一種多層元胞林火蔓延算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多層元胞林火蔓延算法，屬于森林火災(zāi)智能預(yù)測(cè)及控制技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 森林火災(zāi)不僅給國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，而且破壞生態(tài)系統(tǒng)，降低土壤 肥度，造成水土流失、泥石流等自然災(zāi)害。在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，盡早的控制火情，避免其惡化，就 需要科學(xué)有效的預(yù)測(cè)火情的發(fā)展，提前做好安排部署，以有效的控制火情。由于森林火災(zāi)存 在時(shí)間性、空間性核隨機(jī)性，因此，需要對(duì)林火行為進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，結(jié)合火情發(fā)生地的溫度、 濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、地形地貌等因數(shù)，進(jìn)行林火蔓延分析。
[0003] 現(xiàn)有的林火蔓延算法將火場(chǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行考量，采用單一的計(jì)算方法，忽略 了火場(chǎng)不同的環(huán)境和要素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的參考意義不大，失去蔓延分析應(yīng)有的分析支撐 作用，急需改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，為克服現(xiàn)有火情蔓延算法將火場(chǎng)作為 一個(gè)整體進(jìn)行考量而導(dǎo)致對(duì)決策指揮的局限性，提供一種多層元胞林火蔓延算法，提高火 情蔓延算法的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，有效的解決現(xiàn)有火情蔓延算法存在的上述技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種多層元胞林火蔓延算法，首 先根據(jù)需要將火場(chǎng)分離為多層，下層是對(duì)上層元胞的進(jìn)一步分解，根據(jù)計(jì)算的精度、火場(chǎng)大 小不同劃分一定的層數(shù)；每一層劃分為多個(gè)元胞，這些元胞根據(jù)這一層的火情發(fā)展因子計(jì) 算該元胞未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)；計(jì)算蔓延時(shí)，最低層的元胞各自計(jì)算每一個(gè)元胞的發(fā)展趨勢(shì)，然 后匯總形成上一層相應(yīng)元胞的發(fā)展趨勢(shì)；再在上一層重復(fù)上述過(guò)程，直至第〇層，就可以算 出相應(yīng)的火線蔓延范圍，據(jù)此做出相應(yīng)的撲救策略。
[0006] 其具體包括如下步驟： 第一步，向下分層：將火場(chǎng)依次按照〇、1、2…N從上往下進(jìn)行分離； 第二步，逐層分解：下層是對(duì)相應(yīng)上一層元胞的進(jìn)一步分解，將每個(gè)下層分解為若干個(gè) 元胞，這些元胞根據(jù)該層的火情發(fā)展因子計(jì)算該元胞的發(fā)展趨勢(shì)，該發(fā)展趨勢(shì)包括：發(fā)展方 向Θ，發(fā)展的強(qiáng)度Y，以及火線μ ; 第三步，計(jì)算蔓延：從第Ν層開(kāi)始，將每一層元胞各自計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)匯總形成相應(yīng)上 一層元胞的發(fā)展趨勢(shì)，直至第〇層，通過(guò)元胞匯聚算法算出〇層相應(yīng)的火線蔓延范圍。
[0007] 本發(fā)明所述的多層元胞林火蔓延算法，在第二步中，下層元胞以圓形為基本形狀， 將相應(yīng)上一層元胞從幾何平面上進(jìn)行劃分，圓形的邊線與上一層元胞外圍形狀進(jìn)行投影切 害h下層元胞對(duì)相應(yīng)上一層元胞幾何層面的劃分實(shí)行全覆蓋，下層元胞面積之和：上層元 胞面積之和> 1. 1。
[0008] 本發(fā)明所述的多層元胞林火蔓延算法，在第三步中，將0層的整個(gè)火場(chǎng)當(dāng)做一個(gè) 元胞處理，定義為Ψ，Ψ的高為H，寬為W ;將Ψ劃分為X個(gè)子元胞，形成第1層；然后按照 下面的方法計(jì)算蔓延： 一. 將Ψ分為長(zhǎng)寬分別為1/4Χ的矩形，橫向以阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編碼，堅(jiān)向以英文字母 進(jìn)行編碼，每一個(gè)矩形對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的編碼； 二. 對(duì)于每一個(gè)矩形，以該矩形的對(duì)角線交叉點(diǎn)〇點(diǎn)為圓心，以對(duì)角線為直徑，繪制圓 形R; 三. 