基于地理元胞自动机的林火蔓延模型与模拟研究

论文摘要

林火是一种对人类社会危害很大的环境灾害,而林火蔓延是一个十分复杂的过程。随着人类对火灾知识的不断积累和信息技术的快速发展,林火蔓延模拟的研究逐渐转向空间范围的定量模拟,在森林防火中起着越来越重要的作用。元胞自动机具有强大的空间建模能力和运算能力,能模拟具有时空特征的复杂动态系统。元胞自动机模型本质上的自组织特性与林火行为很接近。本文结合元胞自动机原理,在考察国内外常见林火蔓延模型的基础上,对王正非-毛贤敏林火蔓延模型进行改进,提出一种新的林火蔓延模拟模型。该模型充分表达了可燃物类型、温度、湿度、坡度、风速和风向等林火蔓延影响因子在元胞空间中的作用形式,能够求解出完全燃烧元胞向其摩尔（Moore）型邻居中八个方向元胞的林火蔓延速度,并由此确定了元胞状态转换规则函数,使元胞状态的迁移与林火蔓延影响因子紧密相关。本文采用面向对象编程语言和地理信息系统二次开发工具为开发平台,将所设计的林火蔓延模型转变成计算机算法,在考虑气温和相对湿度的前提下,着重模拟了风、地形、可燃物类型影响下林火蔓延的状况。模拟结果表明,应用所建立的模型和软件,可以反映森林火灾的蔓延规律,从而为森林防火、扑火等工作起到一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 森林火险等级系统的研究现状
• 1.2.2 林火蔓延可视化技术的研究现状
• 1.3 本研究的目的和主要内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究技术路线
• 1.4 本章小结
• 第2章 林火蔓延机理及林火蔓延模型
• 2.1 林火蔓延的机理
• 2.1.1 林火的种类
• 2.1.2 林火热量的传播方式
• 2.1.3 林火的蔓延模式
• 2.1.4 影响林火蔓延的因子
• 2.1.5 林火行为的主要指标
• 2.2 林火蔓延模型的分类
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 统计模型
• 2.2.3 半经验模型
• 2.3 几种常用的林火蔓延模型
• 2.3.1 椭圆模型
• 2.3.2 基于能量守恒定律的Rothermel 模型
• 2.3.3 基于Huygens 原理林火蔓延模型
• 2.3.4 加拿大的国家林火蔓延模型
• 2.3.5 澳大利亚的McArthur 模型
• 2.3.6 王正非模型
• 2.4 林火蔓延模型的对比分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于CA 和王正非模型的林火蔓延模型求解
• 3.1 元胞自动机原理
• 3.1.1 本模型中元胞的邻域
• 3.1.2 本模型中元胞的状态
• 3.2 林火蔓延速度的求解
• 3.2.1 王正非林火蔓延速度模型
• 3.2.2 毛贤敏的王正非修正模型
• 3.2.3 结合元胞自动机的八方向林火蔓延速度求解
• 3.3 转换规则函数的确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 林火蔓延模拟的实现
• 4.1 地形数据的生成
• 4.1.1 栅格数据生成
• 4.1.2 山地DEM 的生成
• 4.2 蔓延模型的算法设计
• 4.2.1 数据结构设计
• 4.2.2 主要功能函数设计
• 4.3 蔓延模拟的实现
• 4.3.1 均质、无风、平坦条件
• 4.3.2 风因子影响下的模拟
• 4.3.3 地形影响下的模拟
• 4.3.4 异质情况下的模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 创新与结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