牟乃夏esri大赛一等奖崂山森林火灾扩散模拟分析与决策系统

崂山森林火灾扩散模拟分析与决策系统1开发背景与设计思想1)开发背景随着信息化建设的不断深入，信息产业成为社会经济增长的新的驱动力，信息技术的迅猛发展和广泛应用，从根本上改变了现代社会的生存和发展环境。世界各国愈来愈把发展信息产业及相关技术放到重要战略地位上来考虑。地理信息系统（GeographicalInformationSystem，简称GIS）是反映人们赖以生存的现实世界(资源与环境)的现势和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性数据，在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。GIS是一门工程应用型学科，是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。GIS技术在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于城市建设、环境监测、土地管理、交通运输、水利、林业矿产等领域。近年来，许多应用领域对地理信息系统提出了更高的要求，促进了GIS技术的迅速发展。许多计算机领域的新技术，如网络技术、面向对象技术、图形图像和人工智能等技术都被应用到GIS领域。在森林林业领域中，数字林业建设成为国家林业局确定的“十二五”期间重大科技项目。我国数字林业建设的总体目标是:以林业重点工程为切入点，创建数字林业中心，研究数字林业构建中的关键技术，建设数字林业工程，最终形成整合集成的数字林业。数字林业主要有两方面的涵义，一是基于3S（遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS）技术的林业信息数字化；二是对这些数字信息的储存、处理、传输和应用。也就是说，数字林业不仅可以将林业的各种特征用数字化的形式表述，还可对这些数字进行处理。以GIS及RS、GPS为代表的新技术将在森林资源监测、营林规划设计、森林灾害预警、科学宏观辅助决策等方面带来巨大的变革和深远的影响。林业领域采用GIS的重要目的是辅助解决与空间相关的问题，其核心功能是空间分析，通过空间分析为各类用户提供管理上的辅助决策。如林火等突发事件的监测与预警、制定扑救措施等。林业GIS系统就是建立在地理信息基础上，结合现行的林业规程规范和行业标准，对森林资源进行分析、规划、监测和管理。运用地理信息平台，把林业各类动态、静态的数据、相关的地理位置和视图结合起来，利用计算机、互联网、多媒体、数字化三维等技术进行森林资源数据的采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出，根据用户的需求方便快速地将这些信息形象生动地展示在用户面前，并形成成果资料。并在些基础上，运用理论进一步预测，为管理者的指挥调度、决策等提供参考。2)设计思想常规的林火扩散系统采用单模型进行模拟，且存在影响因子考虑不全、因子处理过于简单（主要表现在忽略地形因子及风场因子处理简单化），导致模拟出的效果准确度低、针对性差。为此，我们开发了“崂山森林火灾扩散模拟分析与决策系统”。针对崂山的地理、地形条件，充分考虑风场与地形的相互作用，生成准确合理的风向场和风速场，运用王正非模型和罗塞迈尔模型，结合外边界插值扩散原理和惠更斯扩散原理，通过对林火扩散场进行模拟对比，结合实际数据拟合分析，从而模型进行修正，得出当前火场最佳模拟模型，提高了模拟分析的准确度，针对性强。2系统功能图1系统功能架构图3系统特色1)火险等级预报分析森林火灾是一种对森林环境有巨大破坏力并在一定自然背景下由于自然或人为的原因导致森林燃烧的一种灾害。它不但损害森林资源、破坏生态平衡，严重时危及到群众的生命财产安全。崂山处山东的南端,气温较高、人口密集、森林分布面广，每年火情来得早,而且易燃的人工油松林面积较大，是山东的火灾易发区。因此，准确有效地监测和有效的防范措施，已迫在眉睫。森林火灾的发生、发展、蔓延、扑救在很大程度上受气象条件的制约和影响。