一种山火灾害发展趋势模拟预测方法及装置与流程

本发明涉及山火模拟预测领域，尤其涉及一种山火灾害发展趋势模拟预测方法及装置。

背景技术：

我国在山火行为的研究上比发达国家起步晚，是从50年代才开始逐渐发展起来的，传统的是多因子综合指标森林火险预报方法，是建立在对大样本历史火情火灾资料与同期的气象资料进行对比分析的基础上的，引入模糊集的概念，深入研究了火灾危险程度的数学模型和森林火险等级预报系统。在不断总结经验教训的基础上，通过不断地探索和研究山火行为的特点，有针对性的加强管理和技术防范措施，不断提高对森林火灾的综合控制能力，使森林火灾次数、受害森林面积和伤亡人数有了明显的下降。八十年代后，我国开始认识到地理信息系统和遥感在山火行为预测上的重要性。我国森林火灾仍然很频繁，损失严重，其中一个重要原因是我国森林防火科研力量不足，预防和扑救森林火灾的科学技术手段还不够先进，加上资金不足，用于森林防火的投入较少，防火基础设施薄弱，控制森林大火的能力不强。

对于火行为的预测预报研究，国内的研究大多数是侧重于森林火灾的指挥和调度以及山火的蔓延预测方面的研究，还没有对山火行为开展系统的研究。国外对森林火灾的预测与预报虽开展研究较早，但其预测预报模型目前还有很多有待于进一步补充和完善的地方。总的来说，目前对山火行为预测预报的研究方面，己有的研究成果无论是基于二维图形还是基于三维图形的研究工作都还难以达到实用的程度。对于森林火灾预测预报研究中，数据的实时获取存在很大的困难，主要集中在遥感数据的实时获取和分析，即如何从海量的遥感数据中实时提取与分析森林火灾预测预报所需要的数据。

技术实现要素：

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测方法及装置，以解决现有技术中预测准确性低，实用性差的技术问题。

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测方法，所述方法包括：

实时采集火场动态数据；

动态处理所述火场动态数据；

根据所述动态处理后的火场动态数据和数据库中存储的火场静态数据从模型库中适应性选择山火灾害发展趋势模型；

根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟；

根据所述山火蔓延模拟结果预测山火灾害发展趋势。

优选的，所述根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟为采用动态数据驱动应用系统DDDAS实现的模拟。

优选的，所述根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟包括：

根据模拟结果，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；

根据真实数据与模拟结果的对比，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；

根据专家的决策，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据。

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测装置，所述装置包括：

动态数据采集模块，所述动态数据采集模块用于实时采集火场动态数据；

火场动态数据处理模块，所述火场动态数据处理模块用于动态处理所述火场动态数据；

模型选择模块，所述模型选择模块用于根据所述动态处理后的火场动态数据和数据库中存储的火场静态数据从模型库中适应性选择山火灾害发展趋势模型；

山火蔓延模拟模块，所述山火蔓延模拟模块用于根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟；

趋势预测模块，所述趋势预测模块用于根据所述山火蔓延模拟结果预测山火灾害发展趋势。

优选的，所述根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟包括：

第一选择模块，所述第一选择模块用于根据模拟结果，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；

第二选择模块，所述第二选择模块用于根据真实数据与模拟结果的对比，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；

第三选择模块，所述第三选择模块用于根据专家的决策，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测方法及装置，方法包括实时采集火场动态数据；动态处理火场动态数据；根据动态处理后的火场动态数据和火场静态数据从模型库中适应性选择山火灾害发展趋势模型；根据山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟；根据山火蔓延模拟结果预测山火灾害发展趋势。地理模拟系统理论和动态数据驱动应用系统DDDAS技术范式提出为我们进行地理复杂系统研究和模拟提供了崭新的思路。地理模拟系统旨在解决当前GIS对地理空间系统过程分析能力较弱的问题，帮助预测地理现象和事物的发展方向及演化过程；动态数据驱动应用系统则是将动态测量数据引入到模拟过程中，实现模拟的实时性和动态性，提高模拟的精度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种山火灾害发展趋势模拟预测方法的方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的一种山火灾害发展趋势模拟预测装置的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测方法，所述方法包括：

