全 文 ：第 wt卷 第 x期
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林 业 科 学
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林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展
陈崇成 李建微 唐丽玉 冯晓刚
k福州大学福建省空间信息工程研究中心 教育部数据挖掘与信息共享重点实验室 福州 vxsssul
摘 要 } 林火蔓延是林火行为的主要表现形式 ∀本文对各种林火蔓延的计算机模拟和可视化技术的最新研究状
况和发展趋势进行综述 ∀首先 o分析林火蔓延相关数学模型的类别和特点 !模型发展方向与体系形成 ∀其次 o讨论
基于元胞自动机的和惠更斯原理的二维林火模拟与显示技术 o以及三维虚拟林火环境构建技术 ∀最后 o就林火蔓
延模拟与管理信息系统的最新发展进行概括 ∀认为林火蔓延模拟与可视化的研究与开发除向高精度与实用化等
方向发展外 o今后将更注重真实感环境下的多维虚拟森林景观构建 !多用户参与的快速决策能力k如协同灭火l以
及网络信息服务等方面 ∀
关键词 } 林火蔓延 ~模拟或仿真 ~数学模型 ~三维虚拟环境 ~信息系统
中图分类号 }≥zyu1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsx p stxx p s{
收稿日期 }ussw p sy p tx ∀
基金项目 }国家重大基础研究计划k|zvl前期研究专项kussu≤≤≤st|ss !ussw≤≤„szussl资助 ∀
Ρεσεαρχη αδϖανχειν σιµ υλατιον ανδ ϖισυαλιζατιον οφφορεστ φιρεσπρεαδινγ ϖια χοµ πυτερ
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k ΚεψΛαβ q οφ ∆ατα Μινινγ &Ινφορµατιον Σηαρινγ οφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o ΣπατιαλΙνφορµατιον Ρεσεαρχη Χεντεροφ Φυϕιαν oΦυζηου Υνιϖερσιτψ Φυζηου vxsssul
Αβστραχτ } ׫¨ ¶³¤·¬¤¯ ¶³µ¨¤§¬±ª¬¶²±¨ ²© °¤¬± ¥¨«¤√¬²µ°¤±±¨ µ¶²©©²µ¨¶·©¬µ¨ qŒ±·«¬¶³¤³¨µo¶²°¨ ¦²°³∏·¨µ¶¬°∏¯¤·¬²± ¤±§
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Κεψ ωορδσ} ©²µ¨¶·©¬µ¨ ¶³µ¨¤§¬±ª~¶¬°∏¯¤·¬²±~°¤·«¨ °¤·¬¦°²§¨ ¶¯~v⁄√¬µ·∏¤¯ ±¨√¬µ²±°¨ ±·~¬±©²µ°¤·¬²±¶¼¶·¨°
森林火灾是突发性很强 !危害极大的自然灾害 ∀近一个世纪以来人类不断尝试用各种方法探索林火的
诱发因子和有效的观测手段 !研究燃烧和蔓延机理 o以达到最终控制火的目的 ∀作为林火行为的主要表现形
式 o林火蔓延的定量分析和建模更是为众多机构的研究方向 ∀近代计算机的出现 o使得有条件开展林火蔓延
模型的计算机求解 ∀随着计算机图形处理能力的提高 !以遥感与地理信息系统为核心的空间信息技术在林
业中的广泛应用 o人们可以建立各种林火蔓延的预测模拟和分析管理的信息系统 o也能搭建一个多维虚拟可
视化平台去实现林火的燃烧及其蔓延过程 !森林景观的三维实时再现和仿真 o实现林火行为研究中/数0与
