全 文 ：虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达*
李建微1 陈崇成1* * 於其之2 潘志庚2
( 1 福州大学福建省空间信息工程研究中心, 数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福州 350002;
2 浙江大学 CAD& CG 国家重点实验室,杭州 310027)
摘要 传统上的林火模拟通常只选用一种林火模型,用一个简单的椭圆预测林火蔓延时火场各个位置
的情况, 与现实中火灾蔓延状况相差甚远,而且以往的林火蔓延是基于二维可视化表达,表达信息有限 .本
系统采用现今运用最广泛的 Rot hermel模型,利用 Huygen 原理,并以改进的粒子系统方法三维模拟在不
同的风速、坡度下林火在火场不同位置的扩散行为. 采用该方法模拟林火扩散行为, 不仅能实时显示受灾
面积、火势蔓延的方向、火势大小, 且能给人以真实感.并将该方法成功地应用于福建漳浦林区.
关键词 虚拟森林景观 林火蔓延 林火模型 粒子系统 三维可视化
文章编号 1001- 9332( 2005) 05- 0838- 05 中图分类号 S127, S762 文献标识码 A
Forest fire spread modeling and 3D visualization in virtual forest landscape. L I Jianwei1 , CHEN Chongcheng1 ,
YU Q izhi2 , PAN Zhig eng2 ( 1Key Laboratory of Data M ining Inf ormation Shar ing of Education M inistry ,
Spatial I nf ormation Research Center of Fuj ian Prov ince, Fuzhou University , Fuz hou 350002, China; 2State
K ey Lab. of CADCG , Zhej iang Univer sity , Hangz hou 310027, China) . Chin. J . A pp l . Ecol. , 2005, 16( 5) :
838~ 842.
The tr aditional met hod for simulating the behaviors of for est fire is to use a sing le ellipse to repr esent all of the
fire points in fire scene, w hich has many disadvantages, e. g. , the simulated result is quite different to the real
situation, and it is mainly based on 2D. As a result, the r epresented information is limited. I n this paper, the most
widely used Rothermel fir e spreading model and the principal of Huygen w ere adopted to simulate the behav iors
of forest fire in different position and wind direction, and t he results w ere shown by pseudoparticle system in
3D, which could no t only g et the area of fir e suffering, the dir ection of fire spr eading and the size of fire, but also
pro vide realistic simulation to observers. T he method has been successfully applied to Zhangpu for est in Fujian
Prov ince.
Key words Virtual forest landscape, Forest fire spreading, Forest fir e model, Part icle system, 3D visualiza
tio n.
* 国家重大基础研究发展规划项目( 2002CCC01900 )和教育部优秀
青年教师奖励计划资助项目.
* * 通讯联系人.
2004- 09- 10收稿, 2004- 12- 31接受.
1 引 言
林火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气
象条件(温度、湿度、风向、风力等)和地形影响下燃
烧和运动的极其复杂的现象[ 7, 15, 16, 26] , 直今还没有
一种模型能完全模拟林火行为的每个方面[ 6] . 自从
1946年W. R. Fons 首先提出林火蔓延的数学模型
以来,世界上出现了许多防火模型,其中,以 Rother
mel模型最成熟,运用最广泛.
目前,计算机模拟表达火势蔓延模型成为该学
科的主要研究方向[ 5, 20, 28] . 以往国内对于森林火灾
的研究,基本上利用经验公式和经典模型.而经验公
式只是对传统的一些采集数据进行数学拟合, 或用
线性拟合, 或用指数拟合等[ 3] . 利用计算机模拟火
势蔓延模型在国外运用比较广泛, 加拿大、美国、法
国、德国、澳大利亚等国在 20世纪 70年代就开始利
用计算机相关系统研究森林火灾[ 19] .最常用的方法
是将模拟场景分成规则的网格, 离散的模拟火势增
长的过程[ 4, 10, 11] . Kourtz和 O! Regan[ 13]曾用此方法
在一个含有 8个相邻的像元的正方形栅格上模拟计
算火势蔓延的时间. 不管是传统的数学方法和一些
二维的计算机可视化表达, 在其结果表达方面, 也只
能用一些表格、火势蔓延曲线、蔓延面积平面图等二
维的可视化表达方法. 虽然能给人直观的感觉, 但是
表达的信息有限. 随着计算机技术的飞速发展, 尤其
是计算机图形和虚拟现实技术的发展, 使得三维表
达真实感事物成为可能. 利用三维真实感图形表达
不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大
小,而且能给人真实的感觉和可视化.
