關(guān)于森林火災(zāi)三維可視化熱點問題的探討

白 夜，朱柄年

（1.武警警種學(xué)院，北京 昌平 102202；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 海淀 100083）

關(guān)于森林火災(zāi)三維可視化熱點問題的探討

白 夜，朱柄年

（1.武警警種學(xué)院，北京 昌平 102202；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 海淀 100083）

通過森林火災(zāi)三維可視化，可有效的模擬林火發(fā)展蔓延狀態(tài)，對滅火作戰(zhàn)有著重大的意義。著重介紹部分目前森林火災(zāi)三維可視化研究成果，簡述其基本原理，展示其模擬成果，并深刻闡述森林火災(zāi)三維可視化的必要性，對未來森林火災(zāi)三維可視化的發(fā)展方向及前景提出一定的看法。

森林火災(zāi)；三維可視化；必要性；研究展望

森林火災(zāi)三維可視化是將野外點燒實驗、室內(nèi)林火蔓延模擬實驗等獲得的林火數(shù)據(jù)，總結(jié)的林火模型，嵌入合適的計算機模擬系統(tǒng)，如Unity3D等軟件，模擬林火發(fā)展蔓延狀態(tài)，實現(xiàn)森林火災(zāi)撲救指揮、撲火技術(shù)戰(zhàn)術(shù)，火場緊急避險交互式實戰(zhàn)訓(xùn)練，以實現(xiàn)安全高效滅火的目的。

1 國內(nèi)外相關(guān)課題研究現(xiàn)狀

1.1 美國、加拿大研究現(xiàn)狀

在林火行為研究、火災(zāi)預(yù)測、撲救和火災(zāi)模擬等方面，美國和加拿大一直走在世界前列。1986年美國林務(wù)局研究出林火行為預(yù)測和可燃物模型-燃燒子系統(tǒng)，采用Rothermal模型進(jìn)行了林火行為預(yù)報并實現(xiàn)蔓延。同時，美國通過投入大量的人力和物力，將信息處理、通信傳輸和遙感監(jiān)測等學(xué)科最先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)的監(jiān)測和撲救工作，形成了美國的森林消防高級系統(tǒng)（簡稱FFAST系統(tǒng)）。目前美國和加拿大都建立起了用于林火蔓延研究的林火實驗室，都在進(jìn)行三維林火的模擬仿真研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在這方面的研究相對缺乏，目前對于林火的研究，大多側(cè)重于森林火災(zāi)的指揮調(diào)度以及林火蔓延預(yù)測等方面的研究。國內(nèi)也有一些公司對林火蔓延模型進(jìn)行了研發(fā)，但大多是二維上實現(xiàn)，展示效果不理想。有的GIS軟件雖然也實現(xiàn)了三維效果，但很少考慮到實際情況（如地形、可燃物因子等），模擬算法也較片面。

2 森林火災(zāi)可視化問題部分研究案例及其原理簡述

2.1 對森林火災(zāi)可視化的模擬研究[1]

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取

開展野外點燒，獲取數(shù)據(jù)資料。通過測量各個方向林火蔓延的距離和時間，得到各個方向林火蔓延速度；通過固定高度的標(biāo)尺，測量林火的高度和長度。每一場火同時測量溫度、可燃物濕度、可燃物載量、可燃物高度、地面坡度、空氣相對濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等數(shù)據(jù)。

2.1.2 建立模型

采用毛賢敏林火蔓延模型用于計算林火的蔓延速度。對點燒數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，自主研發(fā)風(fēng)對火焰高度及長度影響的模型公式如下。

火焰高度與風(fēng)力的經(jīng)驗公式為：

火焰長度與風(fēng)力經(jīng)驗公式為：

2.1.3 實現(xiàn)模擬功能

經(jīng)過測試，uinty3D是目前最適合需求的開發(fā)平臺。Unity3D是一個用于創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)引擎。

以三維模擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合真實地理數(shù)據(jù)（地形，影像，道路，水系等），對重點林區(qū)三維地形圖進(jìn)行了處理，建立了三維地理模型。通過粒子系統(tǒng)，動態(tài)模擬三維林火。輸入優(yōu)化過的林火蔓延模型，模擬火場的發(fā)展變化過程，實現(xiàn)林火動態(tài)演示。通過調(diào)節(jié)風(fēng)力風(fēng)向和地形的不同，林火大小、蔓延速度可以相應(yīng)發(fā)生改變，實現(xiàn)了在真實三維地形上三維動態(tài)林火的仿真模擬。部分模擬成果見圖1-6。

圖1 三維地表火

圖2 三維樹冠火

圖3 地形對林火的影響

圖4 加大風(fēng)力對林火蔓延的影響

圖5 風(fēng)向改變對林火的影響

圖6 飛火改變火場格局

2.2 對森林火災(zāi)可視化快速模擬及輸出系統(tǒng)設(shè)計[2]

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)森林火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展特點，分析出可燃物因素、土壤因素、地形因素和氣象因素是影響森林火災(zāi)蔓延的主要因素。基于CFireSimulation，通過基類CSimulation獲得的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，從CFireDisaster類獲取三維火災(zāi)模型，然后利用CFireScope類根據(jù)從CFireSimulation類獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和從CFireDisaster類獲取的火災(zāi)模型數(shù)據(jù)計算火災(zāi)蔓延速度。

2.2.2 建立模型

在火災(zāi)蔓延模型的選擇上，選擇了Rothermel模型進(jìn)行火場不同特征點的蔓延速度計算。

2.2.3 實現(xiàn)模擬功能

首先確定起火點坐標(biāo)，然后通過設(shè)置模型參數(shù)和模擬所需時間步長、氣象信息等來進(jìn)行林火蔓延模擬特征量的計算，最后通過可視化表達(dá)完成了火場動態(tài)擴展的模擬。模擬成果見圖7。