目前，大多数省级气象台已开展了此项业务，而地市级气象台由于所获信息较少，开展此项业务的尚为数不多。近年来，气象卫星和计算机技术发展和数值预报产品使用水平的提高，为建立森林火险等级预报系统提供了可靠的技术保障。研究和探讨森林火灾发生和发展与气象条件的关系，制作和发布气象火险等级的预报，建立监测预警系统，对提高防御自然灾害能力，降低损失具有重要意义。火险等级预报分析主要考虑了林学因子、社会经济活动因子、气象因子三方面的综合作用。利用层次分析法得出个影像因子的权重，根据：HTZ1=0.4087(100−X1)+1.5084X2+1.5673X+1.7201X4+1.6972e0.33Vmax−2.1424e0.33R得出火险等级分布图：图2系统二三维火险等级预报分析图2)火灾扩散模拟火灾蔓延模拟实现对火势的蔓延模拟。获取火点可以在场景中定位火源点。扩散模型中提供了王正非模型结合外边界插值法扩散原理和罗塞迈尔模型结合惠更斯扩散原理两种扩散模拟方式，两种不同的模型采用了不同的扩散原理，通过拟合修正对两个模型对比并修正模型，从而可以确定所采用的模型。王正非模型是经过对我国大兴安岭林火蔓延研究得出的林火蔓延模型，其针对性强，且使用简单方便，适用于坡度在60度以下的地形。由于本研究主要应用在青岛地区的林业局，故王正非模型是本系统的较合适选择。但又由于山火蔓延的复杂性主要由气象因素（风、温度、湿度）、植被条件和地形分布等引起。各种模型中，以描述蔓延速率、火线强度和燃料燃烧过程等用途，王正非模型在某些方面还有一点局限性。因此我们又为系统引进了另一个模型：Rothermel（罗塞迈尔），目前为止使用最广的实用型模型大多立足于Rothermel(1972)的研究结果。通过与天气预测结合，将风洞燃烧数据回归到Rothermel方程中，美国森林服务中心（USFS）已经利用此模型成功预测野火行为、指导灭火和辅助培训和规划。系统通过集成两个模型，可以互补以满足需求。通过对实际林火范围的拟合对比来确定哪个模型更适合于当前火场的扩散模拟。图3惠更斯与外边界插值扩散示意图图4王正非与罗塞迈尔模型原理图模拟时采用了两种模型对火势蔓延进行模拟，分别是王正非模型对应的外边界插值扩散原理和罗塞迈尔模型对应的惠更斯扩散原理。通过对两个模型与实际火势范围进行拟合修正对比，选出最佳的扩散模型。在初期选择模型的时候，将两个模型的模拟结果与林火初期的实际扩散范围进行拟合，通过拟合度确定模型的拟合程度的好坏，拟合度的计算主要考虑了扩散范围和扩散方向。并根据实际扩散范围对模型进行修正，返回修正参数。模型修正后会重新计算拟合度，根据修正后模型的拟合度大小确定选择哪个模型。如下图所示取60分钟时，两个模型的模拟范围与实际范围拟合修正，最终确定模拟所依据的模型。图5拟合修正范围对比图图6拟合分析前后对比图图7王正非模型修正比较图8罗塞迈尔模型修正比较下图展示的是王正非模型模拟的三维火势蔓延动态变化过程，火势沿山坡向上坡蔓延较快，下坡蔓延较慢，到山脊时火势向两边扩展图9系统三维火势动态模拟3）实时决策森林火灾发生后，为了减少森林火灾所造成的损失，最重要的就是把林火控制在初发阶段。为达到这一目的，一方面需要扑火队伍的快速反应、现代化的扑火装备、先进的扑火技术和集中优势兵力打歼灭战，另一方面也要吸收以往的教训，不能搞“人海”战术，应该根据火场的立地条件，林火蔓延速度、扑火队伍到火场所需时间、火周边长、周边扩展率、火场面积等进行科学预测，投入适当兵力，合理地进行林火扑救。另外，掌握一场森林火灾所需的扑火时间和扑火力量，对于科学指挥扑火十分必要。对扑火指挥员来说，了解这两个指标，即可避免“人海战术”，造成浪费；又可保证扑火实施方案按计划顺利进行。系统根据不同火势蔓延情况实时给出合理的决策方案，包括隔离带的生成（隔离带生成比较复杂，要综合考虑火场情况，地形因子，林木疏密大小，河流湖泊等，同时要结合现场实地考察），火场扩散趋势图，人力分配与部署等，对林火的控制具有重要意义（图8上为扩散趋势与人力部署，下为隔离带开设方案）图10火场态势图标绘图11隔离带生成