic non-uniform rational B-spline closed curve. The fire boundary curve at any time can be simulated by solving the Eikonal equation. The model is tested in theory and in practice. The results show that the model has good accuracy and stability, and it’s compatible with most of the existing models, such as the elliptic model and the cellular automata model.

Mathematical Modeling of Crown Forest Fire Spread

Mathematical model of forest fire was based on an analysis of known experimental data and using concept and methods from reactive media mechanics. In this paper the assignment and theoretical investigations of the problems of crown forest fire spread in windy condition were carried out. In this context, a study—mathematical modeling—of the conditions of forest fire spreading that would make it possible to obtain a detailed picture of the change in the temperature and component concentration fields with time, and determine as well as the limiting condition of fire propagation in forest with fire break.

森林火灾中使用细水雾进行灭火仿真方法研究

森林火灾作为一种极具危害性的自然灾害,其发生和蔓延过程通常受到气候、地形、植被、可燃物等多种复杂因素的影响,导致很难准确地对森林火灾的蔓延与灭火过程进行仿真。对森林火灾的蔓延和细水雾灭火过程进行物理建模,蔓延模型采用树形模块结构来模拟树木燃烧的热解反应,并考虑了温度、风场、质量损失率等因素对树木燃烧蔓延的影响。在使用细水雾进行灭火仿真实验时,重点关注细水雾穿透火焰区域形成水膜以及水分蒸发导致的灭火作用,从而阻止森林火灾的蔓延,成功实现了交互灭火的仿真平台,可以让用户沉浸式地体验森林火灾的蔓延过程,并通过水枪、消防车和无人机进行细水雾灭火仿真实验。该研究成果对消防仿真领域方面的应用具有重要意义。

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。

贵州喀斯特生态系统典型针叶林地表火蔓延速度影响因子及预测模型

【目的】喀斯特生态系统农林交错,火源复杂,极易发生森林火灾,对喀斯特生态系统恢复等造成严重影响,研究该区域典型针叶床层平地无风条件下的林火蔓延速度,对于该区域植被恢复和森林防灭火工作具有重要意义。【方法】以喀斯特生态系统内3种典型针叶林下地表可燃物为研究对象,在室内平地无风条件下,构造与野外结构相似的针叶床层,以床层含水率、厚度和载量因子的不同梯度组合为变量,进行了188次点烧实验。【结果】(1)相同条件下,云南松和华山松针叶床层的林火蔓延速度没有显著差异,但显著高于马尾松针叶床层(P<0.001)。(2)可燃物床层含水率对针叶床层蔓延速度有显著的阻滞作用,床层厚度有显著的促进作用,床层载量对云南松和华山松针叶床层的蔓延速度有促进作用。(3)马尾松、云南松和华山松针叶床层林火蔓延速度的加式模型平均绝对误差分别为0.013、0.029和0.020 m/min,乘式模型的平均绝对误差分别为0.014、0.023、0.018 m/min,两种预测模型能解释75%以上的林火蔓延速度变化情况。(4)加式模型的外推误差的平均绝对误差和相对误差分别为0.108 m/min和42.50%,乘式模型外推效果优于加式模型,误差均值分别为0.086 m/min和28.20%。【结论】研究揭示喀斯特生态系统典型针叶林可燃物床层特征对林火蔓延速度的影响情况,3种针叶床层平地无风条件下蔓延速度较大,具有蔓延成灾的可能。综合预测精度和外推效果,建议选择乘式模型建立林火蔓延速度预测模型,为该生态系统内森林防灭火工作提供基础。

虚拟环境中面向灭火指挥的火场信息可视分析

针对森林火灾现场指挥的需求,综合分析地理环境、气象条件、森林资源和林火行为等灭火指挥所需信息,设计实现了在虚拟林火环境中的数据可视化可视分析方法。使用王正非-3D混合元胞自动机模型模拟林火蔓延过程;采取差时方法预测林火蔓延行为;实时捕捉不同兴趣域内环境数据的变化,结合多视图面板及图层叠加的方法,构建火场信息可视分析模块。通过调整虚拟林场的环境参数,对不同场景下的林火蔓延过程进行模拟仿真,并对火场信息进行可视化可视分析。实验结果表明:该方法能够在一定条件下较准确地预测林火蔓延行为,还可以较全面地描述火场信息。

机载激光雷达在森林火灾防控中的关键技术应用

利用机载激光雷达点云数据构建具有“一树一档”信息的森林档案模型,分类提取重点保护目标、林下道路、水源等各类矢量数据为林火蔓延模拟分析提供基础数据支撑;基于森林档案模型构建自适应林火蔓延模型库,通过机器学习、大数据库等手段优化模型修正系数,增强各模型之间的耦合特征,提升森林火灾三维仿真模拟能力;建立森林火灾扑救数字化方案库,充分依托地形、植被、气候等环境信息给出最适宜战术战法和紧急避险措施,为指挥官指挥决策提供重要参考。

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。

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。

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.

森林火灾蔓延多模型预测系统研究

该文通过对森林火蔓延模型的研究,建立了一种使用产生式原则的多模型森林地表火蔓延预测系统.此预测系统通过与森林火灾实时监控系统连接,将数据流动由传统公式计算中的单向流动,变为计算数据流回输入端,进行反馈修正计算,从而形成一个对数据库的修正与补充的系统,以达到减小模型预测误差的目的.与实测结果比较表明,该系统的预测结果可信,能够实现林火蔓延的预测.

基于GIS的森林火灾预报预测模型的研究与探讨

对当前森林火灾预报预测研究的现状进行了分析,指出了当前在技术与方法上存在的问题与不足。在此基础上,提出了一种新的基于GIS技术、遥感技术和数学建模等技术的森林火灾预报预测模型。该模型通过建立森林火灾本底数据库,分析森林火灾发生和蔓延诱发因素,建立森林火险预报模型与林火蔓延预测模型来对森林火灾进行预报与预测。

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。

基于遥感图像的林火蔓延模型的研建

为了更好地研究林火的发生、发展规律,人们通过实验、观测等手段获取数据建立林火蔓延和预测模型.该文基于对林火的研究,从MODIS数据出发,利用遥感图像的数据融合技术进行图像的增强,从融合后的图像获取建模数据序列,采用灰色理论来建立林火蔓延和预测模型.该模型具有建模简单,模型的通用性强,建模数据获取容易并有利于推广.从建立的灰色模型看,预测相对误差小于1%的占50%,预测相对误差小于5%的占25%,预测相对误差在5%~10%的占25%.

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。

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.

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。

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。

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。