火焰的模拟和自然界其他流动性的物体(如水、
云、烟、雾等)的模拟一向是图形学中最具有挑战性
应 用 生 态 学 报 2005 年 5 月 第 16 卷 第 5 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, May 2005, 16( 5)∀838~ 842
的问题之一.火焰自身没有固定的几何外型, 传统的
曲线、曲面对构建良好的火焰模型没有什么作
用[ 22] .目前对火焰的模拟主要有纹理综合、粒子系
统和基于物理的模拟等方法[ 8, 15, 21] .纹理综合缺乏
交互性,而基于物理的模拟需要消耗大量的计算. 粒
子系统在火焰模拟时具有既要满足计算机的实时绘
制要求,又要考虑火焰的形状,满足一定的动力学原
理(在风向、坡向影响下火的行为) ,而且要比较接近
现实的火焰行为等优点, 因此较适合本模型的模拟.
本系统在构建大场景虚拟森林景观的基础上, 以福
建漳浦林区为实验区,采用 Rothermel模型, 利用改
进的粒子系统模拟林火在风速、坡向等各种影响因
子变化下的发展蔓延的整个过程,并将火灾模拟的
成果成功运用于森林灭火演练.
2 构建原理与方法
21 林火蔓延模型原理
林火通常划分为地表火、树冠火和地下火 3 种类型. 本
文主要讨论地表火的林火行为[ 9] .
林火行为的特征可分为火蔓延状况特征量和火场状况
特征量两大类[ 3] . 火蔓延状况特征包括火蔓延速度、火焰高
度等; 火场状况特征量则包括火场面积、周边界长和长宽比
等.到目前为止,还没有一种数学模型能完全模拟火势的各
种行为[ 2] .但是一个地区森林火灾发生又是有一定规律性
的.这与该地区的植被、气候和地形密切相关.而林火蔓延的
方向与可燃物种类、分布、含水率、风速和风向、坡度以及火
头蔓延速率大小有关[ 27] . 林火蔓延的方向及速率直接影响
到火势蔓延的形状,在大部分情况下, 火灾蔓延的形状近似
椭圆[ 23] . 基于此原理, 可以假设点火源扩展火场为椭圆形,
椭圆长轴方向为最大火蔓延速度方向,而点火源就是椭圆的
一个焦点[ 5] .只要知道林火蔓延的速度及方向就可以简单模
拟林火蔓延的形状(图 1) . 国内外许多研究者对此提出了许
多改进方法, 并将其成果应用于现实, 如美国 USDA 利用
Huygen 原理开发的 FARSIT E[ 21]及国内蒋礼、阳柳等利用分
行理论的自相似原则模拟林火蔓延形状等[ 11] .
图 1 简单火势蔓延周边形状示意图
Fig. 1 Borderline of simple forestf ire spread.
* 火源 Ignit ion firepoint ; a)短轴 Short axis of the ellipse; b)长轴 Long
axis of the ellipse; c)椭圆焦点到椭圆中心的距离 Distance f rom focus
to center of the ellipse.
