CN105590014B - 一种多层元胞林火蔓延确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层元胞林火蔓延确定方法，包括如下步骤：第一步，向下分层：将火场依次按照0、1、2...N从上往下进行分离；第二步，逐层分解：下层是对相应上一层元胞的进一步分解，将每个下层分解为若干个元胞，这些元胞根据该层的火情发展因子计算该元胞的发展趋势，该发展趋势包括：发展方向θ，发展的强度γ，以及火线μ；第三步，计算蔓延：从第N层开始，将每一层元胞各自计算的发展趋势汇总形成相应上一层元胞的发展趋势，直至第0层，通过元胞汇聚算法算出0层相应的火线蔓延范围。本发明采用多层元胞林火蔓延算法，以有效的预测火情的发展，提前做好安排部署，尽早的控制火情，避免其恶化。

Description

一种多层元胞林火蔓延确定方法

技术领域

本发明涉及一种多层元胞林火蔓延确定方法，属于森林火灾智能预测及控制技术领域。

背景技术

森林火灾不仅给国家和人民财产造成巨大的损失，而且破坏生态***，降低土壤肥度，造成水土流失、泥石流等自然灾害。在发现火灾时，尽早的控制火情，避免其恶化，就需要科学有效的预测火情的发展，提前做好安排部署，以有效的控制火情。由于森林火灾存在时间性、空间性核随机性，因此，需要对林火行为进行智能预测，结合火情发生地的温度、湿度、风速、风向、地形地貌等因数，进行林火蔓延分析。

现有的林火蔓延确定方法将火场作为一个整体进行考量，采用单一的计算方法，忽略了火场不同的环境和要素，导致计算结果的参考意义不大，失去蔓延分析应有的分析支撑作用，急需改进。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，为克服现有火情蔓延确定方法将火场作为一个整体进行考量而导致对决策指挥的局限性，提供一种多层元胞林火蔓延确定方法，提高火情蔓延确定方法的实用性与准确性，有效的解决现有火情蔓延确定方法存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种多层元胞林火蔓延确定方法，首先根据需要将火场分离为多层，下层是对上层元胞的进一步分解，根据计算的精度、火场大小不同划分一定的层数；每一层划分为多个元胞，这些元胞根据这一层的火情发展因子计算该元胞未来的发展趋势；计算蔓延时，最低层的元胞各自计算每一个元胞的发展趋势，然后汇总形成上一层相应元胞的发展趋势；再在上一层重复上述过程，直至第0层，就可以算出相应的火线蔓延范围，据此做出相应的扑救策略。

其具体包括如下步骤：

第一步，向下分层：将火场依次按照0、1、2…N从上往下进行分离；

第二步，逐层分解：下层是对相应上一层元胞的进一步分解，将每个下层分解为若干个元胞，这些元胞根据该层的火情发展因子计算该元胞的发展趋势，该发展趋势包括：发展方向θ，发展的强度γ，以及火线μ；

第三步，计算蔓延：从第N层开始，将每一层元胞各自计算的发展趋势汇总形成相应上一层元胞的发展趋势，直至第0层，通过元胞汇聚确定方法算出0层相应的火线蔓延范围。

本发明所述的多层元胞林火蔓延确定方法，在第二步中，下层元胞以圆形为基本形状，将相应上一层元胞从几何平面上进行划分，圆形的边线与上一层元胞***形状进行投影切割；下层元胞对相应上一层元胞几何层面的划分实行全覆盖，下层元胞面积之和：上层元胞面积之和≥1.1。

本发明所述的多层元胞林火蔓延确定方法，在第三步中，将0层的整个火场当做一个元胞处理，定义为ψ，Ψ的高为H，宽为W；将ψ划分为X个子元胞，形成第1层；然后按照下面的方法计算蔓延：

1、将ψ分为长宽分别为1/4X的矩形，横向以***数字进行编码，竖向以英文字母进行编码，每一个矩形对应一个单独的编码；

2、对于每一个矩形，以该矩形的对角线交叉点o点为圆心，以对角线为直径，绘制圆形R；

3、将圆形R与ψ进行投影，取相交部分，得到该层的一个元胞；对该层其他矩形形成的元胞进行拟合，形成ψ1层元胞；

4、重复以上的步骤，将第1层分解出来的每一个元胞按步骤1、2、3进行向下分解，形成第2层；

5、层划分完成之后，对于每一层指定相应的火情发展因子，从第N层进行元胞计算，输出每一层三个发展趋势的结果量：即发展方向θ，发展强度γ，以及火线μ；由于影响火行为的因数众多，在计算火场某个局部时，只需要部分因数，所以计算火情发展因子将逐步纳入到层中，由该层的元胞进行计算；而因子分配到哪一层通过具体的参数配置；