/形0的有机统一 o实现森林信息的本真还原和科学模拟 o为灭火决策提供依据 ∀
t 林火蔓延的数学模型
111 蔓延模型的构建与求解
t1t1t 模型分类与选择 建立数学模型进行林火行为的预测模拟和定量分析可以追溯到 us世纪 ws年代 ∀
各种模型中 o以描述蔓延速率 !火线强度和可燃物燃烧过程等用途的林火蔓延或扩展模型占主体k°¨ µ°¬±²√ o
ussu ~ ‹¤±¶²± ετ αλqousss ~舒立福等 ousswl ∀
根据描述对象不同 o可将林火蔓延模型分为地表火 !树冠火 !地下火以及余烬或木炭引起的飞火等类型 o
而根据数学模型的结构特征和方程类型 o可分为传统的统计模型 !经验或半经验模型以及描述林火行为复杂
过程机理的物理模型k唐晓燕等 oussul或理论模型k°¤¶·²µετ αλqoussvl ∀统计模型是根据随机概率分布原理
构建的 o而经验 !半经验模型是基于能量守衡定律而建 o物理模型则必须遵守各种热传导定律k黄光远等 o
t|{{l o并考虑了各种复杂因素如气象k¨±®¬±¶ousss ~‘¨ ¶¯²±oussu ~’¶º¤¯§ot|||l !地形因素k≥¤±§¥¨µª ετ αλqo
usst ~≥¬°¨ ²±¬ετ αλqoussvl !大气 p林火或大气 p林火 p烟尘的相间交互k‹¤±¶²± ετ αλqousss ~Ž¨µ¤°¬¶·¶²ª¯²∏o
ussw ~°¤½ ετ αλqousstl的影响 ∀多相交互模型考虑了林火蔓延的各种化学 !物理 !物理化学等机制 o成为迄今
为止最完整的模型类型k„±§µi ετ αλqot||{ ~²µª²± ετ αλqousstl ∀据 °¤¶·²µ等 kussvl不完全统计 ot|wy ) usss
年 o美国 !澳大利亚 !加拿大 !俄罗斯 !法国等就出现过 wu种不同形式的地表林火蔓延模型 ∀
总体上看 o不同模型各有优缺点 o应根据模型最终用户 !工作尺度 !地理范围 !数据源和精度等要求优化
选择甚至组合或集成 ∀目前为止 o人们使用最广的实用型模型大多基于 •²·«¨µ°¨ k¯t|zul的研究结果 ∀通过
与天气预测结合 o将风洞燃烧数据回归到 •²·«¨µ°¨ ¯方程中 o已被美国林务局k˜≥ƒ≥l用于预测野火行为 !指导
灭火和辅助培训和规划 o如模拟器 …∞‹„∂∞ k„±§µ¨º¶ot|{yl !ƒ„• ≥Œ×∞kƒ¬±±¨ ¼ ot||{l ∀经验 !半经验模型近
us年来应用效果不错 o而复杂物理模型求解过程需要长时间计算 o并且难于集成各种灭火工具 o如物理模型
ƒŒ• ∞×∞≤ k≥¬°¨ ²±¬ετ αλqoussul不适合实时模拟 ∀
模型构建常采用这样一个平衡策略 }要么选择能全面反映各种复杂过程的物理模型 o用数值方法求解
k≥¬°¨ ²±¬ετ αλqousst ~¬±± ετ αλqot||{ ~¨±®¬±¶ousss ~°¤½ ετ αλqousst ~°¨ µ°¬±²√ oussul获得对问题的高精
度求解 o以及借此在方法和理论上的探讨 ~要么就是采用实用的经验或半经验模型以获得对问题快速且较为
粗略的求解 o以满足实际现场应急灭火决策等的需要k„±§µi ot||{l ∀
人们在不断开发实用性模型的同时 o也没有停止对复杂物理模型的改进和简化的努力k宋卫国等 o
usstl ∀简单模型的价值更体现在计算速度快 o又能提供林火扩展速率 !火头几何形状 !温度场特征 o而不是
关心它有多高的精度 ∀为了折中计算速度与模拟精度 o法国南部科西嘉大学等单位开展了一系列研究与应
用工作k„±§µ¨º¶ ετ αλqousstl o如 ≥¬°¨ °²±¬等kussvl把简化的质量守恒和动能方程引入半经验模型中 ∀
t1t1u 模型集成化发展 近年来 o已突破对模型本身复杂性问题的探讨 o林火建模开始向集成化 !实用化 !
