基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真

【实例简介】
基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真 地理信息系统
东北林业大学学报 第36卷 表4地形阻尼系数 蔓延算法就显得较粗糙。边界外延算法计算量大,主要体现 下山火 上山火 在排序、査找方面,可以通过减少这方面的计算量而达到提高 坡度/(°)阻尼系数K2坡度(°)阻尼系数K2速度的目的。边界外延算法与迷宫算法的结果完全一样,但 42~ 0.07 38~42 1750 从编程的角度看,迷宫算法较易实现,而且速度不是很慢,所 0.13 33~37 1010 以在文中采用迷宫算法。 28~3 0.32 23~27 22~-18 0.46 18~22 NW N NE -17~-13 0.63 火点 E 0.83 0.90 SE SE -2~2 1.00 3林火蔓延模拟算法分析与选择 图2林火的蔓延方向 31边界插值算法 4林火蔓延的计算机仿真与实现 边界插值算法基于栅格数据,它对于火场边界的计算是 林火蔓延的计算机仿真主要分为4个步骤:第一、建立林 通过插值的方法来实现,它只计算从初始火点出发的8个方火蔓延的空间背景数据库,其空间背景数据库包括可燃物类 向,森林起火后,火源点向8个方向蔓延,分别为正东、正南、型数据、坡度数据、高程数据,并且它们要以栅格数据形式存 正西、正北和东南、东北、西南、西北。设火点的位置为行列号储,因为文中研究的林火蔓延仿真基于棚格数据结构;第二、 (讠),各方向上只计算从火源点出发的该方向上的栅格,其把王正非的数学林火蔓延模型转换为计算机模型;第三、根据 余栅格不计算。当各方向上的计算时间超过给定的林火蔓延输入的起火点的位置坐标,蔓延时间、风速及方向,在背景数 时间时,就停止计算,并记录下各方向的栅格行列号,再反映据库之上对火场扩展进行动态模拟显示;第四、计算林火的蔓 到具体地形上,则可得到火场状况的直观表示,再依据这8个延面积及火线周长等数据。具体流程如图3所示。 终结点进行插值运算,形成封闭的火场边界。 空间背景数据库 32边界外延算法 坡 边界外延算法从火蔓延所具备的两个特性(时间和空间)出 燃度 程 发来考虑,在假设没有二次燃烧等情况下,林火表现为从已燃区 物 向未燃区延烧的性质,它反映为林火在地理位置上的变化和时间 的延续上,林火燃烧的路径总是遵循在诸多可到达的路径中选择 林火蔓延模型 最快到达的那一条,因此,它的路径并不一定是空间上的最短路 (王正非林火蔓延模型) 径。边界外延算法乜是基于栅格数据的蔓延算法,实施此算法的 步骤是:记录每次加入一新的起燃栅格后形成的林火边界,在可 像元起火特征 计算机与数学知识 蔓延边界相邻栅格集合中,搜索其各方向上所需时间最短的栅 火点坐标 蔓延时间 格,并以此栅格作为下一个引燃栅格;对此栅格进行林火边界的 风速风句 林火蔓延计算机模拟 判断,同时对该栅格的加入所导致的原有边界集合的变动作调 整,然后再进入下一步循环,直至满足模拟时间为止。 火场扩展图统计和计算火场动态模拟 33迷宫算法 图3火场蔓延的计算机仿真流程 迷宫算法以栅格数据为基础,以火点为起点,从正东起沿41试验区空间背景数据库的建立 顺时针方向,其八方邻位可表示为:E、 SE S SW、W、N、N NE。每一点向外扩散有8个方向的选择,如图2所示。从正 釆用栅格数据进行林火蔓延模拟仿真,即将G丶中所输 东开始,沿顺时针方向检测,每探测到某一方向,计算累积时入的矢量的图形数据(地形图、林相图等)转换成栅格数据, 间∑t。若∑t小于给定的扩展蔓延时间T,且该方位没有走 因此、模拟的过程就是对所有的栅格点处理的过程,每个栅格 点所代表的长和宽(分辨率)越小,模拟的精度越高。考虑到 过或是原先累积时间大于∑t就沿此方向走一步,并记下所数据的处理及计算机计算的速度,每一图形数据的栅格化都 走的路径和方位,存放在堆栈或库中,同时将累积时间修改为 ∑t累积时间可用二维数组存放,初值置为零。