森林灭火仿真系统的设计与实现

论文摘要

森林火灾是一个极其复杂的自然现象,受众多自然因素和社会因素的影响,包括可燃物类型、地形、天气等因素,而林火发生又具有突发性,要在很短的时间判断林火的发展趋势,并及时采取相应决策措施,同时还要随时掌握现场的状况,作为决策者要做到这一步就必须采用先进的科学技术来提高他的判断能力和现场指挥能力。近年来,随着人工智能、模拟仿真、虚拟现实技术的日渐成熟,以计算机为代表的信息技术在森林火灾监测、森林火灾信息管理、火灾预测预报等各个方面已得到广泛的应用,与此同时,森林火灾指挥扑救工作的信息化自动化工作也引起了人们的密切关注,成为森林防火工作发展的重点之一。本论文在对林火发生和发展规律等研究的基础上,选用了适合我国国情的林火蔓延模型,充分考虑了林火蔓延因子（可燃物类型、含水率、坡度）的影响,通过将林火蔓延数学模型与GIS相结合,使理论成果在实践中得到应用,实现了地理信息系统支持下的火场二维和三维蔓延动态模拟,并在对林火蔓延模型预测基础上,预演多种扑救战术,训练各级指挥员应对不同情况的指挥能力、协调能力和决策能力,制定并验证不同的火灾防控预案。本文围绕森林灭火仿真系统的构建主要展开以下几个方面的研究工作。对林火仿真技术的国内外研究进展进行综述,在总结现有林火仿真系统的基础上,提出了以虚拟地理环境为基础支撑环境森林灭火仿真系统的技术路线;详细地设计了森林灭火仿真系统,并对系统功能设计、系统流程,数据库设计及开发过程中的关键技术分别作了较深入研究;采用MapObiects组件和Visual C++6.0实现对林火蔓延模拟和扑救所需的数据（数字地形图、数字林相图、数字可燃物类型图、数字扑火设施图、遥感图像等）进行管理,如对数据进行编辑、修改、查询、放缩、漫游、测量等;利用MapObjeots组件和Visual C++6.0在栅格文件背景数据库之上,根据当时火灾现场的气象条件、地形、植被类型等,应用科学的火灾蔓延模型预测未来时段火势蔓延情况,对火场发展趋势进行二维模拟;利用实时三维视景仿真软件Vega和Visual C++6.0以改进的粒子系统方法三维模拟在不同的风速、坡度下林火在火场不同位置的扩散行为。采用该方法模拟林火扩散行为,不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大小,而且能给人以真实感。林火扑救的模拟。在二维和三维中模拟真实火场扑救的查看、派兵和扑救等过程;基于上述基础,采用面向对象的思想,基于Visual C++6.0与Vega、MapObjieots控件开发了森林灭火仿真系统,并实现了虚拟场景的三维动态实时生成与显示。最后结合帽儿山数据给出了一个系统演示范例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 林火仿真相关领域的研究状况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.5 技术路线
• 2 系统基础要素的构建原理和方法
• 2.1 基础数据存储
• 2.2 林火蔓延的模拟与预测
• 2.2.1 影响林火行为的因素
• 2.2.2 林火蔓延模型
• 2.3 扑火方式
• 2.3.1 直接扑火
• 2.3.2 间接扑火
• 2.4 扑火战术
• 2.5 扑火速度
• 2.6 清理火场和看守火场
• 2.7 本章小结
• 3 森林灭火仿真系统的设计
• 3.1 森林灭火仿真系统的组成及功能
• 3.2 森林灭火仿真系统体系结构
• 3.3 森林灭火仿真系统设计目标
• 3.4 森林灭火仿真系统功能模块设计
• 3.4.1 基础资料模块设计
• 3.4.2 火行为模块设计
• 3.4.3 扑救训练模块设计
• 3.5 系统界面设计
• 3.5.1 界面设计原则
• 3.5.2 用户界面设计
• 3.6 系统软件开发平台的选择
• 3.6.1 基础资料模块和二维林火蔓延模拟开发环境
• 3.6.2 三维林火蔓延模拟和扑救模拟开发环境
• 3.7 本章小结
• 4 研究区域概况及数据准备
• 4.1 研究区域概况
• 4.1.1 植被
• 4.1.2 地形地貌
• 4.1.3 河流
• 4.1.4 气候
• 4.2 数据准备
• 4.2.1 可燃物类型数据的准备
• 4.2.2 坡度数据的准备
• 4.2.3 阻隔网络数据
• 4.2.4 扑火设施和保护目标分布数据
• 4.2.5 虚拟森林景观数据
• 4.2.6 气象数据的准备
• 4.2.7 可燃物含水率的计算
• 4.2.8 林火蔓延速度的计算
• 4.3 本章小结
• 5 森林灭火仿真系统的实现
• 5.1 基础资料模块的实现
• 5.1.1 数据加载功能的实现
• 5.1.2 常用快捷键功能的实现
• 5.1.3 鹰眼功能的实现
• 5.1.4 图层控制功能的实现
• 5.1.5 空间数据和属性数据的双向查询
• 5.1.6 属性数据的修改
• 5.2 林火行为模拟模块的实现
• 5.2.1 二维林火蔓延的实现
• 5.2.2 三维林火蔓延的实现
• 5.2.3 二、三维林火蔓延交互仿真的实现
• 5.3 林火扑救训练模块的实现
• 5.3.1 派兵过程的模拟
• 5.3.2 灭火过程的模拟
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