（计算机应用技术专业论文）虚拟森林火场的技术研究和场景建模.pdf

浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 虚拟森林火场的技术研究和场景建模 摘要 森林火灾对森林造成的影响非常严重，它破坏森林资源，降低森林质量，引 起水土流失，造成野生物种减少，迫使鸟兽迁移。同时，森林大火产生的大量烟 尘，既污染大气环境，又危害人类健康。而我们传统意义上对森林火场的研究往 往局限在理论上，实验方面的研究要么投资大，要么模拟的条件过于复杂不容易 实现，因此很难开展。虚拟现实技术恰好解决了这个问题，用虚拟现实技术研究 森林火灾，具有投资小、仿真效果好且便于实现的特点。通过虚拟森林火场建模， 并根据物种分布、环境变化、地势变化等影响因素来模拟仿真森林火灾，指挥森 林火灾扑救工作，可以提高扑救效率，最大限度减少森林火灾造成的损失。 本文就是运用虚拟现实技术，通过虚拟森林火场建模，并创建火场中的树木、 地形、房屋、道路等模型，生成三维森林火灾场景，通过模拟不同条件下的森林 火场变化，进行森林火灾的研究和仿真，进而指导森林火灾应急指挥。 首先，本文通过地形学和遥感影像的理论对采集的数据进行处理，利用生成 的d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 数据和遥感影像数据，建立虚拟森林火场； 然后，通过分析地形变化和物种分布，创建地形模型、树木模型、房屋模型、道 路模型、嘹望台模型，组合并优化三维森林火灾场景。在此基础上，本文根据近 似的椭圆模型和风向、风速、坡度、坡向等影响因素分别模拟二维场景和三维场 景中森林火灾的变化。在二维场景中，本文提出改进的自动机模型算法，通过对 传统自动机模型算法增加格网边界处理，弥补了传统算法在格网较大时误差较大 的缺陷，取得了较好的仿真效果；在三维场景中，本文采用三维元胞自动机仿真 算法，该算法是二维改进自动机模型算法的扩展，利用二维算法中得到的着火点 的平面坐标，求出火灾蔓延的面积和高度，保证二维场景和三维场景下火灾蔓延 的同步。单纯的同步还不能逼真地表现三维场景中火灾蔓延效果，本文又采用了 v e g a 和o r e n g l 相结合的处理方法，取得了不错的模拟效果，但当三维场景中 有多个着火点时，要处理的数据量过大，模拟时速度会变慢，本文利用了分布式 处理技术，引用了三维元胞自动机算法得到的影响因子权重，形成分布式火灾蔓 延算法，该算法能较好地解决这个问题。 最后，本文利用v c 、v e g a 、m o 、m u l t i g e n 等技术，结合研究课题和实际 工作，构建了一个二维和三维数据相结合的森林火灾应急指挥系统一一 f o r e s tf i r e n e t ，运用上述的模型和算法，较好地模拟了森林火场的情况，为指 挥森林火灾扑救提供了帮助。 浙江工业大学硕士研究生学位论文 虚拟森林火场的技术研究和场景建模 关键字：森林火灾模型、虚拟现实、v e g a 、改进的自动机模型算法 i i 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 r e s e a r c ho nt h et e c h n i q u e so ft h ev i r t u a lf o r e s tf i r ea n dt h e s c e n ec o n s t r u c t i o n a b s t r a c t f o r e s tf i r e sa f f e c tt h ee n v i r o n m e n th e a v i l y i td e s t r o i e st h ef o r e s t ，d e b a s e st h e f o r e s t q u a l i t y , d e c r e a s e st h es p e c i e s ，a n d f o r c e st h er a r ea v e st o t r a n s p l a n t f u r t h e r m o r e ，w h e nt h ef o r e s ti so nf i r e ，i tb r i n g sm u c hs m o k e t h es m o k ep o l l u t e st h e e n v i r o n m e n ta n dh a r m st h eh e a l t ho fp e o p l e h o w e v e r ，t h er e s e a r c hw e v ed o n e m a i n l yb a s e do nt h ep r i n c i p l ei nt h ep a s t ，m o r e o v e r , t h er e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t s n e e d sal o to fm o n e ya n di sd i f f i c u l tt or e a l i z e mv i r t u a lr e a l i t y ( v r ) t e c h n o l o g y s o l v e st h i sp r o b l e mc o m m e n d a b l y w i t ht h i sm e t h o d ，t h ei n v e s t m e n ti sn o tl a r g ea s b e f o r ea n di ti se a s yt os i m u l a t et h ef o r e s tf i r e b e s i d e s ，c o n s t r u c t i n gt h ef o r e s tf i r e m o d e lt os i m u l a t et h ev i r t u a lf o r e s tf i r ew i t ht h ei n f l u e n c ef a c t o r si sag o o dc h o i c e i t c a l lm a k eag o o dd e c i s i o nt op u to u tt h ef o r e s tf i r e ，a n dt h e ni m p r o v et h ee f f i e n c yo f p u t t i n go u tt h ef i r e ，c u td o w n t h el o s si nt h em a x i m u m t l l i sp a p e rm a k e su s eo fv rt e c h n o l o g y , c o n s t r u c t sn e e d e dm o d e l sl i k et r e e s t h e t e r r a i n ，h o u s e s ，r o a d se t c ，b u i l d sa3 - d i m e n s i o n a lf o r e s tf i r ee n v i r o n m e n t ，r e s e a r c h e s a n ds i m u l a t e st h ef o r e s tf i r e ，a n dt h e nm a k e so u tap l a nt op u to u tt h ef i r e f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f t o p o g r a p h ya