步骤S101：实时采集火场动态数据。

步骤S102：动态处理所述火场动态数据。

步骤S103：根据所述动态处理后的火场动态数据和数据库中存储的火场静态数据从模型库中适应性选择山火灾害发展趋势模型。

步骤S104：根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟。

步骤S105：根据所述山火蔓延模拟结果预测山火灾害发展趋势。

本发明提供一种山火灾害发展趋势模拟预测装置，所述装置包括：

动态数据采集模块100，所述动态数据采集模块100用于实时采集火场动态数据。

火场动态数据处理模块200，所述火场动态数据处理模块200用于动态处理所述火场动态数据。

模型选择模块300，所述模型选择模块300用于根据所述动态处理后的火场动态数据和数据库中存储的火场静态数据从模型库中适应性选择山火灾害发展趋势模型。

山火蔓延模拟模块400，所述山火蔓延模拟模块400用于根据所述山火灾害发展趋势模型进行山火蔓延模拟。

趋势预测模块500，所述趋势预测模块500用于根据所述山火蔓延模拟结果预测山火灾害发展趋势。

1.山火发展趋势预测方法

山火灾害的发展趋势就是山火蔓延的趋势，对山火发展趋势的预测方法就是对山火蔓延的建模预测和估计；对山火灾害的发展趋势预测包括蔓延速度、蔓延方向、过火面积等，可见，山火发展趋势预测并不是预测单一变量的变化情况，而是预测整个火场的各方面要素，从而形成对火场的预测，这些火场要素不但包括速度、方向、面积等一维数值变量，还包括形状、强度分布、坡度变化分布、风向变化分布等二维、三维变量，所以，如果单纯的用数字描述火场要素难以让人形成对火场的宏观了解，所以选择利用GIS平台将火场要素进行可视化展示也应归为山火发展趋势预测的研究内容之一；除此之外，在对火场要素的预测中，还需要综合考虑地理信息和气象信息等非常多的影响因素，GIS平台又能提供良好的支持。

林火系统是一个复杂的系统，传统的模拟方法很难真实刻画林火蔓延的实际过程，地理模拟系统(Geographical Simulation Systems，GSS)理论和动态数据驱动应用系统Dynamic Data Driven Application Systems(DDDAS)技术范式的提出为我们进行地理复杂系统研究和模拟提供了崭新的思路。地理模拟系统旨在解决当前GIS对地理空间系统过程分析能力较弱的问题，帮助预测地理现象和事物的发展方向及演化过程；动态数据驱动应用系统则是将动态测量数据引入到模拟过程中，实现模拟的实时性和动态性，提高模拟的精度。

地理模拟系统要更好地表达和模拟地理空间系统，还必须与GIS、遥感、计算科学及计算机技术结合起来。元胞自动机的元胞空间可以看作是二维地理空间，同样，多智能体系统也可以看作是在二维地理空间中移动的个体，都能当作是对现实地理空间的离散化划分。这种划分与遥感影像及地理信息系统的栅格数据结构在形式上是一致的。因此，地理模拟系统可以直接利用现有的遥感数据或栅格空间数据，模拟的结果也可以直接转入到空间数据库进行分析。此外，GIS强大的图形显示功能能够帮助地理模拟系统把模拟结果很好的展示出来。

地理模拟系统采取的是离散个体模型，计算机也是建立在离散数学基础上的，这使得地理模拟系统非常容易利用计算机来构建模型。计算科学的发展保障了地理模拟系统得以实现。计算科学里面的面向对象思想和方法为地理复杂系统的模拟提供了简单有效的途径。面向对象把系统看作是由相互作用的对象组成，对象与现实世界中真实的实体相影射，提高了模拟模型的可理解性、可扩充性和模块性。

总之，地理模拟系统是综合地理学、复杂系统理论、地理信息科学、元胞自动机、多智能体系统、地理信息系统、遥感、计算科学及计算机为一体的复杂空间模拟系统，它用于地理复杂系统的研究不仅非常合理，而且还具备其他传统地理模型所不具备的优势。

2.林火蔓延模拟方法

传统的山火蔓延模型中，Rothermel模型假设火势扩散模型只是一个简单的椭圆，然后求出与椭圆尺寸相关的参数；而只用椭圆表示火势蔓延的边界的方法与现实中火灾蔓延的情况相差较远而且也不能准确反映不同位置风速、坡度及其他因素对蔓延模型的影响，本发明中将Huygens的原理应用于火灾蔓延模型周边的计算就能克服这些缺点。

