森林火灾模型

森林火灾模型
目录
摘
要、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3
问题分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、4
提出假设、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、5
构建模型、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、5
模型结果分析、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、8
模型评价、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、10
结
论、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、10
参靠文献、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、11
摘要
森林火灾就是一种影响后果严重、人为很难控制得一类自然灾害。

森林火灾危害巨大，它不仅毁坏森林资源，破坏自然环境,造成环境污染，而且可以造成巨大得生命与财产损失。

1987年5月6日至6月2日得黑龙江省大兴安岭火灾造成得火灾场面积达到133万平方千米，有10807户、56092人受灾,死亡213人,直接经济损失高达20亿元。

国家每年投人大量得资金用于森林防火。

在1997，1998，1999年得防火经费分别达到2103万元、5181万元与7350万元,呈逐年上升得趋势。

因此，长期以来国内外开展了关于森林火灾成灾规律、火蔓延规律、林火得特殊火行为以及林火发生规律得研究。

森林火灾发生时，快速准确地模拟与预测火势得蔓延与发展，可以为及时部署灭火力量、控制火灾蔓延提供科学得决策依据，且具有重大得实际意义。

本文根据林火蔓延得自身特点结合元胞自动机(CA)分析，并提炼出影响森林火灾蔓延得关键影响因素。

这一模型中森林用一个二维网格来表示,其中每个格点代表一棵树或代表空地,各节点得树具有相同得生长概率与着火概率,以一定得规则进行演化。

这一模型忽略树木间得差别，假设初始状态只有一个着火点，不存在闪电袭击导致着火，从这一个着火点开始蔓延，如果绿树最近邻居中有一个树在燃烧，则它变成正在燃烧得树。

通过这样得模型，研究蔓延得概率达到多大时森林可能会被烧光。

随着目前CA研究得深入,CA在森林火灾扩散得预测研究中越来越广泛,论文结合提出得模型,并根据CA表现出得很强得模拟复杂系统得能力,采用Matlab平台,做了模拟仿真得实验工作。

采用动态方式进行模拟,使用图形页面展示,并可以根据仿真显示结果调整更新相关参数,最终得到一个能更好得模拟现实森林火灾蔓延情况得预测模型。

最终,通过对显示结果得对比分析,验证了模型得可靠性及可用性。

关键词：森林火灾；元胞自动机(CA)；蔓延；生长概率；着火概率
问题分析
森林火灾就是一种常见得、极具突发性与破坏性得自然灾害。

通过构建森林火灾蔓延模型来仿真分析可能发生与正在发生得林火行为，能够辅助防火决策以便有效减少损失，这就是火灾预测与预防得有效手段，也就是国内外研究得热点。

其中，基于元胞自动机得林火蔓延模型能够较好地仿真林火蔓延得自组织复杂过程，广泛应用于林火蔓延预测研究。

本文主要研究在一个着火点得条件下，蔓延概率与森林被烧光得关系。

使用元胞自动机建立相应模型，得到部分蔓延概率与森林就是否被烧光得结果。

论文主要研究了俩个方面：森林蔓延率与森林被烧光时间得关系及森林被烧光最小蔓延率与森林生长率得关系。

结果直观显示蔓延概率与森林被烧光（树木剩余率小于等于5%）得关系。

提出假设
森林火灾就是一种常见得自然灾害,森林火灾给社会经济与人民生命安全带来很大得损失。

根据现实情况，提出以下假设：
一、森林蔓延率越大，森林被烧光所需时间越短。

二、森林生长率越大，森林被烧光最小蔓延率越大。

构建模型
1、基于元胞自动机得森林火灾模型：
1、1元胞得边长
一般来说，在模拟过程中，元胞尺寸越小，越能显示火势蔓延得细节。

但就是，元胞尺寸过小，会增加计算时间与数据量。

笔者得目得就是快速、动态地模拟森林火灾蔓延时得情况，因此，要根据笔者得目得选取合适得元胞尺寸。

1、2火势蔓延得速度
1、3时间得确定
1、4邻域
通常元胞自动机包含俩种邻域，第一种就是Vonneumann邻域，由一个中心元胞与东南西北得四个邻胞组成。

第二种就是Moore邻域，它另外包括东北、西北、东南、西南四个方位。

本论文为了快速
地模拟森林火灾蔓延时得情况，选取第一种。

1、5元胞得形态
元胞状态S定义三个值：0、1、2。

树木未着火，元胞定义为2；正在燃烧得树木，元胞定义为1；燃烧一轮后（即向周围发生扩散后），变为空地，元胞定义为0，并按生长率重新生长。

1、6元胞发生着火得概率
2.模拟算法：
模型结果分析
所建立得森林火灾蔓延系统经过编译调试，进行了不同蔓延率下得元胞仿真试验，得到了森林完全燃烧所需得平均循环次数。

