林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展

摘 要: 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
第 41 卷 第 5 期 200 5年 9 月
林业 科学
SCIENT IA SILVAE SINICAE
Vol1 41, No1 5 Sep. , 2 0 0 5
林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展
陈崇成 李建微 唐丽玉 冯晓刚
( 福州大学福建省空间信息工程研究中心 教育部数据挖掘与信息共享重点实验室 福州 350002)
1 林火蔓延的数学模型
111 蔓延模型的构建与求解 11111 模型分类与选择 建立数学模型进行林火行为的预测模拟和定量分析可以追溯到 20 世纪 40 年代。 各种模型中, 以描述蔓延速率、火线强度和可燃物燃烧过程等用途的林火蔓延或扩展模型占主体( Perminov, 2002; Hanson et al . , 2000; 舒立福等, 2004) 。
人们在不断开发 实用性模型 的同时, 也没有 停止对复 杂物理模 型的改进 和简化的 努力( 宋卫 国等, 2001) 。简单模型的价值更体现在计算速度快, 又能提供林火扩展速率、火头几何形状、温度场特征, 而不是 关心它有多高的精度。为了折中计算速度与模拟精度, 法国南部科西嘉大学等单位开展了一系列研究与应 用工作( Andrews et al . , 2001) , 如 Simemoni 等( 2003) 把简化的质量守恒和动能方程引入半经验模型中。 11112 模型集成化发展 近年来, 已突破对模型本身复杂性问题的探讨, 林火建模开始向集成化、实用化、 多维化、标准化等方向发展, 相应的建模理论也日趋成熟。目前已经建立起较为完整的林火蔓延的模型体 系, 并开始探讨和开发城区- 林地交错带模型( Viegas et al . , 2001) 、地表火与树冠火行为耦合模型 ( Keane et al . , 2001; Clark et al . , 2004) 。
随着计算机图形处理能力的提高以遥感与地理信息系统为核心的空间信息技术在林业中的广泛应用人们可以建立各种林火蔓延的预测模拟和分析管理的信息系统也能搭建一个多维虚拟可视化平台去实现林火的燃烧及其蔓延过程森林景观的三维实时再现和仿真实现林火行为研究中数与形的有机统一实现森林信息的本真还原和科学模拟为灭火决策提供依据
Abstract: The spatial spreading is one of main behavior manners of forest fire. In this paper, some computer simulation and visualization techniques associated with forest fire spreading were reviewed. First, related mathematic model taxology and its member characteristics were analyzed with some development direction and model system formation being outlined. Then, the 2D simulation and representation methods, viz. Cellular Automata, Huygens. Principle_based and the approaches to establishing 3D virtual environment for fire spreading were analyzed. In the end, progress on simulat ion and management information system were outlined. As a conclusion, emphasizes and implies were presented that future research may make more efforts in multi_dimension virtual forest landscape with realistic sense, multi_users crisis solution decision_making capability ( for example, collaborative fire fighting) and web_based dynamic information services. Key words: forest fire spreading; simulat ion; mathematic models; 3D virtual environment; information system
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。
关键词: 林火蔓延; 模拟或仿真; 数学模型; 三维虚拟环境; 信息 系统
森林火灾是突发性很强、危害极大的自然灾害。近一个世纪以来人类不断尝试用各种方法探索林火的 诱发因子和有效的观测手段、研究燃烧和蔓延机理, 以达到最终控制火的目的。作为林火行为的主要表现形 式, 林火蔓延的定量分析和建模更是为众多机构的研究方向。近代计算机的出现, 使得有条件开展林火蔓延 模型的计算机求解。随着计算机图形处理能力的提高、以遥感与地理信息系统为核心的空间信息技术在林 业中的广泛应用, 人们可以建立各种林火蔓延的预测模拟和分析管理的信息系统, 也能搭建一个多维虚拟可 视化平台去实现林火的燃烧及其蔓延过程、森林景观的三维实时再现和仿真, 实现林火行为研究中/ 数0与 / 形0的有机统一, 实现森林信息的本真还原和科学模拟, 为灭火决策提供依据。