圖7 單著火點在線框模式下的蔓延態(tài)勢

3 森林火災(zāi)三維可視化發(fā)展的必要性

3.1 解決人員調(diào)度存在的問題

森林火災(zāi)撲救人員調(diào)度是火災(zāi)撲救的一個重要環(huán)節(jié)，人海戰(zhàn)術(shù)撲救森林火災(zāi)并非最佳選擇，會造成了人力、財力的極大浪費，間接增加火災(zāi)的損失。撲救人員的調(diào)度在森林火災(zāi)指揮撲救工作中十分重要，如果能及時到達(dá)火場，并以盡可能低的成本對滅火力量進(jìn)行調(diào)度，就可以有效地減少人員傷亡與財產(chǎn)損失，這是森林火災(zāi)應(yīng)急救援急需解決的問題[3]。三維可視化模擬系統(tǒng)投入使用后，輸入當(dāng)?shù)氐匦螖?shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，再進(jìn)行林火蔓延的模擬，可以直觀地看到森林火災(zāi)的蔓延情況并且還可以預(yù)測森林火災(zāi)在未來的蔓延趨勢，便于指揮中心更加合理、有效、及時地調(diào)動撲救人員。

3.2 指導(dǎo)撲火人員安全避險

林火行為主要受地形、可燃物和氣象3大因素的影響，隨時隨地不斷地發(fā)生著變化，正是由于火行為變化，特別是突然發(fā)生變化，往往會造成人員傷亡[4]。在林火行為突變后，指揮中心可通過林火三維可視化模擬系統(tǒng)快速模擬林火蔓延，從而提出合理、有效的避險措施，傳達(dá)至撲火隊伍。

3.3 模擬提高滅火戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)

在現(xiàn)實森林火災(zāi)中，森林火災(zāi)往往具有極強的傷害性、破壞性，不僅能燒死大片森林，損害森林資源，更為嚴(yán)重的是，在森林火災(zāi)撲救過程中，稍有不慎，就會使撲火隊員的生命安全受到威脅。所以，在現(xiàn)實中，往往存在知道原定撲火方案存在一定缺陷，但也不得不按照原方案去執(zhí)行，因為指揮員不能以滅火隊員生命為代價去探索更好的滅火作戰(zhàn)方案。當(dāng)可視化模擬投入使用后，可以根據(jù)不同的天氣、地形以及各種特殊情況，模擬不同的作戰(zhàn)方案，探索一種更加安全并高效的滅火作戰(zhàn)方案。對森林火災(zāi)撲救具有重要意義。

4 森林火災(zāi)三維可視化存在的問題及解決措施

4.1 模型選擇有待完善

林火蔓延模型較多，較為常用的有基于能量守恒定律的Rothermel（BEHAVE）模型、澳大利亞的McArthur模型、加拿大林火蔓延模型、王正非的林火蔓延模型、毛賢敏的風(fēng)和地形共同作用模型。模型種類較多，各有優(yōu)缺點，在建立三維可視化模擬系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合自身實際情況，明確當(dāng)?shù)馗诇y量的可輸入的指標(biāo)，才能更加合理地選擇適當(dāng)?shù)牧只鹇幽Ｐ汀?/p>

4.2 多學(xué)科協(xié)同配合有待進(jìn)一步加強

森林火災(zāi)的撲救往往需要多部門協(xié)同合作，森林火災(zāi)三維可視化同樣也需要多學(xué)科緊密的協(xié)同配合。森林火災(zāi)三維可視化模擬歸根結(jié)底是以計算機技術(shù)為核心手段，在建立好模型后，需要功能強大且契合的計算機軟件建立模擬的平臺，支持三維可視化模擬的進(jìn)行，才能保證模擬的快速化、準(zhǔn)確化和專業(yè)化。

4.3 降低成本，提高性能

在發(fā)展森林火災(zāi)三維可視化，需要遵循“低成本，高性能”的原則，盡量降低成本，有助于各個基層單位配備使用。性能再好，若價格昂貴，各單位沒有資金進(jìn)行配備，也對我國森林防火事業(yè)沒有促進(jìn)作用。同時，要不斷發(fā)展，功能不斷完善、加強，才能保證三維可視化的先進(jìn)性、科學(xué)性，符合現(xiàn)代防火的發(fā)展進(jìn)程。

5 結(jié)語

三維可視化在很多領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，因其直觀、有效、便捷的功能特性，備受使用者青睞。當(dāng)今防火工作科學(xué)性含量較低，效率不高，安全性保障也存在較大問題，為了使森林防火工作有序、高效、安全的展開，三維可視化模擬應(yīng)運而生。相信在未來的防火工作中，三維可視化模擬會不斷更新、發(fā)展，起到難以替代的作用。

[1]白夜,楊福龍.森林火災(zāi)的三維可視化模擬研究[J].林業(yè)科技通訊,2015,(03):77-79.

[2]景偉偉,臧淑英,王曉娟,等.森林火災(zāi)三維可視化快速模擬及輸出系統(tǒng)設(shè)計[J].測繪與空間地理信息,2015,(01):150-152.

[3]張朝,陳潔余,單圣滌,等.森林火災(zāi)撲救人員調(diào)度關(guān)鍵問題的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2011,(04):56-61.

[4]白夜.森林消防合成滅火技術(shù)及緊急避險措施研究[D].北京林業(yè)大學(xué),2008.

（責(zé)任編輯：韓煥金）

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2017-05-20