关于森林火灾三维可视化热点问题的探讨

2017-10-13朱柄年

森林防火 2017年3期

关键词：林火火场可视化

白夜，朱柄年

（1.武警警种学院，北京昌平 102202；2.北京林业大学，北京海淀 100083）

关于森林火灾三维可视化热点问题的探讨

白夜，朱柄年

（1.武警警种学院，北京昌平 102202；2.北京林业大学，北京海淀 100083）

通过森林火灾三维可视化，可有效的模拟林火发展蔓延状态，对灭火作战有着重大的意义。着重介绍部分目前森林火灾三维可视化研究成果，简述其基本原理，展示其模拟成果，并深刻阐述森林火灾三维可视化的必要性，对未来森林火灾三维可视化的发展方向及前景提出一定的看法。

森林火灾；三维可视化；必要性；研究展望

森林火灾三维可视化是将野外点烧实验、室内林火蔓延模拟实验等获得的林火数据，总结的林火模型，嵌入合适的计算机模拟系统，如Unity3D等软件，模拟林火发展蔓延状态，实现森林火灾扑救指挥、扑火技术战术，火场紧急避险交互式实战训练，以实现安全高效灭火的目的。

1 国内外相关课题研究现状

1.1 美国、加拿大研究现状

在林火行为研究、火灾预测、扑救和火灾模拟等方面，美国和加拿大一直走在世界前列。1986年美国林务局研究出林火行为预测和可燃物模型-燃烧子系统，采用Rothermal模型进行了林火行为预报并实现蔓延。同时，美国通过投入大量的人力和物力，将信息处理、通信传输和遥感监测等学科最先进的技术应用于森林火灾的监测和扑救工作，形成了美国的森林消防高级系统（简称FFAST系统）。目前美国和加拿大都建立起了用于林火蔓延研究的林火实验室，都在进行三维林火的模拟仿真研究。

1.2 国内研究现状

国内在这方面的研究相对缺乏，目前对于林火的研究，大多侧重于森林火灾的指挥调度以及林火蔓延预测等方面的研究。国内也有一些公司对林火蔓延模型进行了研发，但大多是二维上实现，展示效果不理想。有的GIS软件虽然也实现了三维效果，但很少考虑到实际情况（如地形、可燃物因子等），模拟算法也较片面。

2 森林火灾可视化问题部分研究案例及其原理简述

2.1 对森林火灾可视化的模拟研究[1]

2.1.1 数据获取

开展野外点烧，获取数据资料。通过测量各个方向林火蔓延的距离和时间，得到各个方向林火蔓延速度；通过固定高度的标尺，测量林火的高度和长度。每一场火同时测量温度、可燃物湿度、可燃物载量、可燃物高度、地面坡度、空气相对湿度、风力、风向等数据。

2.1.2 建立模型

采用毛贤敏林火蔓延模型用于计算林火的蔓延速度。对点烧数据进行了数学分析，自主研发风对火焰高度及长度影响的模型公式如下。

火焰高度与风力的经验公式为：

火焰长度与风力经验公式为：

2.1.3 实现模拟功能

经过测试，uinty3D是目前最适合需求的开发平台。Unity3D是一个用于创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型开发工具，是一个全面整合的专业引擎。

以三维模拟仿真技术为基础，结合真实地理数据（地形，影像，道路，水系等），对重点林区三维地形图进行了处理，建立了三维地理模型。通过粒子系统，动态模拟三维林火。输入优化过的林火蔓延模型，模拟火场的发展变化过程，实现林火动态演示。通过调节风力风向和地形的不同，林火大小、蔓延速度可以相应发生改变，实现了在真实三维地形上三维动态林火的仿真模拟。部分模拟成果见图1-6。

图1 三维地表火

图2 三维树冠火

图3 地形对林火的影响

图4 加大风力对林火蔓延的影响

图5 风向改变对林火的影响

图6 飞火改变火场格局

2.2 对森林火灾可视化快速模拟及输出系统设计[2]

2.2.1 数据获取

根据森林火灾的发生发展特点，分析出可燃物因素、土壤因素、地形因素和气象因素是影响森林火灾蔓延的主要因素。基于CFireSimulation，通过基类CSimulation获得的基础环境数据，从CFireDisaster类获取三维火灾模型，然后利用CFireScope类根据从CFireSimulation类获取的基础数据和从CFireDisaster类获取的火灾模型数据计算火灾蔓延速度。

2.2.2 建立模型

在火灾蔓延模型的选择上，选择了Rothermel模型进行火场不同特征点的蔓延速度计算。

2.2.3 实现模拟功能

首先确定起火点坐标，然后通过设置模型参数和模拟所需时间步长、气象信息等来进行林火蔓延模拟特征量的计算，最后通过可视化表达完成了火场动态扩展的模拟。模拟成果见图7。

图7 单着火点在线框模式下的蔓延态势

3 森林火灾三维可视化发展的必要性

3.1 解决人员调度存在的问题

森林火灾扑救人员调度是火灾扑救的一个重要环节，人海战术扑救森林火灾并非最佳选择，会造成了人力、财力的极大浪费，间接增加火灾的损失。扑救人员的调度在森林火灾指挥扑救工作中十分重要，如果能及时到达火场，并以尽可能低的成本对灭火力量进行调度，就可以有效地减少人员伤亡与财产损失，这是森林火灾应急救援急需解决的问题[3]。三维可视化模拟系统投入使用后，输入当地地形数据、气象数据等，再进行林火蔓延的模拟，可以直观地看到森林火灾的蔓延情况并且还可以预测森林火灾在未来的蔓延趋势，便于指挥中心更加合理、有效、及时地调动扑救人员。

3.2 指导扑火人员安全避险

林火行为主要受地形、可燃物和气象3大因素的影响，随时随地不断地发生着变化，正是由于火行为变化，特别是突然发生变化，往往会造成人员伤亡[4]。在林火行为突变后，指挥中心可通过林火三维可视化模拟系统快速模拟林火蔓延，从而提出合理、有效的避险措施，传达至扑火队伍。

3.3 模拟提高灭火战术和技术

在现实森林火灾中，森林火灾往往具有极强的伤害性、破坏性，不仅能烧死大片森林，损害森林资源，更为严重的是，在森林火灾扑救过程中，稍有不慎，就会使扑火队员的生命安全受到威胁。所以，在现实中，往往存在知道原定扑火方案存在一定缺陷，但也不得不按照原方案去执行，因为指挥员不能以灭火队员生命为代价去探索更好的灭火作战方案。当可视化模拟投入使用后，可以根据不同的天气、地形以及各种特殊情况，模拟不同的作战方案，探索一种更加安全并高效的灭火作战方案。对森林火灾扑救具有重要意义。

4 森林火灾三维可视化存在的问题及解决措施

4.1 模型选择有待完善

林火蔓延模型较多，较为常用的有基于能量守恒定律的Rothermel（BEHAVE）模型、澳大利亚的McArthur模型、加拿大林火蔓延模型、王正非的林火蔓延模型、毛贤敏的风和地形共同作用模型。模型种类较多，各有优缺点，在建立三维可视化模拟系统时，应结合自身实际情况，明确当地更易测量的可输入的指标，才能更加合理地选择适当的林火蔓延模型。