(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106548514 A(43)申请公布日 2017.03.29
(21)申请号 201610952318.9(22)申请日 2016.11.02
(71)申请人 北京航天泰坦科技股份有限公司
地址 100083 北京市海淀区北四环中路229
号海泰大厦1107室(72)发明人 谭靖 李莹 彭松 段卫虎 (74)专利代理机构 北京同辉知识产权代理事务
所(普通合伙) 11357
代理人 刘洪勋(51)Int.Cl.
G06T 17/05(2011.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图1页
(54)发明名称
基于三维的林火蔓延模拟方法和系统(57)摘要
本发明公开了一种基于三维的林火蔓延模拟方法，包括：S1：三维地形因子生成；S2：三维风场模拟：在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；S3：温度场和湿度场模拟：基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；S4：可燃物系数划分：依据森林类型分布数据生成三维可燃物系数数据分布；S5：三维火场蔓延模拟：基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；S6：三维火场蔓延信息获取。该方法用于对林火蔓延的模拟，能得到更高精度的模拟结果。CN 106548514 ACN 106548514 A
权 利 要 求 书
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1.基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：三维地形因子生成：
在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图；S2：三维风场模拟：
在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；S3：温度场和湿度场模拟：基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；S4：可燃物系数划分：
依据森林类型分布数据生成可燃物系数数据分布；S5：三维火场蔓延模拟：基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；以及
S6：三维火场蔓延信息获取：随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据；其中步骤S4与S1-S3的执行顺序不分先后。
2.根据权利要求1所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，在步骤S3中，所述基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理具体包括：
基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。
3.根据权利要求1所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线、过火面积和火险强度数据中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述森林类型分布数据为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度的结合。
6.基于三维的林火蔓延模拟系统，其特征在于，包括：三维地形因子生成模块，用于在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图；
三维风场模拟模块，用于在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；
温度场和湿度场模拟模块，用于基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；
可燃物系数划分模块，用于依据森林类型分布数据生成三维可燃物系数数据分布；三维火场蔓延模拟模块，用于基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；以及
三维火场蔓延信息获取模块，用于随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据。
7.根据权利要求6所述的基于三维的林火蔓延模拟系统，其特征在于，所述温度场和湿
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权 利 要 求 书
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度场模拟模块具体用于：
基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。
8.根据权利要求6所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线、过火面积和火险强度数据中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的基于三维的林火蔓延模拟方法，其特征在于，所述森林类型分布数据为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度的结合。
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说 明 书
基于三维的林火蔓延模拟方法和系统
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技术领域[0001]本发明涉及一种火灾蔓延模拟方法，特别是一种基于三维的林火蔓延模拟方法和系统。