多维化 !标准化等方向发展 o相应的建模理论也日趋成熟 ∀目前已经建立起较为完整的林火蔓延的模型体
系 o并开始探讨和开发城区 p林地交错带模型k∂¬¨ª¤¶ ετ αλqousstl !地表火与树冠火行为耦合模型 kŽ¨¤±¨ ετ
αλqousst ~ ≤¯ ¤µ® ετ αλqousswl ∀
从林火行为模型的组成和交互作用出发 o美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的 ‹¤±¶²± ετ αλqkusssl系统地阐
述了林火模拟从经验模型到物理模型的 x级模型体系 ∀最简单经验模型是将林火行为与区域气象条件分别
单独建模 o即稳定的风场驱动林火蔓延 o而火没有对局部风场起反作用 ∀二级复杂度模型考虑风场随时间变
化 !地形变化和非均质可燃物分布 o但没有与火双向交互 ∀三级复杂度模型考虑了经验模型与微气候计算的
结合 !火的热源与风场实现双向交互k≤¯ ¤µ® ετ αλqousswl ∀以此为基础 o需要考虑逆风速度的局地变化 !可燃
物和地形的时空变化 o便形成四级复杂度的参数耦合局部林火模型 ∀这种模型需要开发一种高分辨率 !高梯
度的数值求解方法k如 ‹ŒŠ• „⁄模型l o解决小尺度环境下的林火产生的热源问题 ∀五级复杂度的模型已放
弃经验模型而改用全物理模型 o考虑一系列复杂的物理 !物理化学过程或现象 o考虑大气 p火 p气的三相交
互 ∀建模中将燃烧的热释放效应与气象运动方程联接 o预测不断变化的气象条件和热释放对可燃物影响 o预
测林火释放的烟及其在大气中的迁移和扩散 ∀虽然目前尚没有一个实际运行的模型考虑了上述所有因素 o
但进展令人鼓舞 o如 ƒŒ• ∞×∞≤与 ‹ŒŠ• „⁄耦合模型就是其中一例 ∀
112 燃料床的定量模型
森林可燃物负荷是引起森林火灾的重要因素之一k• ¬¨¦« ετ αλqousswl o燃料床特征和分布k类型 !组成 !
结构 !密度 !数量 !厚度 !含水率 !燃烧和热释放率等l的调查 !分析 !建模是林火计算模拟的重要内容k…µ¤±§¬¶
ετ αλqoussvl ∀从可燃物总体分布研究方面 o出现区域 !国家级分布特征分类系统k¨¨ ετ αλqousst ~≥¤±§¥¨µª
ετ αλqousstl或辅助建模k• ¬¨¦« ετ αλqousswl ∀ ≤¤·¦«³²¯¨等kusstl利用野外数据测定法进行可燃物的平衡含
水率和时间估计 o而 ∂¬¨ª¤¶等kusstl是用气象指数法确定含水率 ∀
随着林火行为模型的研究深入以及相关支撑技术 o如遥感 !地理信息系统等空间信息技术的长足发展 o
yxt 林 业 科 学 wt卷
森林燃料床的空间分析与制图逐渐引起重视 ∀美国林务局岩石山区站k…∏µª¤± ετ αλqot||{l利用遥感卫星数
据和地面观测数据进行建模 ∀ Ž¨¤±¨ 等kusstl开展了基于遥感 !地理信息系统 !生物物理建模技术的林火可
燃物制图工作 o并在分析可燃物制图四个途径k野外观测法 !遥感直接法 !遥感间接法以及生物物理或梯度
法l基础上提出了一个完整的三植被指数法 ∀ „¥¥²·等kussul已尝试利用 • „⁄„• ≥„×影像进行针叶林可燃
物含水率的分析和制图研究k„¯ ¬¨¤±§¨µετ αλqoussul ∀
u 林火蔓延的多维可视化技术
受到计算机性能及人们对林火蔓延机理的认识约束 o林火蔓延仿真或可视化长期以来主要采用二维表
达形式 ∀近几年来 o随着图形学发展及三维空间分析能力的提高 o人们开始尝试以三维或更丰富的形式展示
林火的蔓延过程 ∀三维模拟技术是在二维模拟技术基础上加入了林火的造型模拟 !地形上林火蔓延过程模
拟 o林火与其它景观交互模拟等技术 ∀与二维可视化相比 o三维可视化表达考虑了 ½值的影响 o以更加直观 !