2 2 模型算法实现
国内外有关火灾蔓延的模型很多, 但均有一定的局限
性. 而基于能量守恒定律的半经验 Rothermel模型抽象程度
较高,几乎涵盖了能影响燃烧的所有因素; 模型的输入参数
不仅有影响权值大的风速及坡度, 而且燃料的许多性质如燃
料承载量(共 5 级) [ 18, 25]、燃料表面积与体积比(共 5 级)、燃
料湿度(共 5 级)、燃料床高度、粒子密度、矿物含量[ 14]、燃料
单位体积需要最小热量[ 17]等都被考虑到, 是现有国内外运
用最广的模型,如著名的 FARSITE 系统等. 实践证明, 该模
型比较成熟, 也比较接近现实.为此, 本系统的火灾蔓延模型
主要采用 Rot hermel模型[ 24] (应用于表面火行为)
R =
I R(1 + + s )!b∀#ig ( 1)
式中, R 为林火蔓延速度(m#min- 1) ; IR为火焰反应强度[ kJ
# min- 1# m- 2] ; 为林火传播通率(无因次) ; s 为坡度修正
系数; w 为风速修正系数; !b 为可燃物的密度( kg # m- 3 ) ; ∀
为有效加热数(无因次) ; #ig 为点燃单位质量的可燃物所需
的热量( kJ # kg- 1) ;风的修正系数( ) 公式:
w = C(3281U) B ∀∀OP
- E
( 2)
C = 7 47exp(- 0133∃055 ) ( 3)
B = 002526∃054 ( 4)
E = 0 715exp(- 3 59 ∃ 104∃) ( 5)
∀OP = 3348∃- 08189 ( 6)
式中, ∃为燃料的表面积与体积之比, U 为风速坡度的修正
系数:
s = 5 275∃- 03 ( tan #) 2 ( 7)
假设火势扩散模型只是一个简单的椭圆, Anderson[ 2]曾计算
出椭圆的长轴和短轴的比( LB) :
LB = 0 936exp( 0 2566 U) + 0 461exp( - 0 1548 U)
- 0 397 ( 8)
而前火头与后火头的比值公式为[ 1] :
HB = ( LB + ( LB 2- 1) / L B- ( L B2- 1) ) 0 5 ( 9)
根据以上两个公式可以求出与椭圆尺寸相关的 a ( m#
min- 1) , b( m#min- 1)及 c( m#min- 1 )值[ 2] :
a = 05( R + R / HB ) / ( LB ) (10)
b = ( R + R / HB) / 2 0 (11)
c = b - R / HB (12)
3 林火模型的构建及过火过程
31 林火蔓延模型的实现
只用椭圆表示火势蔓延边界的方法与现实中火
灾蔓延的情况相差较远, 而且也不能准确反映不同
位置风速、坡度及其他因素对蔓延模型的影响. 如将
Huygen原理应用于火灾蔓延模型周边的计算可克
服这些缺点[ 26] (图 2) .图 2中给定一个很短的时间
作为火灾初期的蔓延时间.在这段时间里产生的蔓
延周边上选取几个点作为初始点(每个点则可以作
8395 期 李建微等:虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达
为一个火势蔓延的起始点) , 然后选取一定的步长
(时间段)作为下次蔓延的时间. 利用 Rothermel模
型计算出这些初始点林火蔓延速度,则可计算出在
此时间步长后林火蔓延的位置. 最后将这些点用曲
线连接,以得出该段时间火势蔓延的新边界. 计算下
个时间段蔓延边界只需重复以上步骤.
图 2 Huygen原理的火灾蔓延过程示意图
Fig. 2 Process of forest fire spread in the principle of Huygen.
根据这一思想可以比较准确实现火势蔓延模
型,具体实现过程如下:
首先,在风速及坡度等影响因素下计算出此时
火灾蔓延的速度,由于初始时间很短,可以近似认为
此时蔓延边界为一圆形, 以准确选取几个点作为初
始采样点.
其次,选定步长(步长一旦选定, 只要输入蔓延
时间, 就可以计算出时间段数即火灾蔓延的圈数) ,
计算下次蔓延点的位置, 下一时间段蔓延点的方法
确定步骤: 1)计算风的向量、坡度及其合力矢量的大
小和方向; 2)计算在无风下采样点的蔓延矢量方向
及大小; 3)判断采样点在风向量、坡度合力矢量下的
位置(图 3) ; 4)将计算后的点按一定顺序写入链表;
5)进入下一循环.
图 3 在一定风速、坡度下火场的划分
Fig. 3 Part ition of f ire field under some speed of w ind and some degree
of slope.
此过程中步骤 3: 判断采样点在风向量、坡度合
力矢量下的位置的确定是模拟的核心. 通常情况下,
由于火灾蔓延周边是封闭的, 其周边不同点在风速
和坡度影响下的蔓延速度也不相同. 为了精确表达
蔓延结果,理论上必须对所有点进行分析,但这在现
实中是不可行的. 因此在能满足一定精度要求的情
况下,根据风速与坡度合力的矢量方向对火灾蔓延
周边进行划分(图 3) , 前火头的蔓延方向与风速和
坡度的合力方向< 45%,在此范围上的点是所有蔓延
周边上蔓延速度最快的点,所以选取椭圆的长轴上
离此点最远的点作为在这时间段上火灾蔓延的结
果.在前火头上的点是蔓延最快的点,随着火势的蔓
延,在前火头的蔓延周边也变长. 为了保证精度要
求,必须在一定时间内,在此区域上以某种插值方法
插入几个采样点. 而侧火头部分上的点由于蔓延方
向和合力的方向在 90%之间, 风速和坡度对火势蔓
延的方向的影响不大, 此处的点可以忽略风速和坡
度的影响. 而尾火头上蔓延方向和合力的方向<
45%,风速和坡度对火灾蔓延速度有负面影响, 需选
取椭圆的长轴上离此点最近的点作为在这时间段上
火灾蔓延的结果.
