森林火災(zāi)模型

1、森林火災(zāi)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(píng)價(jià)10結(jié)論10參靠文獻(xiàn)11摘要森林火災(zāi)是一種影響后果嚴(yán)重、人為很難控制的一類自然災(zāi)害。森林火災(zāi)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(cái)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(zāi)造成的火災(zāi)場(chǎng)面積達(dá)到133萬平方千米，有10807戶、56092人受災(zāi)，死亡213人直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)20億元。國(guó)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(fèi)分別達(dá)到2103萬元、5181萬元和7350萬元，呈逐年上升的趨勢(shì)。因此，長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)外開展了關(guān)于森林火

2、災(zāi)成災(zāi)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(zāi)發(fā)生時(shí)，快速準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)火勢(shì)的蔓延和發(fā)展，可以為及時(shí)部署滅火力量、控制火災(zāi)蔓延提供科學(xué)的決策依據(jù)，且具有重大的實(shí)際意義。本文根據(jù)林火蔓延的自身特點(diǎn)結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)（CA汾析，并提煉出影響森林火災(zāi)蔓延的關(guān)鍵影響因素。這一模型中森林用一個(gè)二維網(wǎng)格來表示，其中每個(gè)格點(diǎn)代表一棵樹或代表空地，各節(jié)點(diǎn)的樹具有相同的生長(zhǎng)概率和著火概率，以一定的規(guī)則進(jìn)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(gè)著火點(diǎn)，不存在閃電襲擊導(dǎo)致著火，從這一個(gè)著火點(diǎn)開始蔓延，如果綠樹最近鄰居中有一個(gè)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(dá)到多大時(shí)森林可能會(huì)被燒光。隨著目前CA研究的深入，CA在森林火災(zāi)擴(kuò)散的預(yù)測(cè)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(qiáng)的模擬復(fù)雜系統(tǒng)的能力，采用Matlab平臺(tái)，做了模擬仿真的實(shí)驗(yàn)工作。采用動(dòng)態(tài)方式進(jìn)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(gè)能更好的模擬現(xiàn)實(shí)森林火災(zāi)蔓延情況的預(yù)測(cè)模型。最終,通過對(duì)顯示結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的可靠性及可用性。關(guān)鍵詞：森林火災(zāi)；元胞自動(dòng)機(jī)（CA）;蔓延；生長(zhǎng)概率；著火概率問題分析森林火災(zāi)是一種常見的、極具突發(fā)性和破壞性的自然災(zāi)害。通過構(gòu)建森林火災(zāi)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(zāi)預(yù)測(cè)與預(yù)防的有效手段，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。其中，基于元胞自動(dòng)機(jī)的林火蔓延模型能夠較好地仿真林火蔓延的自組織復(fù)雜過程，廣泛應(yīng)用于林火蔓延預(yù)測(cè)研究。本文主要研究在一個(gè)著火點(diǎn)的條件下，蔓延概率與森林被燒光的關(guān)系。使用元胞自動(dòng)機(jī)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(gè)方面：森林蔓延率與森林被燒光時(shí)間的關(guān)系及森林被燒光最小蔓延率與森林生長(zhǎng)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(zāi)是一種常見的自然災(zāi)害，森林火災(zāi)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命安全帶來很大的損失。根據(jù)現(xiàn)實(shí)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(shí)間越短。二、森林生長(zhǎng)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(dòng)機(jī)的森林火災(zāi)模型：1.1 元胞的邊長(zhǎng)一般來說，在模擬過程中，元胞尺寸越小，越能顯示火勢(shì)蔓延的細(xì)節(jié)。但是，元胞尺寸過小，會(huì)增加計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)量。筆者的目的是快速、動(dòng)態(tài)地模擬森林火災(zāi)蔓延時(shí)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(shì)蔓延的速度1.3 時(shí)間的確定1.4 鄰域通常元胞自動(dòng)機(jī)包含倆種鄰域，第一種是Vonneumann鄰域，由一個(gè)中心元胞和東南西北的四個(gè)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(gè)方位。本論文為了快速地模擬森林火災(zāi)蔓延時(shí)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(gè)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(kuò)散后），變?yōu)榭盏?，元胞定義為0,并按生長(zhǎng)率重新生長(zhǎng)。1.6 元胞發(fā)生著火的概率2 .模擬算法：?jiǎn)栴},模型結(jié)果分析所建立的森林火災(zāi)蔓延系統(tǒng)經(jīng)過編譯調(diào)試，進(jìn)行了不同蔓延率下的元胞仿真試驗(yàn)，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(shí)間與蔓延時(shí)間關(guān)表一：燒光時(shí)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(shí)指燒由燒光時(shí)間和蔓延率的關(guān)系曲線可以直觀的看出：當(dāng)蔓延率小于百分之六十左右時(shí)，森林有極大的可能無法