( Key L ab. of Data Mining & Information Sharing of Ministry of Education , Spatial Information Research Center of Fujian, Fuzhou University Fuzhou 350002)
总体上看, 不同模型各有优缺点, 应根据模型最终用户、工作尺度、地理范围、数据源和精度等要求优化 选择甚至组合或集成。目前为止, 人们使用最广的实用型模型大多基于 Rothermel ( 1972) 的研究结果。通过 与天气预测结合, 将风洞燃烧数据回归到 Rothermel 方程中, 已被美国林务局( USFS) 用于预测野火行为、指导 灭火和辅助培训和规划, 如模拟器 BEHAVE ( Andrews, 1986) 、FARSITE( Finney, 1998) 。经验、半经验模型近 20 年来应用效果不错, 而复杂物理模型求解过程需要长时间计算, 并且难于集成各种灭火工具, 如物理模型 FIRETEC ( Simeoni et al . , 2002) 不适合实时模拟。
中图分类号: S76212
文献标识码: A
文章编号: 1001- 7488( 2005) 05- 0155- 08
Research advance in simulation and visualization of forest fire spreading via computer
Chen Chongcheng Li Jianwei Tang Liyu Feng Xiaogang
模型构建常采用这样一个平衡策略: 要么选择能全面反映各种复杂过程的物理模型, 用数值方法求解 ( Simeoni et al . , 2001; Linn et al . , 1998; Jenkins, 2000; Paz et al . , 2001; Perminov, 2002) 获得对问题的高精 度求解, 以及借此在方法和理论上的探讨; 要么就是采用实用的经验或半经验模型以获得对问题快速且较为 粗略的求解, 以满足实际现场应急灭火决策等的需要( Andr, 1998) 。
从林火行为模型的组成和交互作用出发, 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Hanson et al . ( 2000) 系统地阐 述了林火模拟从经验模型到物理模型的 5 级模型体系。最简单经验模型是将林火行为与区域气象条件分别 单独建模, 即稳定的风场驱动林火蔓延, 而火没有对局部风场起反作用。二级复杂度模型考虑风场随时间变 化、地形变化和非均质可燃物分布, 但没有与火双向交互。三级复杂度模型考虑了经验模型与微气候计算的 结合、火的热源与风场实现双向交互( Clark et al . , 2004) 。以此为基础, 需要考虑逆风速度的局地变化、可燃 物和地形的时空变化, 便形成四级复杂度的参数耦合局部林火模型。这种模型需要开发一种高分辨率、高梯 度的数值求解方法( 如 HIGRAD 模型) , 解决小尺度环境下的林火产生的热源问题。五级复杂度的模型已放 弃经验模型而改用全物理模型, 考虑一系列复杂的物理、物理化学过程或现象, 考虑大气- 火- 气的三相交 互。建模中将燃烧的热释放效应与气象运动方程联接, 预测不断变化的气象条件和热释放对可燃物影响, 预 测林火释放的烟及其在大气中的迁移和扩散。虽然目前尚没有一个实际运行的模型考虑了上述所有因素, 但进展令人鼓舞, 如 FIRETEC 与 HIGRAD 耦合模型就是其中一例。 112 燃料床的定量模型
森林可燃物负荷是引起森林火灾的重要因素之一( Reich et al . , 2004) , 燃料床特征和分布( 类型、组成、 结构、密度、数量、厚度、含水率、燃烧和热释放率等) 的调查、分析、建模是林火计算模拟的重要内容( Brandis et al . , 2003) 。从可燃物总体分布研究方面, 出现区域、国家级分布特征分类系统( Lee et al . , 2001; Sandberg et al . , 2001) 或辅助建模( Reich et al . , 2004) 。Cat chpole 等( 2001) 利用野外数据测定法进行可燃物的平衡含 水率和时间估计, 而 Viegas 等( 2001) 是用气象指数法确定含水率。
根据描述对象不同, 可将林火蔓延模型分为地表火、树冠火、地下火以及余烬或木炭引起的飞火等类型,
收稿日期: 2004- 06- 15。 基金项目: 国家重大基础研究计划( 973) 前期研究专项( 2002CCC01900、2004CCA07200) 资助。
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而根据数学模型的结构特征和方程类型, 可分为传统的统计模型、经验或半经验模型以及描述林火行为复杂 过程机理的物理模型( 唐晓燕等, 2002) 或理论模型( Pastor et al . , 2003) 。统计模型是根据随机概率分布原理 构建的, 而经验、半经验模型是基于能量守衡定律而建, 物理模型则必须遵守各种热传导定律( 黄光远等, 1988) , 并考虑了各种复杂因素如气象( Jenkins, 2000; Nelson, 2002; Oswald, 1999) 、地形因素( Sandberg et al . , 2001; Simeoni et al . , 2003) 、大气- 林火或大气- 林火- 烟尘的相间交互( Hanson et al . , 2000; Keramistsoglou, 2004; Paz et al . , 2001) 的影响。多相交互模型考虑了林火蔓延的各种化学、物理、物理化学等机制, 成为迄今 为止最完整的模型类型( Andret al . , 1998; Morgon et al . , 2001) 。据 Pastor 等 ( 2003) 不完全统计, 1946 ) 2000 年, 美国、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、法国等就出现过 42 种不同形式的地表林火蔓延模型。