6、采用风向蔓延计算方式，根据前端采集的风向参数计算0层中：发展方向θ的值，发展强度γ的值，火线μ的值，确定元胞半径向外延长后所形成的曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用多层元胞林火蔓延确定方法，根据需要将火场分离为多层，下层是对上层元胞的进一步分解，每一层划分为多个元胞，这些元胞根据这一层的火情发展因子计算该元胞未来的发展趋势；计算蔓延时，最低层的元胞各自计算每一个元胞的发展趋势，然后汇总形成上一层相应元胞的发展趋势；在上一层重复上述过程，直至第0层，算出相应的火线蔓延范围，据此做出相应的扑救策略；以有效的预测火情的发展，提前做好安排部署，尽早的控制火情，避免其恶化。

附图说明

图1为本发明所述林火蔓延确定方法的模型示意图；

图2为本发明所述元胞划分确定方法过程的示意图；

图3为本发明所述上下层元胞的分成模型示意图；

图4为本发明所述元胞确定方法模型的示意图；

图5为本发明实施例中某一层下层元胞的火线与该层上一层元胞火线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：一种多层元胞林火蔓延确定方法的具体步骤如下：

首先，根据需要将火场分离为多层，下层是对上层元胞的进一步分解，因此，根据计算的精度、火场大小不同来划分成不同的层数。每一层划分为多个元胞，这些元胞根据这一层的火情发展因子计算该元胞未来的发展趋势。发展趋势包括三个方面，一是发展方向，用θ表示；二是发展的强度，用γ表示；三是火线，用μ表示。

其中：火情发展因子包括可燃物的燃烧床深度、死的可燃物林火熄灭含水率、可燃物载量、表面积与体积比、含水率、坡度、坡向、风速和风向等。

本确定方法将火场向下分层，每层分解为多个元胞，每个元胞根据不同层注入的因子进行计算，及元胞确定方法输出量。对于需要计算的火场，从几何学意义上，将火场二维图形，按照需要计算的精度分解决为多个层次，然后逐层将上层的元胞分解为更细的元胞，建立上层元胞与下层元胞的关系；在每一层的元胞计算方法是通过输入该层的计算因子即火情发展，结合相应的参数进行计算，最后每个元胞计算后输出三个值；下层元胞三值向量向上汇总成为上层元胞的三向量值。确定方法计算过程如图1所示，在图1中，所需要的分层层数由外部输入参数如计算精度、火场大小等所决定。

分层层数的外部参数在开始进行蔓延确定方法之前，由用户输入。分层层数的划分最终决定了最小元胞的大小。最小元胞的大小根据实践经验得出为1平方米，故在分层层数由当前火场面积的大小限定。如当前火场面积为10平方米，则最多只能分为3层，第1层有2个元胞，第2层有4个元胞，第3层有8个元胞。每层元胞的划分，按照平面图形均分的形式进行划分。在这种情况下，也可以只划分1层或2层，根据用户所需要的精度来确定，精度越高，层数越多，而计算时间也就越长。

该计算模型首先解决的是向下分层的问题，分层确定方法如图2所示，将0层的整个火场当做一个元胞处理，定义为ψ。Ψ的高为H，宽为W，这里以将其划分为16个子元胞分层的方式，分为第1层，然后进行如下的步骤：

1、首先将ψ分为长宽分别为原来1/4的相同大小的矩形，横向以***数字进行编码，竖向以英文字母进行编码，每一个矩形于是有一个单独的编码；

2、对于每一个矩形，以C3矩形举例：以该矩形的对角线交叉点o为圆心，以对角线为直径，绘制圆形R；

3、将圆形R与ψ进行投影，取相交部分，得到进行计算的元胞ψ1C3(ψ1C3表示第1层第C行第3列元胞)；

4、根据同样的原理对该层的其他矩形进行拟合，形成ψ1层元胞。

重复以上的步骤，将第1层分解出来的第一个元胞，按步骤1、2、3进行分解，形成第2层，至第N层。最终的分层模型如图3所示。

层划分完成之后，对于每一层指定相应的计算因子，从最末层进行元胞计算，输出三个结果量：发展方向θ，发展强度γ，火线μ，如图4所示。

例如本层元胞的计算采用风向蔓延计算方式，根据前端采集的风向参数为西风3级，则计算可得：发展方向θ为180°，强度γ为3，火线μ为元胞半径向外延长30％后所形成的曲线，如图4所示。