最后根据得到的蔓延的周边计算出受灾面积,
进而在三维虚拟景观上对地形进行纹理替换.在地
形之上利用改进的粒子系统,作出动态火的效果.
32 林火真实感模拟过程
采用一种改进的粒子系统对林火焰运动和造型
进行模拟[ 12, 29] .该粒子系统的原理是: 给图元指定
动态的、具有 Alpha通道的纹理图片或噪声纹理.这
些图片是某个动态自然现象过程的整体反映.对于
每一帧(或每几帧) , 按照时间顺序更换纹理. 这样,
只需要一个单一的图元(四边形或三角形或其他) ,
就可以实现某些粒子系统用成百上千的图元才能表
达出来的景象.该粒子系统是一种纹理映射和传统
粒子系统的发展, 它的各个图元采用了纹理映射的
方法,而又拥有粒子系统的一些优点,这些图元也遵
守一定动力学原理,如火势行为受一定的重力、风向
和浮力等因素的影响. 这种方法实现的火焰和烟雾
方法简单、运行速度和显示速度快、逼真度高,比较
适合用于森林火灾系统.
实现该粒子系统的关键有两点: 1)视角跟随的
BillBoard图元绘制方法. 由于一个图元的表现力有
限,所以要依靠 BillBoard技术使其具有动态的视角
特性. 2)具有动态连续特性的 alpha 通道纹理图片
组或噪声图片(图 4a) .连续的纹理(如火的跳跃效
果)可以将拍摄一组照片处理成透明纹理或用噪声
函数制作成模糊的图像. 利用粒子系统的原理可得
到模拟火焰的效果(图 4b) .
840 应 用 生 态 学 报 16 卷
图 4 改进的粒子系统模拟火焰原理
Fig. 4 Principle of simulat ing forestfire by improved part icle system .
a)连续特性的 alpha 通道纹理和噪声纹理Continuous texture w ith Al
pha channel; b)火焰模拟效果Result of simulatiog by this method.
蔓延模型能计算出每一步长下的受灾范围、蔓
延速度,及此时的风速、风向能参数.这些参数可作
为粒子系统绘制火焰的输入参数,从而实现三维时
序的林火蔓延.
33 应用结果
331实验条件 实验地点位于福建省东南沿海的
漳浦县( 117%25&~ 118%02&E, 23%43&~ 24%21&N ) . 该
地是福建主要林区之一, 树种以马尾松( Pinus mas
sonniana)、杉木( Cunningham ia lanceolata)为主, 具
有南方林区的代表性.该林区地势较平缓,易于遥感
影像的获取, 且拥有近几年的遥感影像(分辨率为
25 m 的 Spot彩色影像和分辨率为 15 m 的Landsat
全色影像)、林相图、历年气象、火灾和火情等资料,
实验数据比较齐全, 故选此处为实验区.实验区域范
围为 8 km~ 11 km. 测试 PC 配置: Pent ium 4 处理
器, 512内存, NVIDIA 的 GeForce FX 5600 U lt ra 显
卡适配器;开发工具: Vc60+ OpenGL.
332实验流程及结果 参数的获取方式主要有:
遥感影像、林相图、历年气象资料和实地考察等, 有
些参数无法直接获取,采用经验值(表1) .参数获取
图 5 林火蔓延过程可视化实现流程
Fig. 5 Flow chart of implement on visualizat ion of forestf ire spreading.
