CN114936502B - 一种森林火灾蔓延态势边界分析方法、系统、终端及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种森林火灾蔓延态势边界分析方法、系统、终端及介质，涉及火灾分析技术领域，其技术方案要点是：获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；对目标火灾区划分网格，并确定网格单元的网格向量；确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；以边缘网格建立火灾蔓延态势边界线。本发明能够准确表示森林火灾蔓延的边界，又使得火灾蔓延态势边界线上各个网格单元中紧密相连，避免了插值处理带来的误差。
Description
技术领域
本发明涉及火灾分析技术领域，更具体地说，它涉及一种森林火灾蔓延态势边界分析方法、系统、终端及介质。
背景技术
森林火灾采取的灭火措施主要有建立大范围隔离区、投放灭火物质等，而传统的人灭火措施的施加地点一般是在考虑森林火灾的环境数据、天气以及救援资源等情况后，依据已有经验进行粗略判断，存在由于灭火地点不准确而引起的火势难以及时抑制、救援范围划分过大而导致森林火灾影响范围扩大等问题。因此，对森林火灾的蔓延态势进行精准分析成为了火灾分析的主要研究方向。
现检索到公开号为CN113792427A的中国专利申请，其公开了一种已有边界条件下森林火灾蔓延预测模拟的方法，其考虑了地形数据、可燃物、风速等因素影响，在已有的多边形火灾边界上各个顶点为起始点，并依据火线法线和坡度、风向矢量确定相应顶点的唯一火灾蔓延方向，依据火灾蔓延方向来确定各个顶点在时间步长内所能够蔓延到的区域，以此来预测分析时间步长后能够蔓延到达的边界。
然而，由于火灾发展趋势受地形、可燃物总量、环境温湿度、风速、植被分布间距等多种因素影响，火灾发展趋势具有复杂多变的特点，仅以唯一的火灾蔓延方向进行边界分析存在误差较大的问题，例如，某一位置点在引发邻近区域植被燃烧时，可能存在侧向、斜向方向的邻近区域相对于火灾蔓延正向方向的邻近区域更容易被引燃，且燃烧速度更快的情况。此外，由于各顶点的火灾蔓延方向差异性影响，导致构建预测的多边形边界时，相邻顶点间距差异较大，即使通过插值处理后，预测的多边形边界也存在较大误差，准确度较低。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的森林火灾蔓延态势边界分析方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种森林火灾蔓延态势边界分析方法、系统、终端及介质，从不同轨迹方向分析得到相同时间内最边缘的所有网格，既使得确定的边缘网格能够准确表示森林火灾蔓延的边界，又使得火灾蔓延态势边界线上各个网格单元中紧密相连，避免了插值处理带来的误差，更接近于森林草原自然火灾蔓延的实际情况。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，包括以下步骤：
获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；
从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；
依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；
根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；
根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；
以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；
从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线。
进一步的，所述网格单元为四边形网格，网格单元中与火灾蔓延方向同侧的网格长边的长度与目标火灾区面积、风速信息均呈正相关。
进一步的，所述网格向量的确定过程具体为：以网格单元中靠近火灾蔓延起始侧的网格宽边中点为起始点、靠近火灾蔓延终止侧的网格宽边中点为终点构建网格单元的网格向量。
进一步的，所述火势特征值的确定过程具体为：
根据植被类型特征确定植被平均高度，并结合植被平均高度、网格单元的网格面积计算出相应网格单元的可燃烧空间；
依据可燃烧空间的体积与密度特征的乘积得到相应网格单元的可燃烧量；
根据可燃烧量和植被湿度特征确定表征植被燃烧火势大小的火势特征值，火势特征值与可燃烧量呈正相关、与植被湿度特征呈负相关。
进一步的，所述火灾蔓延向量的确定过程具体为：
根据风速信息在网格向量上的投影确定相应网格单元的有效风速；
将火势特征值转换成表征引发邻近植被燃烧效率的燃烧因子；
依据有效风速与燃烧因子的乘积确定相应网格单元的火灾蔓延向量。
进一步的，所述火灾蔓延时间由网格单元中的网格长边长度与火灾蔓延向量之比确定。
进一步的，该方法还包括：
以建立的火灾蔓延态势边界线为新的当前火灾蔓延边界；
重复分析得到以预设时间周期为时间间隔的不同时刻点所对应的火灾蔓延态势边界线；
将所有的火灾蔓延态势边界线融合后，得到火灾蔓延态势分层图。
第二方面，提供了一种森林火灾蔓延态势边界分析系统，包括：
数据获取模块，用于获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；
特征提取模块，用于从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；
网格划分模块，用于依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；