背景技术[0002]目前，在我国应用最多的林火蔓延模型包括毛贤敏模型及王正非林火蔓延模型。王正非林火蔓延模型仅适用于坡度在60°以下的地形,上坡和风顺着向上坡的情况,后来,毛贤敏等人考虑风向和地形的组合,导出了上坡、下坡、左平坡、右平坡和风方向的5个方向的方程组,经计算可得出这五个方向的林火蔓延速度。[0003]在王正非及经毛贤敏等人扩展后森林火灾蔓延模型的实际应用中，由于仅考虑了上述风速的参数，使得在实际特定区域的应用上受到限制。本发明结合三维地形、风速、风向、温度、湿度、可燃物指数等因素，用于对林火蔓延的模拟，能得到更高精度的模拟结果。[0004]CN 105279884公开了一种结合公网气象的输电线路山火蔓延预测方法，其中在计算蔓延速度时，除风速外，还引入了坡度和植被影响因子。但是这种计算方法考虑的仍然不全面，影响了预测精度。发明内容[0005]本发明的目的是解决现有技术中火蔓延模型在特定区域应用受限、预测精度低的问题。[0006]为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于三维的林火蔓延模拟方法，包括如下步骤：[0007]S1：三维地形因子生成：[0008]在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图；[0009]S2：三维风场模拟：[0010]在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；[0011]S3：温度场和湿度场模拟：[0012]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；[0013]S4：可燃物系数划分：[0014]依据森林类型分布数据生成可燃物系数数据分布；[0015]S5：三维火场蔓延模拟：[0016]基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；以及[0017]S6：三维火场蔓延信息获取：[0018]随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据；
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说 明 书
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其中步骤S4与S1-S3的执行顺序不分先后。
[0020]可选地或优选地，在步骤S3中，所述基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理具体包括：[0021]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。[0022]可选地或优选地，所述时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线、过火面积和火险强度数据中的至少一种。[0023]可选地或优选地，所述森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种。[0024]可选地或优选地，所述森林类型分布数据为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度的结合。[0025]另一方面，本发明提供了一种基于三维的林火蔓延模拟系统，该系统包括：[0026]三维地形因子生成模块，用于在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图；[0027]三维风场模拟模块，用于在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；[0028]温度场和湿度场模拟模块，用于基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；[0029]可燃物系数划分模块，用于依据森林类型分布数据生成三维可燃物系数数据分布；[0030]三维火场蔓延模拟模块，用于基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；以及[0031]三维火场蔓延信息获取模块，用于随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据。[0032]可选地或优选地，所述温度场和湿度场模拟模块具体用于：[0033]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。[0034]可选地或优选地，所述时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线、过火面积和火险强度数据中的至少一种。[0035]可选地或优选地，所述森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种。[0036]可选地或优选地，所述森林类型分布数据为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度的结合。[0037]本发明提供的本发明提供了一种基于三维的林火蔓延模拟方法，更为全面地考虑了林火的实际环境影响因子，结合三维地形、风速、风向、温度、湿度、可燃物指数等因素，用于对林火蔓延的模拟，能得到更高精度的模拟结果。
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附图说明[0038]图1为本发明实施例一所提供的基于三维的林火蔓延模拟方法的流程图；[0039]图2为本发明实施例二所提供的基于三维的林火蔓延模拟系统的结构示意图。具体实施方式[0040]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。[0041]本发明提供的一种基于三维的林火蔓延模拟方法，适用于森林火灾火势蔓延的三维模拟。在毛贤敏模型和王正非林火蔓延模型的基础上，引入了更加全面的，符合实际应用场景的影响因子，可以得到更加精确的模拟结果。[0042]实施例一[0043]如图1所示，本实施例提供的一种基于三维的林火蔓延模拟方法，包括以下步骤：[0044]S1：三维地形因子生成：[0045]在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图。[0046]其中，GIS平台优选使用Arcgis，其具备的空间分析模块可以自动分析数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)。得到具有坡度和坡向数据的三维地图。此外，Arcgis中包含了大量的可编程组件，提高了GIS平台应用程序的扩展性。[0047]S2：三维风场模拟：[0048]在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；[0049]风速和风向的模拟可以采用本领域公知的流体力学模拟软件，例如，本实施例中采用的软件为Fluent。[0050]S3：温度场和湿度场模拟：[0051]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；[0052]由于温度、湿度和DEM数据是离散的，因此需要插值法进行处理后才能模拟出连续的温度场和湿度场。插值的方法有多种，在本实施例中采用的是Kinging插值法(克里金插值法)，该方法为在变异函数理论和结构分析的基础上，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法，得到的温度场和湿度场数据更为精确。作为进一步改进，步骤S3具体可以包括：[0053]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。在一个实施例中，具体的订正方法可以是：[0054]对于温度值：[0055]第一步，采用气温垂直递减率0.64℃/100m对研究区的气象站温度点数据进行订正，研究区中任意一点的温度可以表示为：[0056]T＝T0—A*E[0057]公式中，T0表示海平面的温度(℃)，E表示海拔高度(m)，A为研究区的温度垂直递减率，T为研究区中海拔高度为E时对应的温度值；
