一種多層元胞林火蔓延算法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多層元胞林火蔓延算法，屬于森林火災智能預測及控制技術領 域。
【背景技術】
[0002] 森林火災不僅給國家和人民財產造成巨大的損失，而且破壞生態系統，降低土壤 肥度，造成水土流失、泥石流等自然災害。在發現火災時，盡早的控制火情，避免其惡化，就 需要科學有效的預測火情的發展，提前做好安排部署，以有效的控制火情。由于森林火災存 在時間性、空間性核隨機性，因此，需要對林火行為進行智能預測，結合火情發生地的溫度、 濕度、風速、風向、地形地貌等因數，進行林火蔓延分析。
[0003] 現有的林火蔓延算法將火場作為一個整體進行考量，采用單一的計算方法，忽略 了火場不同的環境和要素，導致計算結果的參考意義不大，失去蔓延分析應有的分析支撐 作用，急需改進。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于：針對上述存在的問題，為克服現有火情蔓延算法將火場作為 一個整體進行考量而導致對決策指揮的局限性，提供一種多層元胞林火蔓延算法，提高火 情蔓延算法的實用性與準確性，有效的解決現有火情蔓延算法存在的上述技術問題。
[0005] 本發明的技術方案是這樣實現的：本發明提供了一種多層元胞林火蔓延算法，首 先根據需要將火場分離為多層，下層是對上層元胞的進一步分解，根據計算的精度、火場大 小不同劃分一定的層數；每一層劃分為多個元胞，這些元胞根據這一層的火情發展因子計 算該元胞未來的發展趨勢；計算蔓延時，最低層的元胞各自計算每一個元胞的發展趨勢，然 后匯總形成上一層相應元胞的發展趨勢；再在上一層重復上述過程，直至第〇層，就可以算 出相應的火線蔓延范圍，據此做出相應的撲救策略。
[0006] 其具體包括如下步驟： 第一步，向下分層：將火場依次按照〇、1、2…N從上往下進行分離； 第二步，逐層分解：下層是對相應上一層元胞的進一步分解，將每個下層分解為若干個 元胞，這些元胞根據該層的火情發展因子計算該元胞的發展趨勢，該發展趨勢包括：發展方 向Θ，發展的強度Y，以及火線μ ; 第三步，計算蔓延：從第Ν層開始，將每一層元胞各自計算的發展趨勢匯總形成相應上 一層元胞的發展趨勢，直至第〇層，通過元胞匯聚算法算出〇層相應的火線蔓延范圍。
[0007] 本發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， 將相應上一層元胞從幾何平面上進行劃分，圓形的邊線與上一層元胞外圍形狀進行投影切 害h下層元胞對相應上一層元胞幾何層面的劃分實行全覆蓋，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層的整個火場當做一個 元胞處理，定義為Ψ，Ψ的高為H，寬為W ;將Ψ劃分為X個子元胞，形成第1層；然后按照 下面的方法計算蔓延： 一. 將Ψ分為長寬分別為1/4Χ的矩形，橫向以阿拉伯數字進行編碼，堅向以英文字母 進行編碼，每一個矩形對應一個單獨的編碼； 二. 對于每一個矩形，以該矩形的對角線交叉點〇點為圓心，以對角線為直徑，繪制圓 形R; 三. 將圓形R與Ψ進行投影，取相交部分，得到該層的一個元胞；對該層其他矩形形成 的元胞進行擬合，形成Ψ1層元胞； 四. 重復以上的步驟，將第1層分解出來的每一個元胞按步驟一、二、三進行向下分解， 形成第2層； 五. 層劃分完成之后，對于每一層指定相應的火情發展因子，從第Ν層進行元胞計算， 輸出每一層三個發展趨勢的結果量：即發展方向Θ，發展強度 Υ，以及火線μ ;由于影響火 行為的因數眾多，在計算火場某個局部時，只需要部分因數，所以計算火情發展因子將逐步 納入到層中，由該層的元胞進行計算；而因子分配到哪一層通過具體的參數配置； 六. 采用風向蔓延計算方式，根據前端采集的風向參數計算〇層中：發展方向Θ的值， 發展強度γ的值，火線μ的值，確定元胞半徑向外延長后所形成的曲線。
[0009] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：本發明采用多層元胞林火蔓延算法，根據 需要將火場分離為多層，下層是對上層元胞的進一步分解，每一層劃分為多個元胞，這些元 胞根據這一層的火情發展因子計算該元胞未來的發展趨勢；計算蔓延時，最低層的元胞各 自計算每一個元胞的發展趨勢，然后匯總形成上一層相應元胞的發展趨勢；在上一層重復 上述過程，直至第0層，算出相應的火線蔓延范圍，據此做出相應的撲救策略；以有效的預 測火情的發展，提前做好安排部署，盡早的控制火情，避免其惡化。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明所述林火蔓延算法的算法模型示意圖； 圖2為本發明所述元胞劃分算法過程的示意圖； 圖3為本發明所述上下層元胞的分成模型示意圖； 圖4為本發明所述元胞算法模型的示意圖； 圖5為本發明實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。
【具體實施方式】
[0011] 下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。
[0012] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發 明，并不用于限定本發明。
[0013] 實施例1 : 一種多層元胞林火蔓延算法的具體步驟如下： 首先，根據需要將火場分離為多層，下層是對上層元胞的進一步分解，因此，根據計算 的精度、火場大小不同來劃分成不同的層數。每一層劃分為多個元胞，這些元胞根據這一層 的火情發展因子計算該元胞未來的發展趨勢。發展趨勢包括三個方面，一是發展方向，用θ 表不；二是發展的強度，用γ表不；二是火線，用μ表不。
[0014] 其中：火情發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、風速和風向等。
[0015] 本算法將火場向下分層，每層分解為多個元胞，每個元胞根據不同層注入的因子 進行計算，及元胞算法輸出量。對于需要計算的火場，從幾何學意義上，將火場二維圖形，按 照需要計算的精度分解決為多個層次，然后逐層將上層的元胞分解為更細的元胞，建立上 層元胞與下層元胞的關系；在每一層的元胞計算方法是通過輸入該層的計算因子即火情發 展，結合相應的參數進行計算，最后每個元胞計算后輸出三個值；下層元胞三值向量向上匯 總成為上層元胞的三向量值。算法計算過程如圖1所示，在圖1中，所需要的分層層數由外 部輸入參數如計算精度、火場大小等所決定。
[0016] 分層層數的外部參數在開始進行蔓延算法之前，由用戶輸入。分層層數的劃分最 終決定了最小元胞的大小。最小元胞的大小根據實踐經驗得出為1平方米，故在分層層數 由當前火場面積的大小限定。如當前火場面積為10平方米，則最多只能分為3層，第1層 有2個元胞，第2層有4個元胞，第3層有8個元胞。每層元胞的劃分，按