真实的形式表达蔓延过程和结果k•¬¦«¤µ§¶ot|||l ∀
211 二维模拟仿真技术
在恒定条件下 o二维林火蔓延的形状通常被假设为一个椭圆 ∀这里的恒定条件是指可燃物因子 !气象因
子及地形的拓扑结构在计算过程中保持不变kƒµ¨±¦«ot||ul ∀然而 o在现实中林火蔓延往往发生是在非恒定
条件下 o蔓延外形总是随时间变化的 o林火外形的曲率随着风速和坡度的增大而增大k„¯ ¬¨¤±§¨µot|{xl ∀
二维林火蔓延模拟能将复杂的多维自然现象抽象为平面问题 o提供给用户直观 !简洁而又有所侧重的信
息 ∀从近几年出版的文献可发现 o主流的二维林火蔓延模拟仿真或可视化技术主要有 }基于元胞自动机的模
拟和基于惠更斯原理k‹∏¼ª¨ ± ³µ¬±¦¬³¯ l¨的模拟等两类k°¤¶·²µετ αλqoussvl ∀
u1t1t 基于元胞自动机的模拟仿真 林火蔓延是一个在时间和空间上呈连续的多相多组分自然过程 o要模
拟整个过程需要对此过程在时空方面进行离散化 ∀元胞自动机k≤„l就是离散化复杂自然现象的一种有效
方法 o其原理就是将复杂的自然现象或物理系统在时间方面分成几个独立的时间步长 o在空间方面 o将每个
时间步长上的连续空间分割为规则的网格 ∀每个网格的状态由前一时间步长与此网格相邻的网格状态所决
定 o网格状态通常由一定的状态方程k局部规则l计算所得 ∀由于 ≤„固有的计算并行性和模型构建简单易
行等特点在林火蔓延预测中有良好的应用前景 o并且很适合于与 ŠŒ≥ 技术结合解决问题k°¤¶·²µ ετ αλqo
ussvl ∀ Ž¤µ¤¤©¼¯ ¬¯§¬¶等kt||zl用 ≤„原理成功模拟了在恒定条件和非恒定条件下林火的蔓延过程 o文献中将
森林实验区域划分为由相同正方形单元组成的二维矩阵 o每个正方形就是 ≤„的一个单元 ∀每个单元被赋
予一个林火蔓延速率 o该值由此单元格中心点的速率为代表 o决定此单元被完全燃烧所需要的时间 ∀
早期的林火蔓延 ≤„模型对于局部规则采用随机方程kƒ¬±±¨ ¼ ot||{l o但是随机模拟的结果较粗糙也与
现实不符 o因此研究学者试图通过改进局部规则 !相邻单元 !时间步长 !网格划分等方面来提高林火模拟效果
kŽ¤µ¤©¼¯ ¬¯§¬¶ousswl ∀针对传统 ≤„模拟仿真存在计算费时且元胞大小固定造成效率低下等不足 o…¤µµ²¶kt||zl
对传统的 ≤„进行了改进 o通过动态改变 ≤„的结构和状态并只计算和刷新林火蔓延区域范围内单元的方
法 o提高了 ≤„模拟林火的能力 ∀
 ¬¨ª¯ µ¨等kt||yl !∏½¼等kusst ~ussu¤~ussu¥l采用离散事件的 ⁄q∞q∂ q≥或 ≤∞p ⁄q∞q∂ q≥ q形式进行
林火蔓延建模 ∀ ¤¯¤°∏§等kusssl利用与林火等有关的元胞自动机模型建立了自组织危险度的概念 ∀如何
解决大数据量实时计算是 ≤„应用于林火的模拟中的一个难点 o为此 Ž¤µ¤©¼¯ ¬¯§¬¶kusswl又设计了一种专门用
于并行处理器和林火蔓延的通用算法进行林火蔓延预测 o以提高模拟速度 ∀在国内 o宋卫国等kusstl用元胞
自动机模型构建一个布尔型的网格来研究整数型森林火灾模型的自组织临界性 ∀为更形象地描述林火蔓
延 o黄华国等kussxl最近提出了一个三维曲面的元胞自动机模型 o并开发了相应的软件系统 ∀此外 o国内也
有基于栅格结构的林火蔓延模型相关研究k唐晓燕等 oussvl ∀
u1t1u 基于惠更斯原理的模拟仿真 与 ≤„法不同 o矢量或惠更斯原理表达林火的蔓延区域是用一个随时
