基于元胞自动机的林火蔓延三维模拟仿真研究

发布时间：2017-10-26 08:02

  本文关键词：基于元胞自动机的林火蔓延三维模拟仿真研究

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【摘要】：森林火灾会给人类带来很多重大的灾害,而林火行为受到多种因素的制约,研究制约林火蔓延的规律,并借助计算机的帮助模拟林火从发生到发展的蔓延状态具有非常现实的意义。本文对林火行为进行了研究,建立了适用于计算机运算的林火蔓延模型,并通过求得林火蔓延公式参数在在八个邻域方向上的分量,得到林火蔓延公式在各个方向上的分量公式。元胞自动机原理的自组织性在本质上与林火行为很接近,并且具有很强的空间运算能力,借助元胞自动机原理可以模拟出林火蔓延这种复杂的空间动态系统。说明了三维元胞的定义、状态、邻域和转换规则函数,建立了三维元胞自动机模型。结合山西五台山实地野外数据,利用Unity3D三维引擎建立野外三维地形,通过不断调整其自带粒子系统的参数,建立适用于不同条件的火焰库和烟雾库,输入气象因素后即可实现林火在三维环境下的模拟蔓延。建立了林火蔓延三维模拟仿真系统,实现了林火的三维仿真研究。将野外实地点烧数据与模拟效果进行对比,从对比结果可以看出,本系统建立的模型可以反映出林火蔓延的基本规律,具有较强的应用价值。
【关键词】：元胞自动机 森林灭火 三维模拟 粒子系统 实地点烧
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP301.1
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 引言8-15
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.2.1 国外研究现状9
• 1.2.2 国内林火蔓延研究现状9-10
• 1.2.3 三维可视化技术的发展10-11
• 1.3 本研究的主要内容和目的11-12
• 1.3.1 研究的主要内容11
• 1.3.2 研究目的11
• 1.3.3 研究方法和步骤11-12
• 1.4 研究的技术路线12-13
• 1.5 存在问题和研究前景13
• 1.5.1 存在问题13
• 1.5.2 研究前景13
• 1.6 本章小结13-15
• 2 研究的理论基础15-20
• 2.1 燃烧学15
• 2.2 森林防火学15-17
• 2.2.1 林火行为概述15
• 2.2.2 林火行为定量指标15
• 2.2.3 影响林火行为的因素15-17
• 2.3 计算机图形学17
• 2.4 林火蔓延机理17-19
• 2.4.1 燃烧的条件17
• 2.4.2 林火的种类17-18
• 2.4.3 热的传播方式18
• 2.4.4 林火蔓延方式18-19
• 2.4.5 林火行为的主要指标19
• 2.5 本章小结19-20
• 3 林火蔓延模型研究20-28
• 3.1 林火蔓延模型分类20
• 3.1.1 物理模型20
• 3.1.2 经验模型20
• 3.1.3 半经验模型20
• 3.2 常用林火蔓延模型20-24
• 3.2.1 椭圆模型20-21
• 3.2.2 基于能量守恒定律的Rothermel模型21-22
• 3.2.3 加拿大的国家林火蔓延模型22
• 3.2.4 澳大利亚的McArthur模型22-23
• 3.2.5 王正非的林火蔓延模型23
• 3.2.6 毛贤敏的林火蔓延模型23-24
• 3.3 林火蔓延的影响因子分析24-27
• 3.3.1 可燃物载量W_024
• 3.3.2 表面积体积比σ24-25
• 3.3.3 可燃物含水率M_f25
• 3.3.4 风速和风向U25-26
• 3.3.5 坡度和坡向tan(?)26-27
• 3.3.6 可燃物紧密度β27
• 3.3.7 可燃物类型27
• 3.4 本章小结27-28
• 4 基于元胞自动机的林火蔓延模型建立28-34
• 4.1 林火蔓延的模拟方法28-29
• 4.1.1 基于元胞自动机的模拟方法28-29
• 4.1.2 基于惠更斯原理的模拟方法29
• 4.2 三维元胞自动机原理29-31
• 4.2.1 元胞空间的划分29-30
• 4.2.2 元胞的状态30
• 4.2.3 元胞的转换规则函数30-31
• 4.2.4 林火轮廓提取31
• 4.3 林火蔓延模型建立31-33
• 4.3.1 K_s可燃物配置格局更正系数31
• 4.3.2 坡度对林火蔓延模型的影响31-32
• 4.3.3 K_w风更正系数32-33
• 4.3.4 基于元胞自动机的林火蔓延模型建立33
• 4.4 本章小结33-34
• 第5章 林火蔓延三维模拟仿真的实现34-46
• 5.1 研究区域概况34
• 5.2 系统介绍34-36
• 5.2.1 系统功能介绍34
• 5.2.2 系统开发工具34-35
• 5.2.3 Unity3D概述35
• 5.2.4 Unity3D基本功能与操作35
• 5.2.5 Unity3D的优势35-36
• 5.3 粒子系统36-38
• 5.3.1 粒子系统简介36-37
• 5.3.2 粒子的属性37
• 5.3.3 粒子系统模拟火和烟的三维效果37-38
• 5.4 地形的构建研究38-40
• 5.4.1 DEM数据38
• 5.4.2 DEM数据的分布特征38-39
• 5.4.3 DEM的表示模型39
• 5.4.4 植被建模39-40
• 5.5 系统模块实现40-43
• 5.5.1 自由浏览功能40-41
• 5.5.2 系统控制功能41-42
• 5.5.3 林火蔓延模拟42-43
• 5.6 模拟结果分析43-45
• 5.6.1 模拟结果与毛贤敏模型以及实际点烧数据对比43-44
• 5.6.2 地形坡度调整系数影响分析44
• 5.6.3 风作用系数影响分析44-45
• 5.7 本章小结45-46
• 第6章 结论与展望46-47
• 6.1 结论46
• 6.2 展望46-47
• 参考文献47-51
• 个人简介51-52
• 导师简介52-53
• 获得成果目录53-54
• 致谢54

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本文编号：1097739