表 1 输入参数及取值(适用于马尾松、衫木为主的森林)
Table 1 Parameters and its value for input based on Pinus massonniana
and Cunninghamia lanceolata
参数类型
Type
取值
Value
燃料量 ∋ 06
Fuel loading ( 02
( kg#m- 2) ) 05∗ 004
+ 012
表面积与体积比 ∋ 9800
Surface to volume rat io ( 9800
( l#m- 1) ) 9800
∗ 4900
+ 4900
燃料湿度 ∋ 8
Fuel moisture content ( 7
( % ) ) 8
∗ 100
+ 150
燃料床深度 Fuel bed depth ( m) 015
粒子密度 Part icle density ( kg#m- 3) 500
粒子低热容量 Part icle low heat content ( kJ#kg- 1) 8600
矿物含量 T otal mineral content ( % ) 08
有效矿物含量 Effect ive mineral content ( % ) 08
枯、干燃料湿度 Moisture of ext inct ion, dead fuel ( 001%) 018
风速、风向 Wind speed and direct ion ( m#s- 1) 输入 Input
坡度、坡向 slope and direction (%) 输入 Input∋ 干燃料 0~ 06 cm Dead fuel 0~ 06 cm; ( 干燃料 0~ 25 cm
Dead fuel 0~ 25 cm; ) 干燃料 25~ 75 cm Dead fuel 25~ 75
cm; ∗ 湿草本燃料 Live herbaceous fuel; + 湿木本燃料 Live
w oody fuel.
图 6 无风无坡度条件下火蔓延状况
Fig. 6 Process of forest f ire spread under no w ind and no slope.
a)火的初始状态 State of initiat ion; b) 5 min后过火蔓延状态(过火面
积 4653 m2) State of fire spread after 5 m inutes ( suf fering area: 4653
m2) ; c) 10 min后火蔓延状态(过火面积 8774 m2) State of f ire spread
af ter 10 minutes ( suf fering area: 8774 m2) ; d) 1 h后的火蔓延状态
(过火面积 48 5091 m2) State of fire spread af ter 10 minutes ( suffering
area: 48 5091 m 2) .
后,经过蔓延模型计算,最后在三维森林场景中将结
果用粒子系统现实,流程如图 5.
与历年火灾、此模型的应用资料相比较,模拟结
果与现实误差较少,有一定参考价值和实用性. 其模
拟结果:图 6为无风无坡下,火在漳浦林区火势蔓延
侧面图; 图7为在2m#s- 1的风速下(风向向右)火
8415 期 李建微等:虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达
图 7 在 2 m#s- 1的风速下(风向向右)火蔓延状况
Fig. 7 Process of forest fire spread under w ind speed of 2 m#s- 1 ( direc
t ion is left ) .
a) 火的初始状态 State of initiation; b) 5 min后过火蔓延状态(过火面积
2 1702 m2 ) State of fire spread after 5 minutes ( suffering area: 2 1702
m2) ; c) 10 min后火蔓延状态(过火面积 7 8165 m2) State of fire spread
after 10 minutes ( suf fering area: 7 8165 m2) ; d) 1 h后的火蔓延状态(过
火面积 256 1009 m2)State of f ire spread af ter 10 minutes ( suffering area:
256 1009 m2) .
势蔓延俯视图.
4 结 语
在 Rothermel林火蔓延模型基础上,利用 Huy
gen的原理实现火灾的蔓延, 并用改进的粒子系统
将火灾行为以三维可视的形式表现出来. 该方法与
传统方法模拟林火相比具有以下优点: 模型中考虑
了在每一步长中坡向、坡度等高程信息对林火蔓延
的影响,增加了模型的精度;结果用三维动态可视化
展示,使决策人员更加快速、真实、形象地获取火场
参数,提高灭火效率.
鉴于林火蔓延模拟的高度复杂性, 研究工作中
只考虑林火常见的地表火的蔓延情况, 飞火、地下火
模型是今后考虑的方向; 真实的林火蔓延不仅受风
向、火势行为的影响, 也受地形及自然景观的影响,
其过程模拟则更为复杂. 用粒子系统表达小范围的
林火行为可以满足一定的视觉效果,但是在表达大
范围的林火行为时存在失真现象.粒子系统用随机
函数模拟林火行为,而现实中的林火是物化反应的
结果,与实际情况尚有一定差距(用物理方法模拟更
能真实地反映现实的火但达不到实时绘制的要求) .
今后研究重点放在进一步完善模型,考虑更多控制
参数及大范围林火行为真实感模拟等方面.
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作者简介 李建微, 男, 1979 年生,硕士生. 主要从事虚拟地
理环境、三维地学可视化研究. T el: 059787892535; Email:
lw ticq@sina. com
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