專利名稱：一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于指導(dǎo)森林火災(zāi)撲救的森林小班尺度的林火蔓延模擬方法，特別是一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法。
背景技術(shù)：
在我國應(yīng)用最多的林火蔓延模型包括Rothermel模型及王正非林火蔓延模型。王正非林火蔓延模型僅適用于坡度在60°以下的地形，上坡和風(fēng)順著向上坡的情況，后來，毛賢敏等人考慮風(fēng)向和地形的組合，導(dǎo)出了上坡、下坡、左平坡、右平坡和風(fēng)方向的5個(gè)方向的方程組，經(jīng)計(jì)算可得出這五個(gè)方向的林火蔓延速度。所以在王正非及經(jīng)毛賢敏等人擴(kuò)展后森林火災(zāi)蔓延模型的實(shí)際應(yīng)用中，由于只考 慮了上述五個(gè)方向上風(fēng)速的參數(shù)，使實(shí)際應(yīng)用受到限制。本發(fā)明從森林小班的尺度上，計(jì)算八個(gè)方向上林火蔓延速度，用于對林火蔓延的模擬，能得到更高精度的模擬結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高森林小班林火蔓延模擬的精度，本發(fā)明的目的是提供一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的森林小班林火蔓延方向以著火點(diǎn)為中心分別以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8個(gè)方向?yàn)樯中“嗔只鹇臃较颉?br> 以數(shù)模①R = R0XKsX exp (0. 1783Vcos 9 ) X exp (3. 533 (tan ) L2)計(jì)算森林小班林火在上坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模②R = R0XKsXexp (0. 1783Vcos ( 0 -45。)) Xexp {3.533[tan((j5Xcos45° )]12}計(jì)算森林小班林火在右上坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模③R =R0XKsXexp (0. 1783Vcos(0 -90° ))計(jì)算森林小班林火在右平坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模④ R = Rtl X Ks Xexp (0. 1783Vcos( 9 -135° )) X exp {-3. 533 [tan (<t Xcos45。)]1.2}計(jì)算森林小班林火在右下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑤R = RtlXKsX exp (0. 1783VcOS(180° -
0)) Xexp (-3. 533 (tan 4) )L2)計(jì)算森林小班林火在下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑥R =R0XKsXexp (0. 1783Vcos( 0 -225。)) Xexp {-3. 533[tan(Xcos (-45° ))]1.2}計(jì)算森林小班林火在左下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑦R = R0XKsXexp (0. 1783Vcos ( 0+90° ))計(jì)算森林小班林火在左平坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑧R = RtlXKsXexp (0. 1783Vcos(0-315。)) X exp {3. 533 [tan ( X cos (-45° )) ]L2}計(jì)算森林小班林火在左上坡方向上的蔓延速度；其中，Rtl是蔓延的初速度，Ks是可燃物系數(shù)，為地形坡度角，V為風(fēng)速，0為風(fēng)向角。森林小班林火蔓延模擬的過程如下首先，在柵格數(shù)據(jù)上確定火點(diǎn)M所在的像元；其次，計(jì)算火點(diǎn)M所在像元中心與周圍相鄰8個(gè)像元中心之點(diǎn)的距離S ;然后，以數(shù)模
⑨計(jì)算火點(diǎn)M沿8個(gè)方向的蔓延時(shí)間A t8 ;最后，利用類八叉樹算法計(jì)算火點(diǎn)M在 K8個(gè)方向上蔓延路徑，直到所有邊界點(diǎn)的8個(gè)方向t值均大于蔓延時(shí)間，所有標(biāo)記成過火點(diǎn)的柵格即為著火區(qū)域。本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)從8個(gè)方向?qū)α只疬M(jìn)行模擬，避免了先前只通過五個(gè)方向速度對林火進(jìn)行模擬的不完善，其動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，依賴參數(shù)少，獲取方便，提高了模擬的精度和效率，因而可準(zhǔn)確定位林火蔓延后各方向的位置，且模型具有簡單易行的特點(diǎn)；根據(jù)所提出的平面八叉樹算法可直接模擬小班林火蔓延的過程。
四

圖I為點(diǎn)火源林火蔓延的8個(gè)方向示意圖；圖2為森林小班林火蔓延平面八叉樹示意圖。 五具體實(shí)施例方式基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，作了很大改進(jìn)，具體是首先，如圖I所示，將森林小班林火蔓延方向以著火點(diǎn)為中心分別以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8個(gè)方向?yàn)樯中“嗔只鹇臃较?。其次，根?jù)八個(gè)方向上森林小班林火蔓延速度的數(shù)學(xué)模型計(jì)算森林小班林火在上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8個(gè)方向的蔓延速度上坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos 0 ) X exp (3. 533 (tan ) L2)右上坡R= RQXKsXexp(0. 1783Vcos( 0-45 ° )) X exp {3. 533 [tan (小 X cos45° )]1.2}右平坡R= RtlXKsX exp (0. 1783Vcos( 0-90。))右下坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos( 0 -135。))Xexp{_3. 533 [tan (<t Xcos45° )]1.2}下坡R= R0XKsXexp (0. 1783Vcos (180。-0)) Xexp (-3. 533 (tan ) L2)左下坡R = R0XKsXexp(0. 1783Vcos( 9 -225 。))X exp {_3. 533 [tan (X cos (-45。))]1.2}左平坡R= RtlXKsXexp (0. 