异构交互环境下基于混合模型的林火蔓延三维模拟

每年森林火灾造成人们生命财产及环境的破坏，其中很大一部分原因是人类对火灾发生的机理认识不足，在火灾发生后短时间内没有一套有效的系统用于预测模拟复杂真实环境下林火的蔓延趋势。本研究在集成真实感林火造型模拟、蔓延数学模型等相关研究基础上，提出采用栅格与矢量结合的混合交互模拟模型；利用虚拟森林环境技术构建虚拟森林火场环境，对真实感模拟、场景数据优化、物理模拟技术进行深入研究，从而解决复杂、异构森林环境下林火蔓延预测和反演的科学难点问题；采用物理碰撞技术、线粒子技术实现虚拟树冠火(飞火)的模拟；通过历年研究区域火灾真实数据与系统蔓延结果比较，反复修正混合模型的精度，最后形成林火蔓延三维模拟系统原型，直观科学的三维林火蔓延成果即可为研究延三维模拟系统原型，也可应用于协同灭火演练、火灾辅助决策等。

森林火灾是重大的自然灾害之一，由于人类对林火行为的机理认识不足，森林火灾年年发生，对自然资源和人类财产造成巨大的威胁本项目研究目标是在虚拟地理环境中，模拟复杂环境及时空变化的因子影响下，林火的蔓延预测模拟。研究成果不仅能运用于灭火决策，同时还可以知道火险等级划分和灭火推演训练中。.一个能运用于实际的预测系统，应能解决以下三个方面问题：首先要有支持复杂环境的可靠精确的林火数学模型；其次，该数学模型能同化吸收新的观测数据 ；最后能在友好的虚拟地理环境中动态显示模拟林火蔓延的过程。设计的系统只有满足三个条件，才能将林火的预测模拟从实验模拟阶段转向实际的防火、灭火应用中。项目针对以上三个关键问题展开研究，采用理论研究、关键技术、工具开发、案例验证思路来组织本论文，具体内容包括：1）研究林火蔓延机理，分析影响林火行为因子，结合林火种类及特点，选择并构建林火数学模型和蔓延过程模型。2）复杂环境下，结合GIS系统，构建虚拟三维地理环境，实现面向实际应用的、林火在异构环境下的蔓延预测模拟。3）采用DDDAS技术实现风场的动态输入及蔓延边界与测量结果的动态修正模拟。4）对局地风场模型进行研究，提高风场在林火蔓延预测模型中的重要影响。5）研究虚拟地理环境构建及优化关键技术，及林火可视化技术基础上，设计并开发三维林火蔓延分析模拟系统。6）在三维林火蔓延分析系统上，收集、分析并选择典型真实火灾实例，并收集研究区基础数据及火场信息，实现模拟分析及结果验证。.项目在以成果和创新主要体现在：1）提出了在复杂环境下，面向实际应用的林火蔓延预测系统的具体思路、框架及实例验证。2）采用DDDAS理论，在矢量方式下实现动态数据同化（现有的系统都是在栅格或网格数据下），提出了从参数的输入和仿真结果两方面动态修正，该方法即减少了测量数据传输和同化计算又能提高仿真结果的准确性和可靠性。3）二维矢量数据结合粒子系统在具有地理坐标的三维地形上的蔓延动态模拟，同时实现坡度、坡向、风场及其他林分数据在虚拟火场中的信息叠加显示，该方法即增加了显示效果，又具有科学分析数据。.最后项目实施阶段从具体的案例出发，构建并完整展示了面向实际运用林火蔓延预测三维系统的模拟流程，内容包括：基础数据的收集和处理、预测模型的运算，动态数据的修正，三维地理环境的结果动态展示。实验和分析结果证明本文的理论、技术及原型系统的可行性。