火势分析模块，用于根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；
蔓延分析模块，用于根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；
轨迹分析模块，用于以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；
边界构建模块，用于从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，通过对目标火灾区进行网格划分，并依据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征分析表征每个网格单元中植被燃烧蔓延的火灾蔓延时间，同时从不同轨迹方向分析得到相同时间内最边缘的所有网格，既使得确定的边缘网格能够准确表示森林火灾蔓延的边界，又使得火灾蔓延态势边界线上各个网格单元中紧密相连，避免了插值处理带来的误差；
2、本发明依据目标火灾区面积、风速信息对网格单元进行网格划分，能够适用于不同森林火灾等级的蔓延边界分析，有效保证了火灾蔓延态势边界线的分析效率；
3、本发明依据风速信息、网格向量和火势特征值对每个网格单元的燃烧情况进行独立、详细分析，增强了森林火灾蔓延态势分析的精确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；
S2：从遥感图像数据中提取但不限于密度特征、植被类型特征、植被湿度特征、地形特征、初始火灾范围特征，初始火灾范围特征也可以采取其他方式获得；
S3：依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；风速信息包括风速值、风向以及风场分布情况；其中，网格划分可基于3DGIS实现，网格向量确定过程中可在依据细胞传染自动机制所构建的林火蔓延基础模型中完成；
S4：根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；
S5：根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；
S6：以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；当前火灾蔓延边界可以是初始火灾范围特征，也可以是已确定的火灾蔓延态势边界线；
S7：从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线。
本发明通过对目标火灾区进行网格划分，并依据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征分析表征每个网格单元中植被燃烧蔓延的火灾蔓延时间，同时从不同轨迹方向分析得到相同时间内最边缘的所有网格，既使得确定的边缘网格能够准确表示森林火灾蔓延的边界，又使得火灾蔓延态势边界线上各个网格单元中紧密相连，避免了插值处理带来的误差；此外，本发明结合3DGIS技术对森林火灾蔓延态势分析结果进行了可视化呈现，能够直观、高效、动态的展示整个火灾蔓延过程，可直接应用于森林火灾的应急处置任务。
网格单元为四边形网格，网格单元中与火灾蔓延方向同侧的网格长边的长度与目标火灾区面积、风速信息均呈正相关。需要说明的是，若网格单元所处区域为平面，则四边形网格为矩形或正方形，若网格单元所处区域为斜披、凸面、凹面等不规则区域，则四边形网格为对应的不规则形状。此外，网格单元还可以采用在同一水平面内投影为同一规格的矩形网格。
本发明依据目标火灾区面积、风速信息对网格单元进行网格划分，能够适用于不同森林火灾等级的蔓延边界分析，有效保证了火灾蔓延态势边界线的分析效率。
网格向量的确定过程具体为：以网格单元中靠近火灾蔓延起始侧的网格宽边中点为起始点、靠近火灾蔓延终止侧的网格宽边中点为终点构建网格单元的网格向量。
火势特征值的确定过程具体为：根据植被类型特征确定植被平均高度，并结合植被平均高度、网格单元的网格面积计算出相应网格单元的可燃烧空间；依据可燃烧空间的体积与密度特征的乘积得到相应网格单元的可燃烧量；根据可燃烧量和植被湿度特征确定表征植被燃烧火势大小的火势特征值，火势特征值与可燃烧量呈正相关、与植被湿度特征呈负相关。
火灾蔓延向量的确定过程具体为：根据风速信息在网格向量上的投影确定相应网格单元的有效风速；将火势特征值转换成表征引发邻近植被燃烧效率的燃烧因子；依据有效风速与燃烧因子的乘积确定相应网格单元的火灾蔓延向量。
火灾蔓延时间由网格单元中的网格长边长度与火灾蔓延向量之比确定。本发明依据风速信息、网格向量和火势特征值对每个网格单元的燃烧情况进行独立、详细分析，增强了森林火灾蔓延态势分析的精确度。
为了得到细致的火灾蔓延态势分层图，本发明以建立的火灾蔓延态势边界线为新的当前火灾蔓延边界；重复步骤S6-S7分析得到以预设时间周期为时间间隔的不同时刻点所对应的火灾蔓延态势边界线；将所有的火灾蔓延态势边界线融合后，得到火灾蔓延态势分层图。
此外，在分析建立火灾蔓延态势分层图的过程中，火灾蔓延态势分层图中相邻火灾蔓延态势边界线之间的时间间隔可以设置不同。
实施例2：一种森林火灾蔓延态势边界分析系统，该系统用于实现实施例1中所记载的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，如图2所示，包括数据获取模块、特征提取模块、网格划分模块、火势分析模块、蔓延分析模块、轨迹分析模块和边界构建模块。
