本文關鍵詞：基于元胞自動機的林火蔓延三維模擬仿真研究

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【摘要】：森林火災會給人類帶來很多重大的災害,而林火行為受到多種因素的制約,研究制約林火蔓延的規(guī)律,并借助計算機的幫助模擬林火從發(fā)生到發(fā)展的蔓延狀態(tài)具有非常現(xiàn)實的意義。本文對林火行為進行了研究,建立了適用于計算機運算的林火蔓延模型,并通過求得林火蔓延公式參數(shù)在在八個鄰域方向上的分量,得到林火蔓延公式在各個方向上的分量公式。元胞自動機原理的自組織性在本質上與林火行為很接近,并且具有很強的空間運算能力,借助元胞自動機原理可以模擬出林火蔓延這種復雜的空間動態(tài)系統(tǒng)。說明了三維元胞的定義、狀態(tài)、鄰域和轉換規(guī)則函數(shù),建立了三維元胞自動機模型。結合山西五臺山實地野外數(shù)據(jù),利用Unity3D三維引擎建立野外三維地形,通過不斷調整其自帶粒子系統(tǒng)的參數(shù),建立適用于不同條件的火焰庫和煙霧庫,輸入氣象因素后即可實現(xiàn)林火在三維環(huán)境下的模擬蔓延。建立了林火蔓延三維模擬仿真系統(tǒng),實現(xiàn)了林火的三維仿真研究。將野外實地點燒數(shù)據(jù)與模擬效果進行對比,從對比結果可以看出,本系統(tǒng)建立的模型可以反映出林火蔓延的基本規(guī)律,具有較強的應用價值。
【關鍵詞】：元胞自動機 森林滅火 三維模擬 粒子系統(tǒng) 實地點燒
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP301.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 引言8-15
• 1.1 研究背景及意義8-9
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀9-11
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀9
• 1.2.2 國內林火蔓延研究現(xiàn)狀9-10
• 1.2.3 三維可視化技術的發(fā)展10-11
• 1.3 本研究的主要內容和目的11-12
• 1.3.1 研究的主要內容11
• 1.3.2 研究目的11
• 1.3.3 研究方法和步驟11-12
• 1.4 研究的技術路線12-13
• 1.5 存在問題和研究前景13
• 1.5.1 存在問題13
• 1.5.2 研究前景13
• 1.6 本章小結13-15
• 2 研究的理論基礎15-20
• 2.1 燃燒學15
• 2.2 森林防火學15-17
• 2.2.1 林火行為概述15
• 2.2.2 林火行為定量指標15
• 2.2.3 影響林火行為的因素15-17
• 2.3 計算機圖形學17
• 2.4 林火蔓延機理17-19
• 2.4.1 燃燒的條件17
• 2.4.2 林火的種類17-18
• 2.4.3 熱的傳播方式18
• 2.4.4 林火蔓延方式18-19
• 2.4.5 林火行為的主要指標19
• 2.5 本章小結19-20
• 3 林火蔓延模型研究20-28
• 3.1 林火蔓延模型分類20
• 3.1.1 物理模型20
• 3.1.2 經(jīng)驗模型20
• 3.1.3 半經(jīng)驗模型20
• 3.2 常用林火蔓延模型20-24
• 3.2.1 橢圓模型20-21
• 3.2.2 基于能量守恒定律的Rothermel模型21-22
• 3.2.3 加拿大的國家林火蔓延模型22
• 3.2.4 澳大利亞的McArthur模型22-23
• 3.2.5 王正非的林火蔓延模型23
• 3.2.6 毛賢敏的林火蔓延模型23-24
• 3.3 林火蔓延的影響因子分析24-27
• 3.3.1 可燃物載量W_024
• 3.3.2 表面積體積比σ24-25
• 3.3.3 可燃物含水率M_f25
• 3.3.4 風速和風向U25-26
• 3.3.5 坡度和坡向tan(?)26-27
• 3.3.6 可燃物緊密度β27
• 3.3.7 可燃物類型27
• 3.4 本章小結27-28
• 4 基于元胞自動機的林火蔓延模型建立28-34
• 4.1 林火蔓延的模擬方法28-29
• 4.1.1 基于元胞自動機的模擬方法28-29
• 4.1.2 基于惠更斯原理的模擬方法29
• 4.2 三維元胞自動機原理29-31
• 4.2.1 元胞空間的劃分29-30
• 4.2.2 元胞的狀態(tài)30
• 4.2.3 元胞的轉換規(guī)則函數(shù)30-31
• 4.2.4 林火輪廓提取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數(shù)31
• 4.3.2 坡度對林火蔓延模型的影響31-32
• 4.3.3 K_w風更正系數(shù)32-33
• 4.3.4 基于元胞自動機的林火蔓延模型建立33
• 4.4 本章小結33-34
• 第5章 林火蔓延三維模擬仿真的實現(xiàn)34-46
• 5.1 研究區(qū)域概況34
• 5.2 系統(tǒng)介紹34-36
• 5.2.1 系統(tǒng)功能介紹34
• 5.2.2 系統(tǒng)開發(fā)工具34-35
• 5.2.3 Unity3D概述35
• 5.2.4 Unity3D基本功能與操作35
• 5.2.5 Unity3D的優(yōu)勢35-36
• 5.3 粒子系統(tǒng)36-38
• 5.3.1 粒子系統(tǒng)簡介36-37
• 5.3.2 粒子的屬性37
• 5.3.3 粒子系統(tǒng)模擬火和煙的三維效果37-38
• 5.4 地形的構建研究38-40
• 5.4.1 DEM數(shù)據(jù)38
• 5.4.2 DEM數(shù)據(jù)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 系統(tǒng)模塊實現(xiàn)40-43
• 5.5.1 自由瀏覽功能40-41
• 5.5.2 系統(tǒng)控制功能41-42
• 5.5.3 林火蔓延模擬42-43
• 5.6 模擬結果分析43-45
• 5.6.1 模擬結果與毛賢敏模型以及實際點燒數(shù)據(jù)對比43-44
• 5.6.2 地形坡度調整系數(shù)影響分析44
• 5.6.3 風作用系數(shù)影響分析44-45
• 5.7 本章小結45-46
• 第6章 結論與展望46-47
• 6.1 結論46
• 6.2 展望46-47
• 參考文獻47-51
• 個人簡介51-52
• 導師簡介52-53
• 獲得成果目錄53-54
• 致謝54

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本文編號：1097739