如果探测到 釆用30m×30m栅格精度。试验区背景数据库的建立主要 某一方位四周的∑t值均大于或等于T,则退回一步重新检测 需要3种专题数据分别为高程数据、坡度数据、可燃物类型数 据。其中:前两种专题数据是利用现有的帽儿山数字等高线 下一个方位,当初始火点四周的8个方位都已检测完毕,则蔓 数据,通过 a rcv iew的3扩展模块生成;可燃物类型数据通 延过程结束。最终二维数组中所存放的累积时间∑t均小于过帽儿山数字林相图进行再分类获得,并将可燃物类型数据转化 是满足条件的像元集合,它们所形成的集合反映在图像当中为(RD栅格形式存储。文中所应用到的数据如表5所示。 就是模拟的火场 表5栅格数据 34算法的选择 名称 数据格式 数据类型 描述 边界插值算法不考虑蔓延过程中每个起燃栅格向8个邻 V ege tation ESR IGR D NTEGER可燃物类型数据 格蔓延的可能,因而计算较简单,但是此算法人为地简化了林 Elevation ESR IGR D NTEGER 高程数据 火蔓延的复杂性,对于大范围的地形变化较复杂的地区,林火 Sh ESR I GRⅢ N TEGER 坡度数据 C1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net 第9期 毛学刚等:基于G模型的林火蔓延计算机仿真 41 42林火蔓延速度的计算 难,因为不管用何种方法,都回避不了对可燃物、气象和地形 在进行蔓延计算前,需婁先形成速度图文件,在林火蔓延的等因素的考虑,因而,火场蔓延模型的建立非常重要。文中结 计算机仿真中最基夲的是林火的蔓延速度,通过速度图文件,可合帽儿山的实际情况建立了火行为的蔓延模型,并以Ⅴ isual 以直观地得到可燃物蔓延速度的情况。形成速度图,具体来说,C++60为主要可视化开发厂具,采用先进的COM技术,成 是对通过GS获得的各种薮据(可燃物类型数据、髙程数据和坡功地实现了基于G丶模型的林火蔓延计算机仿真 度数椐)逐点进行处理,通过栅格的行列号得到栅格图像上与行 目前的林火蔓延模型都是针对林火的始发阶段,今后对 列号相对应的点的属性值,如可燃物类型、高程、坡度等信息,然森林大火和特大火的模型硏究将成为重点。林火蔓延模拟的 后根据所选王正非蔓延模型并考虑实时参数,如发生火灾时的风研究也将向三维、立体的方向发展。随着对林火研究的深入, 向、风速等信息计算出该点的林火蔓延速度,并将此速度值赋给也出现了一些新的林火研究方法,如突变理论、元胞自动 该点这样形成的点集合在蔓延模拟中用作中间调用数据,称为机模拟林火蔓延、统计物理学方面的渗透理论、分形理 速度图。速度图的生成由Ⅴ ialc++60编程实现。 论2等,它们与计算机技术的结合必将对林火蔓延的研究做 43林火蔓延动态显示 出贡献。 林火蔓延的动态显示是林火蔓延仿真中最关键的一步, 参考文献 主要利用Ⅴ isual c++60编程实现,其主要过程为:第一、从 背景数据库中读入可燃物类型和高程数据;第二、根据输入的「1]黄作维.基于G和RS的林火行为预测研究[J西北林学院 学报,20621(3):94-97 风向、风速参数,利用王正非林火蔓延模型计算岀林火的蔓延「2」朱煌武,朱霁平,谢庆胜,等.基于地理信息系统的森林火灾救 速度;第三、将计算结果在空间背景薮据库上输出。动态模拟 辅助决策系统的研究[J.自然灾害学报,19998(1):60-70 不同风向、风速的结果,如图4所示。 [3 PerryG M, Sparrow A D, Ow ens I F AGs- supported model br the simu lation of the spatial stru cture of w iH land fire Cass bar sin New Zealnd[ J]. 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