间变化的连续扩展的多边形来表示k„±§¨µ¶²± ετ αλqot|{ul ∀该多边形的形状由一系列林火周边上的二维顶
点决定 o并且这些顶点随着多边形的增大而增加k以保证一定的精度要求l ∀受灾区域的增大是通过计算多
边形上的每个顶点在下一时间步长的顶点位置而实现的 ∀二维林火蔓延的形状在恒定流条件下通常呈椭圆
zxt 第 x期 陈崇成等 }林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展
形状 ∀根据惠更斯原理每个顶点可以被认为一个独立的火点 o在步长内的该顶点蔓延的最终形状也被认为
是椭圆 o而顶点蔓延的方向由风速矢量和坡度矢量叠加决定 o蔓延速率则由风速 !坡向 !可燃物等因子通过计
算林火蔓延速率模型 o如 •²·«¨µ°¨ ¯模型k∂¤®¤¯¬¶ ετ αλqoussw¤l而得 ∀
近几年用惠更斯原理模拟林火蔓延取得了极大成功 o现已趋向成熟 ∀ •¬¦«¤µ§¶kt||sl提出了一个用惠更
斯原理模拟林火蔓延较成熟的模型 ∀该模型解决了蔓延周边上的顶点在下一时间步长的蔓延速度和方向及
顶点上椭圆形方向的前火头 !侧火头和后火头的尺寸问题 ∀ ƒ„• ≥Œ×∞林火计算系统改进了 •¬¦«¤µ§¶模型 o即
用动态步长取代恒定步长实现林火的蔓延计算k„±§µ¨º¶ot|{yl ∀ •¬¦«¤µ§¶kt||xl对模型简化并扩展了林火蔓
延的形状k如双纽线和双椭圆形等l ∀≥·¤°kt||| ~usssl用 ¤ªµ¤±ª¬¤±和隐式方法代替 ƒ²¶·¨µ和  ·¨¤¬¤¶的显式
欧拉方程来求解 ‘¤√¬¨µp ≥·²®¨¶方程 o结果使得用更大的时间步长也能保证稳定的流体运动方式 o推动了物
理模拟的进一步发展kƒ²¶·¨µετ αλqot||y ~t||zl ∀
212 三维模拟与虚拟技术
人们不再满足于用二维空间简单地模拟林火的蔓延过程 o而开始使用虚拟现实和多维可视化技术构建
一个虚拟的林火蔓延模拟环境 o使计算机在火灾发生时能及时提供更加逼真 !信息丰富的火场预测信息 ∀虚
拟的林火蔓延包括三维环境林火造型模拟 !地形上林火蔓延过程模拟及林火与其它景观交互模拟等方面内
容 ∀尽管这些技术在模拟林火蔓延存在诸多不足 o但代表了现代模拟林火蔓延的发展方向 ∀
u1u1t 林火造型模拟技术 火的运动造型是在一定的温度 !气压 !氧气密度 !可燃物密度 !蔓延速度等综合
条件下化学反应的结果 ∀具有代表性的林火造型模拟技术有粒子系统 !纹理合成及基于物理的模拟等三种
技术kŽ¬±ª ετ αλqot|||l o具体的原理和性能比较见表 t ∀从中可发现 o目前应用最广泛的三维林火造型技术
还是以粒子系统为主 o它具有实时性好 !复杂度低 !真实感强 !适合于大范围等优点 ∀
表 1 三维林火造型技术比较
Ταβ . 1 Χοµ παρισον οφ τηρεε τεχηνιθυεσφορ σιµ υλατινγ φορεστ φιρε
林火造型技术
ƒ¬µ¨ ¶¬°∏¯¤·¬²±
° ·¨«²§
外观表示
…¤¶¬¦
¨¯ °¨ ±¨·
运动表示
⁄¼±¤°¬¦
ª¨ ±¨ µ¤·¬²±
实时性
• ¤¨¯p·¬°¨
©¨©¨¦·
交互性
Œ±·¨µ¤¦·¬√¬·¼
复杂度
≤²°³¯ ¬¨¬·¼
真实感
• ¤¨¯¬¶·¬¦
©¨©¨¦·
尺度适用范围
≥¦¤¯¨
¶∏¬·¤¥¬¯¬·¼
应用
„³³¯¬¦¤·¬²±
粒子系统
°¤µ·¬¦¯¨¶¼¶·¨°
基本图元
∂²¬¨¯
随机数
•¤±§²° ±∏°¥¨µ
好
Š²²§
一般
ƒ¤¬µ
低
²º
强
Š²²§
