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.     

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。      

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,同时讨论了林火蔓延模型和蔓延模拟的发展前景.     

基于元胞自动机与智能体的水污染可视化模拟仿真

【目的】建立水污染可视化扩散模型,以刻画水污染突发事件的复杂性及满足其应急决策平台对可视化的需求。【方法】构建基于元胞自动机和智能体的三维水污染可视化扩散模型,用元胞自动机刻画研究区流域及所在区域地形,并从元胞空间、元胞状态、演化规则方面扩展普通元胞自动机模型,应用水质Agent描述流域中携带污染物的水体,在此基础上结合3S技术充分展现污染物的扩散运移过程,并将文中模型在渭河宝鸡段水污染事件中进行实例应用。【结果】基于元胞自动机和智能体的三维水污染可视化扩散模型充分展现了流域水污染扩散模拟现象的动态性、复杂性、非线性特点。模型在渭河宝鸡段水污染事件中的应用表明,静态水面元胞层和水下元胞层以及动态水质Agent的结合,简化了污染物在水面及水下不同的扩散运移现象,所建模型合理、可靠,能有效预测及模拟污染物的运移扩散过程;同时利用3S技术对流域空间信息进行了展示分析,满足突发水污染事件应急平台对事件模拟高效率、可视化的要求。【结论】所建模型可以为突发水污染事件提供一种预测和模拟方法。     

基于多智能体的森林火灾蔓延模拟

从多智能体的角度来研究森林火灾的蔓延模拟,提出一个整合了地形、风因子、树种因子、以及树木水平分布因子的多智能体模型。在该模型中林火的燃烧蔓延和高程、风速、风向、树种紧密相连。应用该模型可以实现在特定条件下的林火蔓延模拟,预测林火发展趋势。基于多智能体的森林火灾蔓延模拟模型,借助美国西北大学的多智能体建模软件NetLogo开发完成。可以实行研究区域的高程数据读取,树种可燃性因子读取,设置风速风向,森林密度,可视化模拟林火蔓延趋势等功能。     

林火蔓延模拟研究进展

快速准确地模拟和预测林火的蔓延和发展,可以为及时部署灭火力量、控制火灾蔓延提供科学的决策依据。分析影响林火蔓延的地形、可燃物和气象三大因子,评述林火蔓延模型的适用性和林火蔓延模拟的发展现状,并指出目前林火蔓延模拟存在的主要问题以及今后林火蔓延模拟研究的发展方向。     

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.      

基于可控邻域作用元胞自动机模型的城市扩张模拟

提出了一种城市元胞自动机（CA）模型,使用二分Logistic回归从历史数据中挖掘位置特征变量对元胞状态转换的影响,引入邻域因子,实现了可控邻域作用。采用该模型对长沙市区及部分周边地区的城市扩张进程进行了模拟和预测,并对预测结果进行了评价。     

大兴安岭呼中林区林火蔓延三维模拟

综合国内外林火蔓延相关研究,结合大兴安岭呼中林区的实际情况,选择Rothermel蔓延模型为林火蔓模拟模型,采用微软的Visual Studio 2010做为开发工具,OpenSceneGraph 3.0作为三维渲染引擎完成一款林火蔓延模拟软件(3DVFS)的开发.采用的林火蔓延算法是计算效率比较高的最短传播时间算法.林火蔓延模拟中综合考虑风、地形、可燃物类型等因素对林火蔓延的影响.林火模拟结果表明:3DVFS可以反映森林火灾的蔓延规律,进一步完善后可能为林火行为研究工作、森林防火扑火工作等起到一定的指导作用.     

渗透理论在森林火灾模拟系统中的仿真研究

为了研究林火行为对林火决策的重要性和林火的时空特性,主要利用渗透理论建立森林火灾的蔓延模型,通过该模型来模拟森林火灾的动向,仿真森林树木的分布情况和林火蔓延情况。仿真实验结果表明,提出的模型初步反映了森林火灾随林木分布密度不同而呈现不同蔓延情况的规律。同时,对风速、风向、地形等其他因素对火灾蔓延的影响进行了分析,并简单介绍了森林火灾蔓延的改进模型。图6表1参10     

基于ArcGIS Engine的森林防火与应急决策支持系统设计与实现

为了解决预测森林火灾以及森林火灾发生之后的人员及设备的合理调度问题,基于ArcGIS Engine构建森林防火与应急决策支持系统。在此系统平台上,在没有发生火灾的情况下利用AHP法结合火险天气等级进行预测预报、设置最佳观测站位置等,在火灾发生时利用GPS对火点进行精确定位,并将接收到的数据在三维场景中进行动态火势模拟,实时观测火势蔓延态势。此外,将王正非林火蔓延模型进行优化,以便更准确地模拟林火的蔓延,当火灾发生后可进行统计分析并进行损失评估。结果表明,采用王正非林火蔓延模型结合ArcGIS Engine三维分析,对森林火灾蔓延态势的掌握达到了较高的准确度。     