其中，数据获取模块，用于获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；特征提取模块，用于从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；网格划分模块，用于依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；火势分析模块，用于根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；蔓延分析模块，用于根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；轨迹分析模块，用于以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；边界构建模块，用于从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线。
工作原理：本发明通过对目标火灾区进行网格划分，并依据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征分析表征每个网格单元中植被燃烧蔓延的火灾蔓延时间，同时从不同轨迹方向分析得到相同时间内最边缘的所有网格，既使得确定的边缘网格能够准确表示森林火灾蔓延的边界，又使得火灾蔓延态势边界线上各个网格单元中紧密相连，避免了插值处理带来的误差。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，包括以下步骤：
获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；
从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；
依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；
根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；
根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；
以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；
从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线；
所述火势特征值的确定过程具体为：
根据植被类型特征确定植被平均高度，并结合植被平均高度、网格单元的网格面积计算出相应网格单元的可燃烧空间；
依据可燃烧空间的体积与密度特征的乘积得到相应网格单元的可燃烧量；
根据可燃烧量和植被湿度特征确定表征植被燃烧火势大小的火势特征值，火势特征值与可燃烧量呈正相关、与植被湿度特征呈负相关。
2.根据权利要求1所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，所述网格单元为四边形网格，网格单元中与火灾蔓延方向同侧的网格长边的长度与目标火灾区面积、风速信息均呈正相关。
3.根据权利要求1所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，所述网格向量的确定过程具体为：以网格单元中靠近火灾蔓延起始侧的网格宽边中点为起始点、靠近火灾蔓延终止侧的网格宽边中点为终点构建网格单元的网格向量。
4.根据权利要求1所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，所述火灾蔓延向量的确定过程具体为：
根据风速信息在网格向量上的投影确定相应网格单元的有效风速；
将火势特征值转换成表征引发邻近植被燃烧效率的燃烧因子；
依据有效风速与燃烧因子的乘积确定相应网格单元的火灾蔓延向量。
5.根据权利要求1所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，所述火灾蔓延时间由网格单元中的网格长边长度与火灾蔓延向量之比确定。
6.根据权利要求1所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法，其特征是，该方法还包括：
以建立的火灾蔓延态势边界线为新的当前火灾蔓延边界；
重复分析得到以预设时间周期为时间间隔的不同时刻点所对应的火灾蔓延态势边界线；
将所有的火灾蔓延态势边界线融合后，得到火灾蔓延态势分层图。
7.一种森林火灾蔓延态势边界分析系统，其特征是，包括：
数据获取模块，用于获取目标火灾区的遥感图像数据和风速信息；
特征提取模块，用于从遥感图像数据中提取密度特征、植被类型特征、植被湿度特征以及地形特征；
网格划分模块，用于依据地形特征对目标火灾区划分网格，并依据风速信息确定各个网格单元的网格向量；
火势分析模块，用于根据密度特征、植被类型特征、植被湿度特征确定目标火灾区中未蔓延区域网格单元的火势特征值；
蔓延分析模块，用于根据风速信息、网格向量和火势特征值确定相应网格单元的火灾蔓延向量，并结合网格单元的网格尺寸和火灾蔓延向量确定相应网格单元的火灾蔓延时间；
轨迹分析模块，用于以目标火灾区的当前火灾蔓延边界为起始点，分析出预设时间周期内从不同轨迹方向蔓延所达到的网格单元作为终点网格；
边界构建模块，用于从所有终点网格中筛选出最边缘的网格作为边缘网格，并以边缘网格建立预设时间周期所对应的火灾蔓延态势边界线；
所述火势特征值的确定过程具体为：
根据植被类型特征确定植被平均高度，并结合植被平均高度、网格单元的网格面积计算出相应网格单元的可燃烧空间；
依据可燃烧空间的体积与密度特征的乘积得到相应网格单元的可燃烧量；
根据可燃烧量和植被湿度特征确定表征植被燃烧火势大小的火势特征值，火势特征值与可燃烧量呈正相关、与植被湿度特征呈负相关。
8.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-6中任意一项所述的一种森林火灾蔓延态势边界分析方法。
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