大范围
¤µª¨
最广泛
²¶·∏¶¨§
过程纹理
× ¬¨·∏µ¨ ¶¼±·«¨¶¬¶
基本像元
°¬¬¨¯
数学经验方程
∞°³¬µ¬¦¤¯ ©²µ°∏¯¤
一般
ƒ¤¬µ
弱
°²²µ
较高
¬§§¯¨
强
Š²²§
小范围
≥°¤¯¯
一般
≥²°¨∏¶¨§
物理模拟
°«¼¶¬¦¤¯ ¼¯p¥¤¶¨§
°²§¨ ¬¯±ª
格网单元
Šµ¬§
物理Π物化方程
°«¼¶¬¦¤¯ ²µ³«¼¶¬¦¤¯p
¦«¨ °¬¦¤¯ ¨´ ∏¤·¬²±¶
不能
‘²
强
Š²²§
高
‹¬ª«
非常强
∂ µ¨¼ ª²²§
较大范围
¬§§¯¨
极少
•¤µ¨ ∏¶¨§
t|{v年 o首先出现粒子系统的概念和绘制算法k• ¨¨ √¨ ¶ot|{vl ∀其主要思想是利用粒子k图元或像元l体
现林火的造型 o并用随机函数表达模糊物体k如火 !水 !云 !烟等l的运动k…∏µªousss ~¤±§¨µot||{l ∀ ¦„¯ ¬¯¶·¨µ
等kt||vl为粒子系统开发了一个可以交互显示的工具包和易移植的 „°Œk¨ ¦¨«ot||vl o许多商业动画制作软
件如 ¤¼¤和 v⁄ „÷ 等也将粒子系统做成插件扩展软件的功能 ∀≥¬°¶kt||sl首先用粒子行为语言描述粒子
动画 o提出了粒子并行绘制算法 o而 ≥·²¯®等kt||ul提出了面粒子的概念k²µ¥¤ ετ αλqousstl ∀近几年对粒子
系统的改进有标志性的发展 o如 Ž¬±ª等kt|||l和 • ¬¨等kussul用 × ¬¨·∏µ¨§≥³¯¤·¶代替基本的图元方法实现火
的造型模拟 ∀尹勇等kussul用粒子系统模拟雨 !雪等自然景色 ∀为了使模拟效果更加真实 o已出现在传统的
粒子系统中引入了旋涡的概念 o使得粒子能以一种美学的轨迹运动而产生真实感kŒŒ°²±¨ ± ετ αλqoussvl ∀最
近李建微等kussxl在三维环境中实现对粒子系统的改进 o实现不同风速 !不同坡向条件下的三维扩散行为 ∀
上世纪 |s年代以前 o用纹理合成的方法模拟林火造型主要采用数学模型生成纹理 o而近几年研究的重
点是如何合成真实拍摄的火焰照片或火焰的跳动视屏k„¶«¬®«°¬±ousst ~Žº¤·µ¤ ετ αλqoussvl ∀与粒子系统和
过程纹理模拟不同 o基于物理模拟火的方法主要研究在火的燃烧机理基础上用数值求解物理运动方程和化
学反应方程来模拟具有真实感的火 ∀≥·¤°等kt||xl提出了用传播过程的方法实现火焰和烟的逼真建模 ∀随
着用数值求解三维流体方程来模拟液体和气体的成功kƒ²¶·¨µετ αλqot||y ~t||zl o人们逐渐开始采用 ≤ƒ⁄算
法研究火的模拟k•¤¶°∏¶¶¨± ετ αλqoussvl ∀
{xt 林 业 科 学 wt卷
在火焰造型应用模拟方面 o具有代表性的是 ‘ª∏¼¨ ±kussul提出的可以模拟层流和湍流情况下火的方法 ∀
该方法用隐性表面解决了不可压缩方程不能表示燃烧过程可燃物膨胀效果的问题 ∀¤°²µ¯¨ ·¨ 等kussul引入
结构化模拟火的概念 o将火的燃烧现象划分为八种状态 ∀另外 •¤¶°∏¶¶¨±kussvl抛弃了 √²¬¨¯ªµ¬§方法组织场
景 o而是通过一种有效的粒子方法对内存进行有效的组织 o以达到模拟大范围烟效果的目的 ∀ ƒ¨¯§°¤±等
kussvl用物理方法模拟爆炸效果 o并用粒子系统模拟可燃物和烟灰等运动 ∀
虽然用物理方法来真实再现火的行为获得极大成功 o但也存在有些模拟并不是完全遵循物理化学规则 o
甚至为了追求计算简化和模拟效果对物理方程做人为调整等缺陷 o并且物理模拟需要耗费极大的运算 o达不
