CN111310344B - 一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，包括数据的输入和虚拟地形的构建、二维风矢量场和二维火矢量场的构建、风矢量场和火矢量场耦合计算三部分；具体步骤如下：输入点阵形式的风速、风向、可燃物数据文件；构建二维网格地形；构建初始二维风矢量场；设置随机的点火源位置，设置固定的时间步长T；计算一个时间步长后火蔓延边界的速度和方向，构建二维火矢量场；将风矢量场和火矢量场进行矢量计算，得到新的风矢量场；在新的风矢量场作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，构建新的火矢量场；重复之前两个步骤，不断更新风矢量场和火矢量场，直至可燃物燃烧完毕。

Description

一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法

技术领域

本发明涉及林火蔓延模拟预测领域，特别是一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法。

背景技术

森林火灾每年都会造成巨大的经济损失和人员伤亡，而对森林火灾蔓延特性的研究也从未停止过。随着信息技术的发展，森林火灾的研究日趋信息化、智能化，与地理信息系统、虚拟现实、数学建模结合得日趋紧密，也产生许多森林火灾蔓延预测模拟系统。

火灾蔓延是一个复杂、多相的过程，其中风(风速、风向)能够显著地改变林火蔓延的速度和方向。在实际森林火灾的蔓延过程中，风会影响火的蔓延方向和速度，而与此同时，火也会引起局部的风速和风向的改变，而随后风的改变又会影响后续火蔓延方向和速度的改变。然而，在现有的较为成熟的林火蔓延模拟预测系统(如Farsite、BehavePlus等)中，风被理想化，在整个林火蔓延模拟过程中风速和风向不会改变，因此，预测的结果与实际必然存在误差。若想提高林火蔓延预测模拟的准确性，则必须在进行林火蔓延模拟计算时考虑风场和火场的耦合作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，在输入的风速、风向、可燃物数据的基础上，对经历每一个时间步长后的风矢量场和火矢量场进行矢量计算得到新的风矢量场，并该新的风矢量场又作为下一时间步长火蔓延的计算条件，不断地更新火场和风场，直至可燃物燃烧完毕，这整个过程模拟了现实中林火蔓延过程中风和火的耦合作用，提高林火蔓延模拟的准确性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，包括以下步骤：

步骤S1：输入数据并进行二维网格地形的构建；

步骤S2：进行二维风矢量场和二维火矢量场的构建；

步骤S3：进行风矢量场和火矢量场耦合计算。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：输入点阵形式的风速、风向、可燃物数据文件；

步骤S12：在计算机上采用规则网格的方式构建二维网格地形，二维网格的边长即空间步长，长度相等。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：构建初始二维风矢量场：根据所输入的风速数据文件，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表风速大小，然后根据所输入的风向文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维风矢量场的构建；

步骤S22：设置随机的点火源位置，设置固定的时间步长T，T的范围为10min～60min，当T值设置较小，则整个模拟过程耗时较长，但精度较高；当T值设置较大，则整个模拟过程耗时较短，但精度较低；

步骤S23：计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，构建初始二维火矢量场；

进一步地，构建初始二维火矢量场：根据所计算得出的火蔓延边界速度和方向数据，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表火速大小，然后根据火蔓延边界方向数据文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维火矢量场的构建。

进一步地，所述风矢量场和火矢量场耦合计算的具体内容如下：

步骤1：新的风矢量场更新原有的风矢量场：将原有的风矢量场在每个网格中的风速、风向数据替换为新的风矢量场在每个与之对应的网格中的风速、风向数据，重新构建风矢量场；

步骤2：新的火矢量场更新原有的火矢量场：将原有的火矢量场在每个网格巾的火蔓延速度、火蔓延方向数据替换为新的火矢量场在每个与之对应的网格中的火蔓延速度、火蔓延方向数据，重新构建火矢量场；

步骤3：可燃物燃烧完毕：二维网格地形中每一个网格都有对应的可燃物数据，当林火在二维地形上蔓延覆盖所有的可燃物时，即可判定可燃物燃烧完毕，此时林火停止蔓延。

进一步地，得到新的风矢量场和火矢量具体包括以下步骤：

步骤SA：将风矢量场和火矢量场进行矢量计算，得到新的风矢量场，并用该新的风矢量场更新上一次计算得到的二维风矢量场；

步骤SB：在更新后的风矢量场作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，得到新的火矢量场，并用该新的火矢量场更新上一次计算得到的二维火矢量场；