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。图5参12     

森林防火多出救点应急调度算法

在森林重大火灾应急调度时,要保证在灭火时间最短的前提下使出救点个数尽可能少。当前火灾应急调度模型均是基于目标变量（即需求的灭火资源总量）确定的前提下提出的,但灭火资源所需数量是随时间、气候、地形地貌等变化而变化的,需要结合林火蔓延模型来求解目标变量,进而结合灭火时间最短和出救点个数最少2个约束条件,得出一次性消耗的应急多出救点资源调度的计算方法。以王正非等的林火蔓延模型为基础,在考虑火速、风力、坡度等因素下,得出不同着火时间下灭火资源动态需求量,结合模糊规划方法求解救火时间最短以及出救点个数最少的森林资源火灾应急调度优化出救方案,并给出了仿真案例,旨在为森林扑火行动提供一定的理论和实践指导。图1表5参15     

林火蔓延模型模拟空间精度评价研究

在林火蔓延模拟过程中,为技术基础林火蔓延模型模拟空间精度评价是一个十分重要的问题。以林火蔓延模拟、地理信息系统和计算机图形学为技术基础,以林火蔓延的边界位置、面积和轮廓形状为主要指标,提出了一套林火模型模拟空间精度的评价方案,并通过模拟实验验证了该方案的可行性。结果表明,这一方案可以满足林火蔓延模型模拟空间精度评价的需要,为多模型林火蔓延模拟中模型的选择提供了依据。     

基于FARSITE的森林火蔓延模拟研究

分析了基于FARSITE的森林火势蔓延模拟的可行性,并利用ArcGIS平台对森林火势蔓延模拟和火行为的时空格局进行了研究,旨在为森林防扑火部门提供预测信息和决策参考。     

北京门头沟区主要林分类型地表火行为模拟研究

  目的  地表火是最常见的林火类型，直接影响植被更新和生态系统的养分配置与循环。反映林火行为的常见指标有火蔓延速度、单位面积发热量、火强度和火焰高度。根据实际林分和立地条件进行火行为模拟，可以揭示林火发生条件，并有效判断树冠火发生的可能性，为林火的预防和扑救决策工作提供科学依据。  方法  选取北京市门头沟典型林分（刺槐林、油松林、侧柏林）为调查对象，每个林分设置5块样地，共计15块样地。通过野外调查获取可燃物载量（灌木可燃物、草本可燃物、1时滞可燃物、10时滞可燃物、100时滞可燃物）、林分因子（第一活枝下高、第一死枝下高、树高、胸径、郁闭度）和立地因子（海拔、坡度、坡向、坡位）数据，使用BehavePlus6软件，基于气象参数和可燃物参数，模拟不同燃烧条件下不同林分类型的火行为指标，分别为地表火蔓延速度、单位面积发热量、火线强度和火焰长度；使用R语言进行主成分分析，根据贡献率探讨林分因子、立地因子和可燃物因子对火行为的潜在影响。  结果  侧柏林、刺槐林和油松林的可燃物总载量分别为15.35、17.59、15.28 t/hm2，其中易燃可燃物载量（即上层枯叶、易燃草本、1 时滞可燃物）分别是4.55、4.41、6.18 t/hm2，分别占林分总可燃物载量的29.6%、25.1%、40.4%。防火期内门头沟区的平均风速为2.2 m/s（7.9 km/h），地表火蔓延速度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，速度分别达11.5、11.1、8.0 m/min。单位面积发热量油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，分别为23 091、21 155、18 413 kJ/m2；火强度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，分别为4 426、3 882、2 468 kW/m；油松林火焰高度变化范围分别是0.89 ~ 3.40 m、1.34 ~ 2.91 m、1.78 ~ 3.88 m，同等条件下火焰高度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林；8级大风天气下（风速17.9 m/s，64.4 km/h），地表火行为的模拟结果会略有改变，侧柏林的火蔓延速度更快、火强度更高，油松林、刺槐林次之。根据主成分分析的因子贡献度，分别得出影响3种林分火行为的主成分，侧柏林、刺槐林与油松林的第1与第2主成分分别为可燃物构成（可燃物载量及影响其分布的地形因素）与林分因子、可燃物构成与可燃物含水率、林分因子与可燃物含水率。  结论  （1）易燃可燃物载量是影响林分火行为的关键因子。（2）可燃物含水率对火行为指标的数值起决定作用，可燃物含水率的临界值影响林火发生类型。可燃物湿润时无论风速大小，林地难以起火；可燃物干燥时处于易燃状态，大风天气时容易发生蔓延快、强度高的地表火。（3）可燃物连续性是决定地表火发展成为树冠火的关键因素，火焰高度大于第一活/死枝下高，极有可能从地表火发展成为树冠火，扑救难度极大。建议需定期修枝割灌，清理林下可燃物，降低火险。