到实时绘制的要求k一帧的绘制通常要耗费好几秒的时间l ∀尽管这样 o不影响模拟结果的科学性 o该方法仍
将成为今后模拟火造型及运动的主流技术 o并随着人们对火的燃烧机理和蔓延机理认识的深入而发展 ∀
u1u1u 林火与景观交互 tl林火与不可燃物交互 现实中的火总是与环境不断交互的 o模拟火与不可燃
物体的交互也是图形学技术的难点 ∀人们在研究火模拟的同时 o为了增强火的真实感 o往往不自觉地考虑火
与不可燃物体交互效果的模拟 ∀与不同模拟动态火的技术相适应 o模拟这种交互效果的技术也不尽相同 ∀
粒子系统方法中具有代表性的是 ‹²¯·®¤°³¨µkussvl提出的用一群粒子簇k³¤µ·¬¦¯¨¦¯∏¶·¨µl和不可燃物体的无弹
性碰撞来随机模拟粒子的弹性碰撞 ∀基于物理模拟的方法中 o是将场景分成规则的网格 o用单元中心点的压
力 !温度 !可燃物密度等参数定义属性 ∀隔一个时间步长计算格网中每个单元属性值 o并刷新重绘场景一次 o
而火的动态效果与不可燃物体的交互主要发生在临界单元中kƒ²¶·¨µετ αλqot||y ot||zl ∀用纹理合成技术 o
主要采用增加约束方程的方法 ∀这种方法对于规则的物体效果较好 o但是对于不规则物体 o则很难找到一种
数学公式描述不规则物体的边界k≥·¤°ot|||l ∀ul地形上的林火蔓延 林火的模拟必然涉及林火在拓扑地
形上的蔓延情况 o主要研究问题包括 }基于温度数据的烟和火的体绘制 !地形的多边形格网生成 !地形的纹理
映射 !被烧区域的纹理映射等等 ∀由于硬件限制 o早期只能综合以上技术 o采用透视投影产生最终的场景影
像 o结果达不到时实绘制的要求 ∀为了在一个大场景里将火的动态三维蔓延与地形交互效果实时表达出来 o
无论在硬件或软件技术上都是个难题 ∀在计算机环境里 o三维地形大部分是以三角网的形式表达 o因此火的
蔓延可以简单表示为火在三角网上的蔓延 ∀ °¨ µµ¼等kt||wl首先提出在多边形格网上实现火的蔓延模拟技
术 o其中火的蔓延周边通过跟踪一些蔓延控制点而确定 ∀与上述方法不同 o…¨ ¤∏§²¬±等kusstl提出了在多边
形格网上 o用采样点的方法确定火蔓延周边 ∀与此相似 o¨¨等 kusstl增加了模拟多个火源同时存在及其合
并现象 ∀
v 林火模拟与管理信息系统
林火行为建模的目的 o不只是增加对林火动力学过程的了解 o更主要是要建立面向日常林火管理的计算
工具或信息系统 ∀近 us年来 o计算机广泛应用促进了各种林火模拟与管理信息系统的出现 ∀美国农业部林
务局率先开发了 …∞‹„∂∞第 t版k²µª¤± ετ αλqousstl ∀该软件通过输入可燃物和环境数据 o就可输出地表
火蔓延速率和火线强度 ∀此后又经改版 o使之更加通用化 o用户界面更加友好 ∀此后时间里 o由不同来源的
模型组合形成了众多类似的工具 o如加拿大的 ƒ…°系统 !欧盟 ƒ¬µ¨¤¥系统 !美国的 ‘¨¬∏¶系统和澳大利亚的
≤¶¬µ²林火计算器以及改进的 …∞‹„∂∞k„±§µ¨º¶ ετ αλqoussv ~宋卫国等 ousstl ∀
林火信息系统支撑技术还有一个主要的发展趋势就是与 ŠŒ≥的集成k朱启疆等 ot||x ~∞®¯∏±§ousstl o并
根据对空间要素的处理方法分为规则网格k如联接浸透 …° !元胞自动机 ≤„l和连续平面的林火模拟器 ∀近
年来由世界上主要研究中心提出的能集成 ŠŒ≥的各种林火计算软件多达 us个 o其中大多基于元胞自动机模