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第二步，采用Kinging方法插值，利用气象温度点数据生成面数据。
[0059]对于湿度值，可以直接采用Kinging方法插值，利用气象湿度点数据生成面数据。[0060]如前所述，Kinging插值法的优点在于结果精确，但是缺点是，运算非常复杂，计算耗时长，而本发明涉及的计算参数较多(例如在计算温度和湿度时需要考虑海拔参数)，会使得处理器的运算负担呈指数级的增长。为此，本实施例中，在进行Kinging插值前，先将各个位置上温度和湿度数据的海拔因素消除，这样大幅减少了插值的运算量。在插值完毕后，只需要对处理后的数据进行海拔梯度订正即可，而这部分的运算量较小，不会给处理器带来过多的负担。[0061]S4：可燃物系数划分：[0062]依据森林类型分布数据生成可燃物系数数据分布；[0063]森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种或几种的组合。优选为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度这四类数据的结合。其中：[0064]优势种是指群落中占优势的种类，它包括群落每层中在数量、体积上最大、对生境影响最大的种类。比如森林群落中，乔木层，灌木层，草本层和地被层分别存在各自的优势种，其中乔木层的优势种，即优势层的优势种常称为建群种。如兴安落叶松即为大兴安岭落叶松林建群种。建群种在个体数量上不一定占绝对优势，但决定着群落内部的结构和特殊环境条件。正是因为如此，在传统的林火蔓延模型建立中，一般只会考虑个体数量占优势的树种，而忽略了在数量上可能不占优势，但是真正对群落内部的结构和特殊环境条件产生作用的优势种因素。本发明通过引入优势种因子，充分考虑的森林的实际环境条件，更有利于得到精确的林火蔓延模型。[0065]郁闭度是指森林中乔木树冠彼此相接，遮蔽地面的程度。亦即单位面积上立木树冠投影面积之和与该面积之比值。[0066]草灌层盖度包括草本层和灌木层盖度，指的是草灌层植物地上部分植投影的面积占地面的比率。[0067]最后得到的三维可燃物系数数据可以作为可燃物系数因子引入三维火场蔓延模型中。这种计算方式充分考虑了森林火灾相较于普通山火的环境特性，模拟结果更为精确。[0068]在实际计算中，可以根据不同地区，输入不同因子的权重，最后归一化处理，即可得到可燃物系数数据分布。[0069]在上述步骤中，S2-S3中的每一步骤需要依据上一步的计算结果来完成，因此S1-S3需要依次按照顺序执行，而S4中可燃物系数的划分无需参考S1-S3的数据，因此可以独立进行。[0070]S5：三维火场蔓延模拟：[0071]基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型。[0072]通过S1-S4，可以得到三维的坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度和可燃物系数因子，依据这些因子，最终建立起完整的三维火场蔓延模型。例如，在一个实施例中，模型的具体建立方式可以包括：首先，基于王正非模型得到林火蔓延的初始速度R0，该初始速度R0中包含了每天最高温度T、中午的风力(风级)W以及每天最小湿度h这些因子。进一步地，结合毛贤敏模型引入风向、坡向和坡度因子，最后与可燃物系数因子相乘，得到林火蔓延速度，
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即得到最终的三维火场蔓延模型。[0073]S6：三维火场蔓延信息获取：[0074]随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据。[0075]根据获取信息的实际需求，在三维火场蔓延模型中可以获得的时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线(如火线的分布和长度)、过火面积(如受损面积大小)和火险强度(如火灾的燃烧面积、损害程度等火烧强度)数据。蔓延过程的计算可以基于GIS软件的地形图并进行矢量化，生成格栅数据后作为地形数据，以一个火点为基准，采用迷宫算法，即每个点向外扩散有8个方向，根据蔓延模型计算火情向各个方向的蔓延速度和时间，计算出蔓延的路径，形成火场的边界，最终确定火线、过火面积等可视化数据。[0076]实施例二[0077]如图2所示，本实施例提供了一种用于执行实施例一所述方法的基于三维的林火蔓延模拟系统，该系统包括如下的功能模块：[0078]三维地形因子生成模块101，用于在GIS平台对数字高程模型进行三维空间分析，获取坡度和坡向地图；[0079]三维风场模拟模块102，用于在数字高程模型的数据基础上，进行风速和风向的模拟，获取三维地形上的风场数据；[0080]温度场和湿度场模拟模块103，用于基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据进行插值处理；该模块具体用于：[0081]基于离散的温度、湿度和数字高程模型数据，消除各个位置上的温度、湿度数据的海拔因素，在同一水平面用Kinging方法插值，然后按温度、湿度的海拔梯度变化，进行各个海拔位置上的温度、湿度数据订正。[0082]可燃物系数划分模块104，用于依据森林类型分布数据生成三维可燃物系数数据分布；森林类型分布数据包括优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度中的至少一种，更优选地为优势种、平均树高、郁闭度和草灌层盖度的结合。[0083]三维火场蔓延模拟模块105，用于基于三维坡度、坡向、风速、风向、温度、湿度、可燃物系数因子生成三维火场蔓延模型；以及[0084]三维火场蔓延信息获取模块106，用于随着森林火灾燃烧时间推移，基于三维火场蔓延模型形成时间序列林火蔓延数据。[0085]其中，时间序列林火蔓延数据包括时间序列火场火线、过火面积和火险强度数据。[0086]上述各功能模块分别对应于实施例中步骤S1-S6，涉及的具体实施方式与实施例一相同，在此不再赘述。[0087]以上对本发明所提供的基于三维的林火蔓延模拟方法和系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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