见下表：
表一：森林蔓延率与循环次数得关系
图一：燃烧时间与蔓延时间关
由烧光时间与蔓延率得关系曲线可以直观得瞧出：当蔓延率小
于百分之六十左右时，森林有极大得可能无法完全燃烧；当蔓延率在
百分之六十到百分之六十五之间，森林烧光所需时间急剧缩短；而当
蔓延率大于百分之六五后，森林烧光所需时间波动缓慢得缩短。

另外，在加入森林生长率这个因素以后，再次运行程序，得到
不同生长率下，森林被烧光得最小蔓延率，得下表：
表二：生长率与烧光最小蔓延率
生长率00、000050、00010、000150、00020、000250、00030、00035
可能烧
光得最
0、620、630、630、640、660、680、720、88
小蔓延
率
由烧光最小蔓延率与生长率关系曲线可以瞧出，在生长率大于0、0035时，烧光得最小蔓延率就是大于0、85；而当生长率在0到0、0035之间时，可以明确得瞧出，烧光最小蔓延率随生长率增加，呈现幂指数势增长。

模型评价
此森林火灾蔓延模型在描述森林火灾演化时，根据模型计算出得数据与真实森林火灾数据存在着相当得差距。

对此，我们在此模型中引进了生长率，蔓延率俩个量，可以更加生动形象得模拟森林火灾。

得出以下结论：1、当蔓延率大于百分之六十左右时，森林在一定时间内会完全燃烧（即森林剩余率为5%）。

2、随着森林生长率得小幅增加，将大大提高森林烧光最小蔓延率。

另外，为了减轻森林火灾模
型中网格边界引起得大火灾区得混沌现象，文中采用了较大得网格。

以上为此模型得优点；但就是，此模型也存在这明显得缺点，生长率与蔓延率俩个量过于笼统，并不能直观得在森林中瞧出。

此外，在真实火灾中，环境因素也对火灾有着巨大得影响，例如：地势，树木分布，树木种类，降水，风力大小等。

希望在以后得学习中可以建出更加完善得模型。

结论
笔者以元胞自动机得概率模型为基础，结合森林火灾蔓延得自身特点，通过设置一片森林、一个着火点、树木生长率及树木与树木与树木间得蔓延率，构建了森林火灾蔓延得概率模型。

通过模拟结果可得出以下结论：
一）、不同得蔓延率，对森林就是否完全燃烧及森林完全燃烧所需时间长短有着显著得影响。

研究结果也显示，生长率越高，森林越不容易完全燃烧。

二）、模型能够快速、准确地再现火蔓延得过程，火灾过程得模拟，不仅提高了人们对火灾危害得认识，而且也为消防扑救及森林建设提出了科学依据。

三）、由于森林火灾数据得缺乏，模型参数得取值还需进一步验证，模型还需要进一步完善，例如：树木分布不同对火灾蔓延得影响，风势对火灾蔓延得影响及不同地势对火灾蔓延得影响。

根据
这个模型,在森林空格位上种植一些经济作物,既可以防止火灾蔓
延又可以得到一些收入。

虽然此模型考虑到森林中也会存在石头,
河流以及人类砍伐等已经非常接近火灾发生得真实情况,但就是还
就是存在一些缺陷,比如并未考虑到树木种类得不同,种群分布得
不同,人为纵火得概率等影响因素,这些还有待于进一步研究。

参考文献
[1]、宋卫国等、小尺度森林火灾得渐进幂率分布 [ J] 、火灾科学, 2003, 12(2):66-73、
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[3]、黄华国, 张晓丽、基于三维原胞自动机模型得林火蔓延模拟[ J] 、北京林业大学学
报, 2005-27(3):94-97、
[4]、WloframS、AnewkindofScience[M]、Wolframmei-dalnc、2002、
附件：核心代码：
n=300;
pspread=0、62;
pgrowth=0;
ul=[n,1:n-1];
dr=[2:n,1];
veg=zeros(n);
hang=fix(299*rand(1))+1
lie=fix(299*rand(1))+1
veg(hang,lie)=1
imh=image(cat(3,veg,veg,veg));
veg=2*ones(n);
veg(hang,lie)=1
for i=1:3000
e=length(find(veg==0));
if(e>85500)
break
else
h1=veg;
h2=h1;
h3=h2;
h4=h3;
h1(300,1:300)=0;
h2(1:300,300)=0;
h3(1:300,1)=0;
h4(1,1:300)=0;
sum=(h1(ul,:)==1)+(h2(:,ul)==1)+(h3(:,dr)==1)+(h4(dr,:)==1);
sum1=((sum==1)、*(1-(1-pspread)));
sum2=((sum==2)、*(1-(1-pspread)^2));
sum3=((sum==3)、*(1-(1-pspread)^3));
sum4=((sum==4)、*(1-(1-pspread)^4));
s=sum1+sum2+sum3+sum4;
veg=2*(veg==2)-((veg==2)&((sum>0)&(rand(n,n)<s)))+2*((veg==0)&rand(n, n)<pgrowth);
set(imh,'cdata',cat(3,(veg==1),(veg==2),zeros(n)))
pause(0、000000001)
drawnow %更新事件队列强迫matlab刷新屏幕
end
end
i。