型的二维系统k°¤¶·²µετ αλqoussv ~∂¤®¤¯¬¶oussw¥l ∀最典型的是由美国 ˜≥⁄„开发的 ƒ„• ≥Œ×∞林火管理系统
k≤«¬ετ αλqoussvl o已被广泛运用 ∀集成数学模型 !地理信息系统 !遥感 !网络与数据库技术构成信息系统已
得到充分的重视k„±§µ¨º¶ ετ αλqousst ~Š²¯ ¥¯¨µª ετ αλqousstl o并已出现用于现场灭火快速应急决策的业务化
运行系统k²µª¤± ετ αλqousstl或高性能分布式平台k²¥¤ ετ αλqousst ~≤«¬ετ αλqoussv ~‹¤±¶²± ετ αλqousssl ∀
如 • ¼¥²kt||{l报道了一个实用型的防火与灭火决策支持系统 ƒŒ≥ ∀ ƒŒ≥具有天气监测 !火险定级 !灭火方
案建议 !林火识别 !林火蔓延模拟等功能 o并注重方案 !知识和过程的自动形成 ∀ Ž¨µ¤°¬·¶²ª¯²∏等kusswl开发
了一个综合的林火风险管理决策支持系统以满足大规模火灾事件对各种动态信息的需求 ∀该系统还包括近
|xt 第 x期 陈崇成等 }林火蔓延的计算机模拟与可视化研究进展
实时的卫星监测和林火预测模块等辅助模块 o并通过交互式通信将卫星遥感 !地理信息系统 !数据库技术集
成起来 ∀
w 结论
对各种林火蔓延的计算机模拟和可视化技术的最新研究状况和趋势进行了综述 o重点分析了林火蔓延
相关数学模型 !多维模拟仿真技术以及林火蔓延模拟与管理信息系统的最新发展 ∀随着与林火行为密切相
关的支持技术如遥感 !地理信息系统 !全球定位系统 !林火数学模型 !分布式数据库 !信息网络服务 !虚拟现
实 !计算机图形学等进一步走向集成或融合 o未来林火蔓延模拟与可视化研究与开发 o将更注重真实感环境
下的多维虚拟森林景观构建 !多用户参与的快速决策能力k如协同灭火l以及网络信息服务等方面 ∀
参 考 文 献
黄光远 o朱月秋 qt|{{1 森林火灾的模型及其扑灭问题 q系统工程原理与实践 o{kul }vx p v{
黄华国 o张晓丽 o王 蕾 qussx1 基于三维曲面元胞自动机模型的林火蔓延模拟 q北京林业大学学报 ouzkvl }|w p |z
李建微 o陈崇成 o於其之 o等 qussx1 虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达 q应用生态学报 otykxl }{v{ p {wu
舒立福 o王明玉 o田晓瑞 o等 qussw1 关于森林燃烧火行为特征参数的计算与表述 q林业科学 owskvl }tz| p t{v
宋卫国 o范维澄 o汪秉宏 qusst1 整数型森林火灾模型及其自组织临界性 q火灾科学 otsktl }xv p xy
唐晓燕 o孟宪宇 o易浩若 qussu1 林火蔓延模型及蔓延模拟的研究进展 q北京林业大学学报 ouwktl }{z p |t
唐晓燕 o孟宪宇 o葛宏立 qussv q基于栅格结构的林火蔓延模拟研究及其实现 q北京林业大学学报 ouxktl }xv p xz
尹 勇 o金一丞 o任鸿翔 o等 qussu q自然现象的实时仿真 q系统仿真学报 otwk|l }tutz p tut|
朱启疆 o高 锋 o张振威 qt||x1 ŠŒ≥支持下森林火场蔓延的计算机模拟 q环境遥感 otskul }{t p {{
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syt 林 业 科 学 wt卷
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