森林火災模型

1、森林火災模型目錄摘要3問題分析4提出假設(shè)5構(gòu)建模型5模型結(jié)果分析8模型評價10結(jié)論10參靠文獻11摘要森林火災是一種影響后果嚴重、人為很難控制的一類自然災害。森林火災危害巨大，它不僅毀壞森林資源，破壞自然環(huán)境，造成環(huán)境污染，而且可以造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。1987年5月6日至6月2日的黑龍江省大興安嶺火災造成的火災場面積達到133萬平方千米，有10807戶、56092人受災，死亡213人直接經(jīng)濟損失高達20億元。國家每年投入大量的資金用于森林防火。在1997,1998,1999年的防火經(jīng)費分別達到2103萬元、5181萬元和7350萬元，呈逐年上升的趨勢。因此，長期以來國內(nèi)外開展了關(guān)于森林火

2、災成災規(guī)律、火蔓延規(guī)律、林火的特殊火行為以及林火發(fā)生規(guī)律的研究。森林火災發(fā)生時，快速準確地模擬和預測火勢的蔓延和發(fā)展，可以為及時部署滅火力量、控制火災蔓延提供科學的決策依據(jù)，且具有重大的實際意義。本文根據(jù)林火蔓延的自身特點結(jié)合元胞自動機（CA汾析，并提煉出影響森林火災蔓延的關(guān)鍵影響因素。這一模型中森林用一個二維網(wǎng)格來表示，其中每個格點代表一棵樹或代表空地，各節(jié)點的樹具有相同的生長概率和著火概率，以一定的規(guī)則進行演化。這一模型忽略樹木間的差別，假設(shè)初始狀態(tài)只有一個著火點，不存在閃電襲擊導致著火，從這一個著火點開始蔓延，如果綠樹最近鄰居中有一個樹在燃燒，則它變成正在燃燒的樹。通過這樣的模型，研究蔓

3、延的概率達到多大時森林可能會被燒光。隨著目前CA研究的深入，CA在森林火災擴散的預測研究中越來越廣泛,論文結(jié)合提出的模型，并根據(jù)CA表現(xiàn)出的很強的模擬復雜系統(tǒng)的能力，采用Matlab平臺，做了模擬仿真的實驗工作。采用動態(tài)方式進行模擬，使用圖形頁面展示，并可以根據(jù)仿真顯示結(jié)果調(diào)整更新相關(guān)參數(shù)，最終得到一個能更好的模擬現(xiàn)實森林火災蔓延情況的預測模型。最終,通過對顯示結(jié)果的對比分析，驗證了模型的可靠性及可用性。關(guān)鍵詞：森林火災；元胞自動機（CA）;蔓延；生長概率；著火概率問題分析森林火災是一種常見的、極具突發(fā)性和破壞性的自然災害。通過構(gòu)建森林火災蔓延模型來仿真分析可能發(fā)生和正在發(fā)生的林火行為，能夠輔

4、助防火決策以便有效減少損失，這是火災預測與預防的有效手段，也是國內(nèi)外研究的熱點。其中，基于元胞自動機的林火蔓延模型能夠較好地仿真林火蔓延的自組織復雜過程，廣泛應(yīng)用于林火蔓延預測研究。本文主要研究在一個著火點的條件下，蔓延概率與森林被燒光的關(guān)系。使用元胞自動機建立相應(yīng)模型，得到部分蔓延概率與森林是否被燒光的結(jié)果。論文主要研究了倆個方面：森林蔓延率與森林被燒光時間的關(guān)系及森林被燒光最小蔓延率與森林生長率的關(guān)系。結(jié)果直觀顯示蔓延概率與森林被燒光（樹木剩余率小于等于5%的關(guān)系。提出假設(shè)森林火災是一種常見的自然災害，森林火災給社會經(jīng)濟和人民生命安全帶來很大的損失。根據(jù)現(xiàn)實情況，提出以下假設(shè)：一、森林蔓延

5、率越大，森林被燒光所需時間越短。二、森林生長率越大，森林被燒光最小蔓延率越大。構(gòu)建模型1 .基于元胞自動機的森林火災模型：1.1 元胞的邊長一般來說，在模擬過程中，元胞尺寸越小，越能顯示火勢蔓延的細節(jié)。但是，元胞尺寸過小，會增加計算時間和數(shù)據(jù)量。筆者的目的是快速、動態(tài)地模擬森林火災蔓延時的情況，因此，要根據(jù)筆者的目的選取合適的元胞尺寸。1.2 火勢蔓延的速度1.3 時間的確定1.4 鄰域通常元胞自動機包含倆種鄰域，第一種是Vonneumann鄰域，由一個中心元胞和東南西北的四個鄰胞組成。第二種是Moore鄰域，它另外包括東北、西北、東南、西南四個方位。本論文為了快速地模擬森林火災蔓延時的情況，

6、選取第一種。1.5 元胞的形態(tài)元胞狀態(tài)S定義三個值：0、1、2。樹木未著火，元胞定義為2;正在燃燒的樹木，元胞定義為1;燃燒一輪后（即向周圍發(fā)生擴散后），變?yōu)榭盏?，元胞定義為0,并按生長率重新生長。1.6 元胞發(fā)生著火的概率2 .模擬算法：問題,模型結(jié)果分析所建立的森林火災蔓延系統(tǒng)經(jīng)過編譯調(diào)試，進行了不同蔓延率下的元胞仿真試驗，得到了森林完全燃燒所需的平均循環(huán)次數(shù)。見下表:表一：森林蔓延率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系蔓延率pspread力環(huán)次數(shù)i12345平均值0.61513542543422561516.20.653784673733403873890.69398429372393351388.60.7