步骤SC：重复步骤步骤SA和步骤SB，不断更新风矢量场和火矢量场，直至可燃物燃烧完毕。

进一步地，所述将风矢量场和火矢量场进行矢量计算具体内容如下：

将每个网格中风矢量和火矢量进行矢量计算，矢量计算公式为：

其中基本向量：

为沿x轴正方向的单位向量，

为沿y轴正方向的单位向量，向量

代表网格中的风矢量，向量

代表相同网格中的火矢量，a₁为风矢量

在x轴方向上的分量，a₂为风矢量

在y轴方向上的分量，b₁为火矢量

在x轴方向上的分量，b₂为火矢量

在y轴方向上的分量；矢量计算得出的

为每个网格中的新风矢量，所有网格中的新风矢量则代表新的风矢量场，该风矢量场作为下一时间步长进行矢量计算的风矢量场。

进一步地，所述计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向所采用的方法的方法包括但不限于Rothermel地表火蔓延计算方法、王正非林火蔓延计算方法。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：现有的林火蔓延模拟系统中，风场都是稳定的静态风场，在整个林火蔓延模拟的过程中整个风场的风速和风向都不会改变，因此也不会考虑风场和火场的耦合作用，这不符合现实中的林火蔓延过程的机理，因此，现有的林火蔓延模拟系统大多都是对林火蔓延过程理想化的模拟。本发明通过规则网格的方法构建二维网格地形，将空间分成步长相同的正方形网格，又通过设定固定的时间步长T，将时间分成步长相同的一段段时间T，通过矢量计算的方法不断更新风场，使整个林火蔓延模拟过程中，风场在每一个时间步长T后动态改变(体现火场对风场的作用)，而改变后的风场又对火场进行进一步的影响(体现风场对火场的作用)，整个计算过程体现了风场和火场的耦合作用。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为风向角度示意图。

图3为本发明实施例的二维网格地形构建图。

图4为本发明实施例的二维网格地形上风节点的构建图。

图5为本发明实施例的点火源的设置图。

图6为本发明实施例的二维网格地形上火节点的构建图。

图7为本发明实施例的风场和火场的耦合计算图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

请参照图1，本发明提供一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，包括以下步骤：

步骤S1：输入数据并进行二维网格地形的构建；

步骤S2：进行二维风矢量场和二维火矢量场的构建；

步骤S3：进行风矢量场和火矢量场耦合计算。

在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：输入点阵形式的风速、风向、可燃物数据文件；

二维点阵形式的风速、风向、可燃物的数据文件的输入：每个点阵数据是已经采集完毕的现有数据，每个点阵数据用于计算每个网格的属性，每个网格的风速、风向、可燃物数据一一对应；

步骤S12：在计算机上采用规则网格的方式构建二维网格地形，二维网格的边长即空间步长，长度相等。

在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：构建初始二维风矢量场：根据所输入的风速数据文件，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表风速大小，然后根据所输入的风向文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维风矢量场的构建；

步骤S22：设置随机的点火源位置，设置固定的时间步长T，T的范围为10min～60min，当T值设置较小，则整个模拟过程耗时较长，但精度较高；当T值设置较大，则整个模拟过程耗时较短，但精度较低；

步骤S23：计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，构建初始二维火矢量场。

进一步地，构建初始二维火矢量场：根据所计算得出的火蔓延边界速度和方向数据，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表火速大小，然后根据火蔓延边界方向数据文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维火矢量场的构建。

在本实施例中，所述风矢量场和火矢量场耦合计算的具体内容如下：

步骤1：新的风矢量场更新原有的风矢量场：将原有的风矢量场在每个网格中的风速、风向数据替换为新的风矢量场在每个与之对应的网格中的风速、风向数据，重新构建风矢量场；

步骤2：新的火矢量场更新原有的火矢量场：将原有的火矢量场在每个网格中的火蔓延速度、火蔓延方向数据替换为新的火矢量场在每个与之对应的网格中的火蔓延速度、火蔓延方向数据，重新构建火矢量场；