1783Vcos( 0+90。))左上坡R= RtlXKsX exp (0. 1783Vcos( 0-315。))X exp {3. 533 [tan (小 X cos (-45。))]1.2}[式中Rq是蔓延的初速度，Ks是可燃物系數(shù)(樹種與數(shù)值之間關(guān)系可由表I得出)，$為地形坡度角，V為風(fēng)速，0為風(fēng)向角(把正上坡方向OV1作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)與風(fēng)向重合時(shí)，令其所旋轉(zhuǎn)的角度等于9)]。然后，利用地理信息系統(tǒng)軟件輸入地形圖并矢量化，生成柵格數(shù)據(jù)后作為地形數(shù)據(jù)，為保證正確性柵格需要使用同一精度，同時(shí)柵格的分辨率越小，模擬的精度越高。最后，如圖2所示，火點(diǎn)M向周圍蔓延，其相鄰點(diǎn)有8個(gè)，兩個(gè)柵格之間的距離為兩個(gè)柵格中心點(diǎn)的距離S，那么火點(diǎn)沿每個(gè)方向蔓延一格的時(shí)間就為S/相應(yīng)的方向的蔓延速度R，因此得到八個(gè)方向的蔓延時(shí)間tl t8。擴(kuò)散算法采用類八叉樹算法，即每個(gè)點(diǎn)向外擴(kuò)散有8個(gè)方向的選擇,在計(jì)算林火蔓延路徑時(shí),從起火點(diǎn)某一方向開始,沿順時(shí)針(或逆時(shí)針)方向檢測，每探測到某一方向，計(jì)算從當(dāng)前格沿該方向蔓延到下一格的時(shí)間t,若t值小于給定的蔓延時(shí)間，且該方位沒有走過，就沿此方向前進(jìn)一格，并標(biāo)記該柵格已為過火點(diǎn)，同時(shí)將該方向的時(shí)間更新為t，當(dāng)運(yùn)行到某時(shí)刻，該方向的下一個(gè)柵格已為過火點(diǎn)時(shí)，則直接跳過該方向判斷下一方向的時(shí)間t，每次運(yùn)行完八個(gè)方向?yàn)橐谎h(huán)，循環(huán)一次后會(huì)形成一個(gè)新的范圍，最新生成的邊界點(diǎn)(除過火點(diǎn)外)則成為下一次循環(huán)的著火點(diǎn)，之后每個(gè)邊界點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行八個(gè)方向的判斷，當(dāng)一個(gè)點(diǎn)所有方向的t值都大于蔓延時(shí)間，則該點(diǎn)記為過火點(diǎn)，從下回合開始停止蔓延，當(dāng)所有的邊界點(diǎn)的八個(gè)方向t值均大于蔓延時(shí)間時(shí)，該模擬 過程結(jié)束，所有標(biāo)記成過火點(diǎn)的柵格便是著火區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法，其特征是其中森林小班林火蔓延方向以著火點(diǎn)為中心分別以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8個(gè)方向?yàn)樯中“嗔只鹇臃较颉?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的森林小班林火蔓延方向，其特征是以數(shù)模①R= RοXKsX exp (O. 1783Vcos Θ ) X exp (3. 533 (tan Φ) L2)計(jì)算森林小班林火在上坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模② R = R0XKsXexp (O. 1783Vcos( Θ -45 ° )) X exp {3. 533 [taη(Φ Xcos45° )]12}計(jì)算森林小班林火在右上坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模③R =R0XKsXexp (O. 1783Vcos(9 -90° ))計(jì)算森林小班林火在右平坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模④ R = Rtl X Ks X exp (O. 1783Vcos( Θ -135° )) X exp {-3. 533 [tan (Φ Xcos45。)]1.2}計(jì)算森林小班林火在右下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑤R = RtlXKsX exp (0. 1783VcOS(180° -θ )) Xexp (-3. 533 (tan Φ)12)計(jì)算森林小班林火在下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑥R =R0XKsXexp (O. 1783Vcos( Θ-225。))Xexp {_3· 533[tan( Φ Xcos (-45。))]1.2}計(jì)算森林小班林火在左下坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑦R = R0XKsX exp (O. 1783Vcos ( Θ+90° ))計(jì)算森林小班林火在左平坡方向上的蔓延速度；以數(shù)模⑧R = RtjXKsX exp (O. 1783Vcos(0-315。)) X exp {3. 533 [tan ( Φ X cos (-45° )) ]L2}計(jì)算森林小班林火在左上坡方向上的蔓延速度；其中，Rtl是蔓延的初速度，Ks是可燃物系數(shù)，Φ為地形坡度角，V為風(fēng)速，Θ為風(fēng)向角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法，其特征是其中森林小班林火蔓延模擬的過程如下首先，在柵格數(shù)據(jù)上確定火點(diǎn)M所在的像元；其次，計(jì)算火點(diǎn)M所在像元中心與周圍相鄰8個(gè)像元中心之點(diǎn)的距離S ;然后，以數(shù)模 = 4計(jì)算火點(diǎn)M沿8個(gè)方向的蔓延時(shí)間h t8 ;最后，利用類八叉樹算法計(jì)算火點(diǎn)M在 K8個(gè)方向上蔓延路徑，直到所有邊界點(diǎn)的8個(gè)方向t值均大于蔓延時(shí)間，所有標(biāo)記成過火點(diǎn)的柵格即為著火區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平面八叉樹的森林小班林火蔓延模擬方法。該發(fā)明是將森林小班林火蔓延方向以著火點(diǎn)為中心分別以上坡、下坡、左平坡、右平坡、左上坡，左下坡、右上坡、右下坡8個(gè)方向，分別計(jì)算8個(gè)方向上的蔓延速度，并基于柵格影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)森林小班林火著火區(qū)域模擬，精確地模擬森林小班林火蔓延。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102799703SQ20121013870
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者馮澤邦 申請人:馮澤邦