本发明给定一个很短的时间作为火灾初期的蔓延时间。在这段时间里产生的蔓延周边上选取几个点作为初始点(每个点则可以作为一个火势蔓延的起始点)，然后选取一定的步长(时间段)作为下次蔓延的时间。利用Rothermel模型计算出这些初始点林火蔓延速度，我们则可计算出在此时间步长后林火蔓延的位置。最后将这些点用曲线连接，就可以得出在这段时间里火势蔓延的新的边界。要计算下一个时间段蔓延边界只要重复以上步骤即可。

3.动态数据驱动技术方法

复杂系统行为的精确分析和预测是非常困难的。尽管先进分布式模拟技术的发展使得现阶段模拟在互操作和重用方面取得了很大进步，但仍然缺乏对复杂大系统的精确描述能力。甚至相当精细的系统模型产生的模拟仍有可能不能正确地预测目标系统的真实行为。这种情况在实时动态条件下显得更为突出。

模拟若能动态地吸收新的数据，则有可能提供更为精确的分析、预测、控制以及更加可靠的输出结果。为此，美国自然科学基金会(NSF)在2000年首先提出了动态数据驱动应用系统(DDDAS，Dynamic Data Driven Application Systems)的研究概念，并推动和资助了多个相关领域的一系列前瞻性研究。

NSF对DDDAS给出的定义是“一种新的协作应用和测量系统模式的研究，在这种模式下，模拟运行能够接受并动态响应注入到应用中的新数据。同时，相反地，这些应用系统也具有动态控制测量过程的能力”。DDDAS系统不同于传统的将模拟与应用串行化顺序执行的模式，而是使模拟直接参与并控制实际系统的执行，从而将模拟与试验更加有机高效地结合起来，大大拓宽了模拟的应用领域。

DDDAS为模拟系统的可靠性与适应性提出了更多技术上的挑战。DDDAS系统的动态适应性体现在以下几个方面：能够适应来自传感器或其它测量设备的动态数据变化；能够适应计算需求的变化；能够有效地进行优化决策，以调整系统结构或配置，并将模拟结果及时地反馈给实际系统。

DDDAS是一种全新的模拟应用模式，将模拟和实验有机结合起来，使模拟可以在执行过程中动态地从实际系统接收新数据并做出响应，模拟结果也可以动态地控制实际系统的运行，指导测量的进行。模拟和实际系统之间构成一个相互协作的共生的动态反馈控制系统。实验指的是真实系统的实际运行，包括真实事件活动和试验活动。新数据指的是通过测量和数据采集获取的真实系统实际运行所产生的数据。该数据既可以实时反馈到仿真系统，支持模型动态调整和运行，也可以存档读出，以供系统调试之用。动态的依据有三个方面：一是根据模拟结果，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；二是根据真实数据与模拟结果的对比，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据；三是根据专家的决策，模拟系统实时调整不同的模型及模型分辨率，据此选择接收不同的注入数据。

下面以实例论述本方案：

模拟实验选择吉林省东北部地区(北纬42°42′至北纬42°48′，东经125°30′至东经128°48′)作为研究的对象。春季是该地区的林火多发季节，多吹西北和西南风，最高温度接近20℃，最小相对湿度约为30％，最大风速可以达到7m/s。大部分为次生林或人工林，混有柞树的阔叶林或针阔叶林及柞树林比重最大(37.1％)，其次为落叶松人工林比重(7.1％)，这些都为林火的发生提供了丰富的引燃物。

以30m×30m网格的DEM数据为基础，根据林火多发季春季的天气状况对林火蔓延状况进行了模拟。输入参数包括天气状况、着火点位置和模拟时间设置，其中日最高温度设为21℃，日最小相对湿度为30％。该地区春季多吹西北风和西南风，本文对缓坡和陡坡进行了无风和有风状况的模拟，参数如表1所示:

表1 模拟分组情况表

陡坡着火点位于东经128°42′10.34″，北纬42°45′44.86″，坡度为23°；缓坡着火点位于东经128°43′43.13″，北纬2°47′33.90″，坡度为1°。

表2 模拟结果

通过林火蔓延模拟对比发现，无论在有风还是无风状况下，火点在陡坡的蔓延速度都要相对更大一些，无论火点在缓坡还是陡坡风都加速了火势的蔓延，风向作为单独影响因素，考虑对火场蔓延的作用并不明显，而火势在风向和坡向的双重作用下表现出一定的蔓延趋势这对于实际火场扑救快速确定着火点位置并预测火势蔓延趋势，以及制定火场扑救策略具有一定的参考意义。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。