7、3446381397470322403.20.773813844713694504110.814233673504304053950.854204403412633313590.89380344372401319363.20.93379323392351257340.40.97391408282255297326.61.00277390361283362334.6圖一：燃燒時間與蔓延時間關(guān)表一：燒光時間和蔓延率的關(guān)系曲線0.650.70.750.80.850.90.9511.05蔓延率O5O5間時指燒由燒光時間和蔓延率的關(guān)系曲線可以直觀的看出：當蔓延率小于百分之六十左右時，森林有極大的可能無法

8、完全燃燒；當蔓延率在百分之六十到百分之六十五之間，森林燒光所需時間急劇縮短；而當蔓延率大于百分之六五后，森林燒光所需時間波動緩慢的縮短。另外，在加入森林生長率這個因素以后，再次運行程序，得到不同生長率下，森林被燒光的最小蔓延率，得下表:表二：生長率與燒光最小蔓延率生長率00.000050.00010.000150.00020.000250.00030.00035可能燒光的最小蔓延率0.620.630.630.640.660.680.720.88率表二：可能燒光的最小蔓延率與生長率關(guān)系曲線由燒光最小蔓延率與生長率關(guān)系曲線可以看出，在生長率大于0.0035時，燒光的最小蔓延率是大于0.85;而當生

9、長率在0到0.0035之間時，可以明確的看出，燒光最小蔓延率隨生長率增加，呈現(xiàn)哥指數(shù)勢增長。模型評價此森林火災蔓延模型在描述森林火災演化時，根據(jù)模型計算出的數(shù)據(jù)和真實森林火災數(shù)據(jù)存在著相當?shù)牟罹?。對此，我們在此模型中引進了生長率，蔓延率倆個量，可以更加生動形象得模擬森林火災。得出以下結(jié)論：1、當蔓延率大于百分之六十左右時，森林在一定時間內(nèi)會完全燃燒（即森林剩余率為5%）。2、隨著森林生長率的小幅增加，將大大提高森林燒光最小蔓延率。另外，為了減輕森林火災模型中網(wǎng)格邊界引起的大火災區(qū)的混沌現(xiàn)象，文中采用了較大的網(wǎng)格。以上為此模型的優(yōu)點；但是，此模型也存在這明顯的缺點，生長率與蔓延率倆個量過于籠統(tǒng)，

10、并不能直觀的在森林中看出。止匕外，在真實火災中，環(huán)境因素也對火災有著巨大的影響，例如：地勢，樹木分布,樹木種類，降水，風力大小等。希望在以后的學習中可以建出更加完善的模型。結(jié)論筆者以元胞自動機的概率模型為基礎(chǔ)，結(jié)合森林火災蔓延的自身特點，通過設(shè)置一片森林、一個著火點、樹木生長率及樹木與樹木與樹木間的蔓延率，構(gòu)建了森林火災蔓延的概率模型。通過模擬結(jié)果可得出以下結(jié)論：一）、不同的蔓延率，對森林是否完全燃燒及森林完全燃燒所需時間長短有著顯著的影響。研究結(jié)果也顯示，生長率越高，森林越不容易完全燃燒。二）、模型能夠快速、準確地再現(xiàn)火蔓延的過程，火災過程的模擬，不僅提高了人們對火災危害的認識，而且也為消防

11、撲救及森林建設(shè)提出了科學依據(jù)。三）、由于森林火災數(shù)據(jù)的缺乏，模型參數(shù)的取值還需進一步驗證，模型還需要進一步完善，例如：樹木分布不同對火災蔓延的影響，風勢對火災蔓延的影響及不同地勢對火災蔓延的影響。根據(jù)這個模型，在森林空格位上種植一些經(jīng)濟作物，既可以防止火災蔓延又可以得到一些收入。雖然此模型考慮到森林中也會存在石頭，河流以及人類砍伐等已經(jīng)非常接近火災發(fā)生的真實情況，但是還是存在一些缺陷，比如并未考慮到樹木種類的不同，種群分布的不同人為縱火的概率等影響因素，這些還有待于進一步研究。參考文獻1,宋衛(wèi)國等.小尺度森林火災的漸進哥率分布J.火災科學，2003,12(2):66-73.2.宋衛(wèi)國，范維澄，

12、汪秉宏,中國森林的自組織臨界性J,科學通報，2001,46(13):1134-1137.3,黃華國，張曉麗,基于三維原胞自動機模型的林火蔓延模擬J,北京林業(yè)大學學報2005-27(3):94-97.4.WloframS.AnewkindofScienceM.Wolframmei-dalnc.2002.附件：核心代碼：n=300;pspread=0.62;pgrowth=0;ul=n,1:n-1;dr=2:n,1;veg=zeros(n);hang=fix(299*rand(1)+1lie=fix(299*rand(1)+1veg(hang,lie)=1imh=image(cat(3,veg,v

13、eg,veg);veg=2*ones(n);veg(hang,lie)=1fori=1:3000e=length(find(veg=0);if(e>85500)breakelseh1=veg;h2=h1;h3=h2;h4=h3;h1(300,1:300)=0;h2(1:300,300)=0;h3(1:300,1)=0;h4(1,1:300)=0;sum=(h1(ul,:)=1)+(h2(:,ul)=1)+(h3(:,dr)=1)+(h4(dr,:)=1);sum1=(sum=1),*(1-(1-pspread);sum2=(sum=2),*(1-(1-pspread)A2);sum3=(sum=3),*(1-(1-pspread)A3);sum4=(sum=4).*(1-(1-pspread)A4);s=sum1+sum2+s