動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的林火蔓延模擬系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、森林火災是危害人類最持久、最劇烈的災害之一，特別是20世紀80年代以來，全球氣候持續(xù)變暖，森林火災有上升的趨勢。林火模擬技術是輔助林火撲救、減少重大森林火災發(fā)生的重要手段之一。本研究針對傳統(tǒng)林火模擬過程中存在的模型手動選擇難度大、模型修正數(shù)據(jù)獲取效率低、模擬精度驗證困難等問題，以DDDAS為林火蔓延模擬研究的技術范式，提出林火蔓延模擬全新的技術框架體系，解決模擬系統(tǒng)建設過程中的模型庫建設與管理、模型適宜性選擇、模型自適應修正、模擬過程實

2、時驗證等關鍵技術，建立林火擴散模擬和實際林火發(fā)展之間相互協(xié)作、共生的林火擴散動態(tài)模擬系統(tǒng)；提高林火蔓延模擬精度，將林火蔓延模擬真正應用到林火撲救指揮過程當中，在實踐上為林火撲救指揮提供決策支持，在理論上為相關領域的空間擴散模擬研究提供新的思路和技術范式。主要取得以下研究成果：
　?。?）提出了動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的林火蔓延模擬系統(tǒng)框架體系，為林火蔓延模擬研究提供了嶄新的研究方法和思路；分析了系統(tǒng)的運行原理，以動態(tài)數(shù)據(jù)采集、模型庫、模擬運行

3、與控制和可視化及用戶接口等四部分為基礎部件，提出了系統(tǒng)的框架結構體系；剖析了系統(tǒng)的相互協(xié)作、共生反饋、自適應、自學習和不斷優(yōu)化的技術優(yōu)勢和系統(tǒng)特點；提出了系統(tǒng)涉及的動態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理、林火模型庫、林火模型選擇、林火模型修正和模擬精度驗證等主要關鍵技術。
　?。?）建立了林火模型庫建設的林火蔓延模型評價標準，根據(jù)模型評價標準和試驗區(qū)實際情況，在42個林火蔓延模型中選擇了目前最具有影響力和最具有典型代表性的Rothermel模型、王正

4、非模型、加拿大模型和澳大利亞模型進行了解析和歸一化處理；對林火模型庫的建庫過程和方法進行了研究，在林火模型分類基礎上，采用面向對象的模型庫表示方法建立了林火模型庫；實現(xiàn)了林火蔓延模型算法，設計了模型字典庫、模型文件庫和模型知識庫；開發(fā)了模型庫管理與維護功能，實現(xiàn)了模型的文件管理、參數(shù)管理和知識管理；通過模型數(shù)據(jù)管理文件解決了模型庫與數(shù)據(jù)庫之間接口問題；實現(xiàn)了林火模型庫對林火模型適宜性選擇和林火模型自適應修正技術的有效支持。
　　（

5、3）基于 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法設計了林火模型適宜性選擇技術框架結構，通過神經(jīng)網(wǎng)絡形成林火模型選擇知識，實現(xiàn)了林火模型的自動化和智能化選擇；以火場環(huán)境因子為輸入變量，以適宜火場環(huán)境模擬的林火蔓延模型作為輸出變量，構建了林火模型選擇神經(jīng)網(wǎng)絡模型；研究了輸入、輸出因子數(shù)據(jù)的獲取與計算方式，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的林火模型自動選擇機制；以本京市為例，選擇了有詳細火場情況記錄的72場林火作為實驗樣本，其中60條記錄作為學習樣本集，12條記錄作為驗證樣

6、本，對神經(jīng)網(wǎng)絡進行了學習和驗證，實驗結果表明，模型選擇精度可達到80％以上。
　?。?）提出了一種利用手持GPS和無線傳輸設備來快速測定火場位置和林火實際蔓延速度的方法，為林火蔓延模擬速度驗證提供了必要的手段；對林火蔓延模擬誤差的來源進行了全面分析，探討了林火蔓延誤差的表現(xiàn)形式和計算方法，指出了林火蔓延速度誤差和蔓延方向誤差是林火蔓延誤差產(chǎn)生的根源，提出了通過增加系統(tǒng)誤差修正參數(shù)來減少系統(tǒng)模擬誤差的有效方法。
　?。?）基于

7、神經(jīng)網(wǎng)絡技術提出了模擬誤差修正參數(shù)自動生成方法，探討了模擬誤差在線自適應修正機制和模擬誤差修正知識在線自動獲取機制，實現(xiàn)了模擬誤差的在線自適應修正過程；采用歷史記錄火場數(shù)據(jù)對模擬誤差的自適應修正過程進行了實驗，在預測的4條記錄中，其中3條與計算結果誤差小于預定的0.2m/min，1條誤差超過0.2m/min，驗證了模擬誤差修正結果精度具有一定的可靠性。
　?。?）利用北京市良好的防火基礎設施條件，設計了動態(tài)數(shù)據(jù)驅動的林火蔓延模擬系