8、完全燃燒；當(dāng)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(shí)間急劇縮短；而當(dāng)蔓延率大于百分之六五后，森林燒光所需時(shí)間波動(dòng)緩慢的縮短。另外，在加入森林生長(zhǎng)率這個(gè)因素以后，再次運(yùn)行程序，得到不同生長(zhǎng)率下，森林被燒光的最小蔓延率，得下表:表二：生長(zhǎng)率與燒光最小蔓延率生長(zhǎng)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(zhǎng)率關(guān)系曲線由燒光最小蔓延率與生長(zhǎng)率關(guān)系曲線可以看出，在生長(zhǎng)率大于0.0035時(shí)，燒光的最小蔓延率是大于0.85;而當(dāng)生

9、長(zhǎng)率在0到0.0035之間時(shí)，可以明確的看出，燒光最小蔓延率隨生長(zhǎng)率增加，呈現(xiàn)哥指數(shù)勢(shì)增長(zhǎng)。模型評(píng)價(jià)此森林火災(zāi)蔓延模型在描述森林火災(zāi)演化時(shí)，根據(jù)模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)和真實(shí)森林火災(zāi)數(shù)據(jù)存在著相當(dāng)?shù)牟罹?。?duì)此，我們?cè)诖四Ｐ椭幸M(jìn)了生長(zhǎng)率，蔓延率倆個(gè)量，可以更加生動(dòng)形象得模擬森林火災(zāi)。得出以下結(jié)論：1、當(dāng)蔓延率大于百分之六十左右時(shí)，森林在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)完全燃燒（即森林剩余率為5%）。2、隨著森林生長(zhǎng)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(zāi)模型中網(wǎng)格邊界引起的大火災(zāi)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(diǎn)；但是，此模型也存在這明顯的缺點(diǎn)，生長(zhǎng)率與蔓延率倆個(gè)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(shí)火災(zāi)中，環(huán)境因素也對(duì)火災(zāi)有著巨大的影響，例如：地勢(shì)，樹木分布,樹木種類，降水，風(fēng)力大小等。希望在以后的學(xué)習(xí)中可以建出更加完善的模型。結(jié)論筆者以元胞自動(dòng)機(jī)的概率模型為基礎(chǔ)，結(jié)合森林火災(zāi)蔓延的自身特點(diǎn)，通過設(shè)置一片森林、一個(gè)著火點(diǎn)、樹木生長(zhǎng)率及樹木與樹木與樹木間的蔓延率，構(gòu)建了森林火災(zāi)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(duì)森林是否完全燃燒及森林完全燃燒所需時(shí)間長(zhǎng)短有著顯著的影響。研究結(jié)果也顯示，生長(zhǎng)率越高，森林越不容易完全燃燒。二）、模型能夠快速、準(zhǔn)確地再現(xiàn)火蔓延的過程，火災(zāi)過程的模擬，不僅提高了人們對(duì)火災(zāi)危害的認(rèn)識(shí)，而且也為消防

11、撲救及森林建設(shè)提出了科學(xué)依據(jù)。三）、由于森林火災(zāi)數(shù)據(jù)的缺乏，模型參數(shù)的取值還需進(jìn)一步驗(yàn)證，模型還需要進(jìn)一步完善，例如：樹木分布不同對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，風(fēng)勢(shì)對(duì)火災(zāi)蔓延的影響及不同地勢(shì)對(duì)火災(zāi)蔓延的影響。根據(jù)這個(gè)模型，在森林空格位上種植一些經(jīng)濟(jì)作物，既可以防止火災(zāi)蔓延又可以得到一些收入。雖然此模型考慮到森林中也會(huì)存在石頭，河流以及人類砍伐等已經(jīng)非常接近火災(zāi)發(fā)生的真實(shí)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(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1,宋衛(wèi)國(guó)等.小尺度森林火災(zāi)的漸進(jìn)哥率分布J.火災(zāi)科學(xué)，2003,12(2):66-73.2.宋衛(wèi)國(guó)，范維澄，

12、汪秉宏,中國(guó)森林的自組織臨界性J,科學(xué)通報(bào)，2001,46(13):1134-1137.3,黃華國(guó)，張曉麗,基于三維原胞自動(dòng)機(jī)模型的林火蔓延模擬J,北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)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