每层元胞采用不同的计算因子和计算方法。计算方法通过外部参数进行注入，如：对于最末层的元胞可以采用可燃物载量模型进行计算，其被注入后，根据可燃物体积，采有具体的木质材料密度计算可燃物载量，采用如下公式：

其中：W0——可燃物载量(kg/m2)。

0.1234——体积转化为的kg/m2常数。

n——直径小于7cm相交的可燃物数量。

dq2——平均直径的二次方(c m2)。

S——不同径级可燃物重量(g/c m2)。

α——可燃物非水平角度的校正因子。

c——坡度校正因子。

N——横切可燃物的数量。

τ——横切可燃物的长度(m)。

计算后得到W0，即为强度γ，由于该计算方法不影响火势的发展方向，则发展方向θ为0，同时火线μ保持原有的火线不变。每一层的计算方法可以不同但也可以相同，本确定方法支持在方法上的扩展，包括现有的所有确定方法，如风向蔓延计算方式、林冠火计算方式、地面火计算方式等。

当当前层的元胞都已完成计算，则可以向上层元胞进行汇聚。汇聚时，根据上层元胞划分，上层元胞所属下层的每个元胞都携带有三个结果量：发展方向θ，发展强度γ，火线μ，采用如下步骤进行汇聚：

1、首先将下层元胞的火线μ根据平面图形进行拼接如图5中的实线部分；形成的上层元胞的火线如图5中的虚线部分，即为上层元胞的火线μ。

2、上层元胞的发展方向θ为下层元胞发展方向θ的平均值。

3、上层元胞的强度γ为下层元胞γ的平均值。

如此上层元胞V的由相近各个元胞的θ和γ决定，上层元胞通过元胞汇聚确定方法形成上层元胞三个结果量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多层元胞林火蔓延确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，向下分层：将火场依次按照0、1、2...N从上往下进行分离；

第二步，逐层分解：下层是对相应上一层元胞的进一步分解，将每个下层分解为若干个元胞，这些元胞根据该层的火情发展因子计算该元胞的发展趋势，该发展趋势包括：发展方向θ，发展的强度γ，以及火线μ；

第三步，计算蔓延：从第N层开始，将每一层元胞各自计算的发展趋势汇总形成相应上一层元胞的发展趋势，直至第0层，通过元胞汇聚确定方法算出0层相应的火线蔓延范围。

2.根据权利要求1所述的多层元胞林火蔓延确定方法，其特征在于：在第二步中，下层元胞以圆形为基本形状，将相应上一层元胞从几何平面上进行划分，圆形的边线与上一层元胞***形状进行投影切割；下层元胞对相应上一层元胞几何层面的划分实行全覆盖，下层元胞面积之和：上层元胞面积之和≥1.1。

3.根据权利要求1所述的多层元胞林火蔓延确定方法，其特征在于：在第三步中，将0层的整个火场当做一个元胞处理，定义为ψ，Ψ的高为H，宽为W；将ψ划分为X个子元胞，形成第1层；然后按照下面的方法计算蔓延：

1、将ψ分为长宽分别为1/4X的矩形，横向以***数字进行编码，竖向以英文字母进行编码，每一个矩形对应一个单独的编码；

2、对于每一个矩形，以该矩形的对角线交叉点o点为圆心，以对角线为直径，绘制圆形R；

3、将圆形R与ψ进行投影，取相交部分，得到该层的一个元胞；对该层其他矩形形成的元胞进行拟合，形成ψ1层元胞；

4、重复以上的步骤，将第1层分解出来的每一个元胞按步骤1、2、3进行向下分解，形成第2层；

5、层划分完成之后，对于每一层指定相应的火情发展因子，从第N层进行元胞计算，输出每一层三个发展趋势的结果量：即发展方向θ，发展强度γ，以及火线μ；

6、采用风向蔓延计算方式，根据前端采集的风向参数计算0层中：发展方向θ的值，发展强度γ的值，火线μ的值，确定元胞半径向外延长后所形成的曲线。