步骤3：可燃物燃烧完毕：二维网格地形中每一个网格都有对应的可燃物数据，当林火在二维地形上蔓延覆盖所有的可燃物时，即可判定可燃物燃烧完毕，此时林火停止蔓延。

在本实施例中，得到新的风矢量场和火矢量具体包括以下步骤：

步骤SA：将风矢量场和火矢量场进行矢量计算，得到新的风矢量场，并用该新的风矢量场更新上一次计算得到的二维风矢量场；

步骤SB：在更新后的风矢量场作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，得到新的火矢量场，并用该新的火矢量场更新上一次计算得到的二维火矢量场；

步骤SC：重复步骤步骤SA和步骤SB，不断更新风矢量场和火矢量场，直至可燃物燃烧完毕。

所述重复步骤SA和步骤SB的具体内容为将步骤SA和步骤SB中得到的新的风矢量场和新的火矢量场再次进行矢量计算，所得到的结果用于更新风矢量场，并在此更新后的风矢量场条件作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，得到新的火矢量场，并用该新的火矢量场更新原有的火矢量场，随着时间的变化风场和火场不断地进行更新，直到二维网格地形中的可燃物燃烧完毕；

在本实施例中，所述将风矢量场和火矢量场进行矢量计算具体内容如下：

将每个网格中风矢量和火矢量进行矢量计算，矢量计算公式为：

其中基本向量：

为沿x轴正方向的单位向量，

为沿y轴正方向的单位向量，向量

代表网格中的风矢量，向量

代表相同网格中的火矢量，a₁为风矢量

在x轴方向上的分量，a2为风矢量

在y轴方向上的分量，b₁为火矢量

在x轴方向上的分量，b₂为火矢量

在y轴方向上的分量；矢量计算得出的

为每个网格中的新风矢量，所有网格中的新风矢量则代表新的风矢量场，该风矢量场作为下一时间步长进行矢量计算的风矢量场。

在本实施例中，所述计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向所采用的方法的方法包括但不限于Rothermel地表火蔓延计算方法、王正非林火蔓延计算方法。

较佳的，本实施例的具体示例如下：总的来说包括数据的输入和虚拟地形的构建、二维风矢量场和二维火矢量场的构建、风矢量场和火矢量场耦合计算三部分；

所述的数据的输入内容和要求如下：输入数据包括风速、风向、可燃物的数据文件，这三个数据应都包含相同的公有信息：左下角的经度、纬度、行数、列数、行间距及列间距。对于这三个数据，都是使用现有的已经采集好的数据。

以上内容的具体步骤如下：

步骤S1：输入点阵形式的风速、风向、可燃物数据文件，每个点阵数据用于计算每个网格的属性，每一点的风速、风向和可燃物数据一一对应。风向的表示方法，如图2所示，用角度表示风向，北风为0度，东风为90度，南风为180度，西风为270度，其余的风向都参照此图计算得出。

步骤S2：构建二维网格地形，使用规则网格的方式构建二维网格地形，如图3所示，二维地形被划分为网格大小相同的二维网格地形。

步骤S3：构建初始二维风矢量场，如图4所示，首先根据所输入的风速数据文件，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表风速大小，然后根据所输入的风向文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维风矢量场的构建。

步骤S4：设置随机的点火源位置，设置固定的时间步长T，如图5所示，在二维网格地形中的任一网格中设置点火源，并根据想要模拟的精度设置时间步长T，时间步长T越小，模拟精度越高，但计算量更大；

步骤S5：计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，构建二维火矢量场，如图6所示，根据惠更斯原理在林火蔓延中的应用，点火源蔓延后会形成一个椭圆形的火场边界，使用包括但不限于以下方法对火蔓延边界的速度和方向进行计算：Rothermel林火蔓延计算方法、王正非林火蔓延计算方法。

步骤S6：将风矢量场和火矢量场进行矢量计算，得到新的风矢量场，并用该新的风矢量场更新原有的风矢量场，矢量计算如图7所示，对二维网格地形中的每一个网格内的火矢量和风矢量进行矢量计算，计算后得到的结果即为新的风矢量场，图中的x轴表示东向，y轴表示北向；矢量计算公式为：