將圓形R與Ψ進(jìn)行投影，取相交部分，得到該層的一個(gè)元胞；對(duì)該層其他矩形形成 的元胞進(jìn)行擬合，形成Ψ1層元胞； 四. 重復(fù)以上的步驟，將第1層分解出來(lái)的每一個(gè)元胞按步驟一、二、三進(jìn)行向下分解， 形成第2層； 五. 層劃分完成之后，對(duì)于每一層指定相應(yīng)的火情發(fā)展因子，從第Ν層進(jìn)行元胞計(jì)算， 輸出每一層三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的結(jié)果量：即發(fā)展方向Θ，發(fā)展強(qiáng)度 Υ，以及火線μ ;由于影響火 行為的因數(shù)眾多，在計(jì)算火場(chǎng)某個(gè)局部時(shí)，只需要部分因數(shù)，所以計(jì)算火情發(fā)展因子將逐步 納入到層中，由該層的元胞進(jìn)行計(jì)算；而因子分配到哪一層通過(guò)具體的參數(shù)配置； 六. 采用風(fēng)向蔓延計(jì)算方式，根據(jù)前端采集的風(fēng)向參數(shù)計(jì)算〇層中：發(fā)展方向Θ的值， 發(fā)展強(qiáng)度γ的值，火線μ的值，確定元胞半徑向外延長(zhǎng)后所形成的曲線。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用多層元胞林火蔓延算法，根據(jù) 需要將火場(chǎng)分離為多層，下層是對(duì)上層元胞的進(jìn)一步分解，每一層劃分為多個(gè)元胞，這些元 胞根據(jù)這一層的火情發(fā)展因子計(jì)算該元胞未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)；計(jì)算蔓延時(shí)，最低層的元胞各 自計(jì)算每一個(gè)元胞的發(fā)展趨勢(shì)，然后匯總形成上一層相應(yīng)元胞的發(fā)展趨勢(shì)；在上一層重復(fù) 上述過(guò)程，直至第0層，算出相應(yīng)的火線蔓延范圍，據(jù)此做出相應(yīng)的撲救策略；以有效的預(yù) 測(cè)火情的發(fā)展，提前做好安排部署，盡早的控制火情，避免其惡化。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述林火蔓延算法的算法模型示意圖； 圖2為本發(fā)明所述元胞劃分算法過(guò)程的示意圖； 圖3為本發(fā)明所述上下層元胞的分成模型示意圖； 圖4為本發(fā)明所述元胞算法模型的示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中某一層下層元胞的火線與該層上一層元胞火線的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。
[0012] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā) 明，并不用于限定本發(fā)明。
[0013] 實(shí)施例1 : 一種多層元胞林火蔓延算法的具體步驟如下： 首先，根據(jù)需要將火場(chǎng)分離為多層，下層是對(duì)上層元胞的進(jìn)一步分解，因此，根據(jù)計(jì)算 的精度、火場(chǎng)大小不同來(lái)劃分成不同的層數(shù)。每一層劃分為多個(gè)元胞，這些元胞根據(jù)這一層 的火情發(fā)展因子計(jì)算該元胞未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。發(fā)展趨勢(shì)包括三個(gè)方面，一是發(fā)展方向，用θ 表不；二是發(fā)展的強(qiáng)度，用γ表不；二是火線，用μ表不。
[0014] 其中：火情發(fā)展因子包括可燃物的燃燒床深度、死的可燃物林火熄滅含水率、可燃 物載量、表面積與體積比、含水率、坡度、坡向、風(fēng)速和風(fēng)向等。
[0015] 本算法將火場(chǎng)向下分層，每層分解為多個(gè)元胞，每個(gè)元胞根據(jù)不同層注入的因子 進(jìn)行計(jì)算，及元胞算法輸出量。對(duì)于需要計(jì)算的火場(chǎng)，從幾何學(xué)意義上，將火場(chǎng)二維圖形，按 照需要計(jì)算的精度分解決為多個(gè)層次，然后逐層將上層的元胞分解為更細(xì)的元胞，建立上 層元胞與下層元胞的關(guān)系；在每一層的元胞計(jì)算方法是通過(guò)輸入該層的計(jì)算因子即火情發(fā) 展，結(jié)合相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最后每個(gè)元胞計(jì)算后輸出三個(gè)值；下層元胞三值向量向上匯 總成為上層元胞的三向量值。算法計(jì)算過(guò)程如圖1所示，在圖1中，所需要的分層層數(shù)由外 部輸入?yún)?shù)如計(jì)算精度、火場(chǎng)大小等所決定。
[0016] 分層層數(shù)的外部參數(shù)在開(kāi)始進(jìn)行蔓延算法之前，由用戶輸入。分層層數(shù)的劃分最 終決定了最小元胞的大小。最小元胞的大小根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出為1平方米，故在分層層數(shù) 由當(dāng)前火場(chǎng)面積的大小限定。如當(dāng)前火場(chǎng)面積為10平方米，則最多只能分為3層，第1層 有2個(gè)元胞，第2層有4個(gè)元胞，第3層有8個(gè)元胞。每層元胞的劃分，按