其中基本向量：

为沿x轴正方向的单位向量，

为沿y轴正方向的单位向量，向量

代表网格中的风矢量，向量

代表相同网格中的火矢量，a₁为风矢量

在x轴方向上的分量，a₂为风矢量

在y轴方向上的分量，b₁为火矢量

在x轴方向上的分量，b₂为火矢量

在y轴方向上的分量。

步骤S7：在更新后的风矢量场作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，得到新的火矢量场，并用该新的火矢量场更新原有的火矢量场。

步骤S8：重复步骤S6和S7，不断更新风矢量场和火矢量场，直至可燃物燃烧完毕；重复步骤S6和S7，直至火场边界包围所有可燃物，即可判定可燃物燃烧完毕，此时林火停止蔓延。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：输入数据并进行二维网格地形的构建；

步骤S2：进行二维风矢量场和二维火矢量场的构建；

步骤S3：进行风矢量场和火矢量场耦合计算；

所述风矢量场和火矢量场耦合计算的具体内容如下：

步骤1：新的风矢量场更新原有的风矢量场：将原有的风矢量场在每个网格中的风速、风向数据替换为新的风矢量场在每个与之对应的网格中的风速、风向数据，重新构建风矢量场；

步骤2：新的火矢量场更新原有的火矢量场：将原有的火矢量场在每个网格中的火蔓延速度、火蔓延方向数据替换为新的火矢量场在每个与之对应的网格中的火蔓延速度、火蔓延方向数据，重新构建火矢量场；

步骤3：可燃物燃烧完毕：二维网格地形中每一个网格都有对应的可燃物数据，当林火在二维地形上蔓延覆盖所有的可燃物时，即可判定可燃物燃烧完毕，此时林火停止蔓延；

得到新的风矢量场和火矢量场具体包括以下步骤：

步骤SA：将风矢量场和火矢量场进行矢量计算，得到新的风矢量场，并用该新的风矢量场更新上一次计算得到的二维风矢量场；

步骤SB：在更新后的风矢量场作用下，计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，得到新的火矢量场，并用该新的火矢量场更新上一次计算得到的二维火矢量场；

步骤SC：重复步骤SA和步骤SB，不断更新风矢量量场和火矢量场，直至可燃物燃烧完毕。

2.根据权利要求1所述的一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：所述步骡S1具体包括以下步骤：

步骤S11：输入点阵形式的风速、风向、可燃物数据文件；

步骤S12：在计算机上采用规则网格的方式构建二维网格地形，二维网格的边长即空间步长，长度相等。

3.根据权利要求1所述的一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：构建初始二维风矢量场：根据所输入的风速数据文件，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝向北，箭头长度代表风速大小，然后根据所输入的风向文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维风矢量场的构建；

步骤S22：设置随机的点火源位置，设置固定的时间步长T，T的范围为10min～60min；当T值设置较小，则整个模拟过程耗时较长，但精度较高；当T值设置较大，则整个模拟过程耗时较短，但精度较低；

步骤S23：计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向，构建初始二维火矢量场。

4.根据权利要求3所述的一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：步骤S23中所述构建初始二维火矢量场的具体内容为：根据所计算得出的火蔓延边界的速度和方向数据，在二维网格地形中的每一个网格内设置箭头，方向统一朝北向，箭头长度代表火速大小，然后根据火蔓延边界方向数据文件，将二维网格地形中的箭头旋转对应的角度，即完成整个二维火矢量场的构建。

5.根据权利要求1所述的一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：所述将风矢量场和火矢量场进行矢量计算具体内容如下：

将每个网格中风矢量和火矢量进行矢量计算，矢量计算公式为：

其中基本向量：

为沿x轴正方向的单位向量，

为沿y轴正方向的单位向量，向量

代表网格中的风矢量，向量

代表相同网格中的火矢量，a₁为风矢量

在x轴方向上的分量，a₂为风矢量

在y轴方向上的分量，b₁为火矢量

在x轴方向上的分量，b₂为火矢量

在y轴方向上的分量；矢量计算得出的

为每个网格中的新风矢量，所有网格中的新风矢量则代表新的风矢量场，该风矢量场作为下一时间步长进行矢量计算的风矢量场。

6.根据权利要求3所述的一种林火蔓延模拟中考虑风场与火场耦合作用的方法，其特征在于：所述计算一个时间步长T后火蔓延边界的速度和方向所采用的方法包括Rothermel地表火蔓延计算方法、王正非林火蔓延计算方法。

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