n dr e m o t es e n s i n gi m a g e ，g e t st h e d e ma n ds e n s i n gi m a g ed a t a , b u i l d sa3 - d i m e n s i o n a lt e r r a i n ；t h e na d d so t h e r c o n s t r u c t e dm o d e l ss u c ha st h et r e e s ，h o u s e s ，t h eo b s e r v i n gt o w e rt ot h et e r r a i n ，f o r m s a3 dv i r t u a lf o r e s tf i r ee n v i r o n m e n t w h a t sm o r e ，o p t i m i z e st h i ss c e n e a f t e r o p t i m i z i n gt h i ss c e n e ，t h ea p p r o x i m a t er o t h e r m e lm o d e la n di n f u l e n c i n gf a c t o r sa r e c o n s i d e r e dt os i m u l a t et h ef o r e s tf i r e h o w e v e r , t h es a m ea l g o r i t h mc a n tb ea p p l i e di n b o t l l2 - d i m e n s i o n a ls c o r ea n d3 - d i m e n s i o n a ls c e n e s oi nt h ef o r m e ro n e 出e m o d i f i e dc a a l g o r i t h mi sa d v a n c e d t 1 1 i sa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nc aa l g o r i t h mi nt h e b o u n d e r y , e s p e c i a l l yw h e nt h em e s hw ec h o s e da r el a r g e r i tm a k e st h ee r r o r si nt h e l e a s t i n t h el a t t e ro n e t h e3 dc aa l g o r i t h mi su s e r d t h i s a l g o r i t h mi s t h e e x p a n d m e n to f t h em o d i f i e dc aa l g o r i t h m u s i n gt h em o d i f i e dc aa l g o r i t h m ，w ec a n g e tt h er e c e n tp l a n ec o o r d i a t eo ft h ek i n d l i n gp o i n t a tt h es a m et i m e ，w i t ht h e3 dc a a l g o r i t h m ，c o m p u t et h ea r e aa n dh e i g h to ft h ef i r ea n de u s u r et h es y n c h r o n i z a t i o no f t h et w oo n e s h o w e v e r , i tc a n te x h i b i tt h ef i r es p r e a d i n ge f f e c tr e a l i s t i c a l l yu s i n gt h e 3 dc aa l g o r i t h m s o ，t h i sp a p e ru s e st h ep a r t i c l ea l g o r i t h m ，a n da c q u i r e sag o o d i i i 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 e f f e c t n e v e r t h e l e s s ，w h e nt h e r ea r em a n yk i n d l i n gp o i n t s ，t h ed a t ai st o om u c ha n d t h es i m u l a t i o nr a t ew i l lb es l o w e r s o ，t h i sp a p e ru t i l i z e st h ed i s t r i b u t e dt e c h n o l o g y , a n dt h e nf o r m sd i s t r i b u t e df i r es p r e a d i n ga l g o r i t h mw i t ht h ew e i g h t so ft h e i n f u l e n c i n gf a c t o r sg o t t e nf r o mt h e3 dc aa l g o r i t h m i nt h ee n d ，u s i n gv c ，v e g a ，m oa n dm u l t i g e n ，t h ef o r e s tf i r ec o m m a n d i n g s y s t e m ：f o r e s t f i r e n e ti sd o n e t h i ss y s t e ms i m u l a t e st h ef o r e s tf i r ew i t ht h em o d e l a n da l g o r i t h m sa b o v ea n dg e t sb e t t e rr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，i th e l p su st om a k eb e t t e r p l a n st op u t o u tt h ef o r e s tf i r e s k e yw o r d s ：f o r e s tf i r em o d e l ，v r m l ，v e g a ，m o d i f i e dc a a l g o r i t h m i v y 9 7 5 5 7 1 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作m 重要贡献的个人和集体，均已存文中以明确方式标明。本人承担本声叫的 法律责任。 作者签名 撇日期：洲年中月肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e 件和电子版，允许论文 被查阅和借恻。本人授权浙江t 业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存 , f n t e 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，_ l 生j i 解密后适片j 本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以卜- 相应方框内打“”) 作者签名： 瓣 日期：汐喇年铲月 仁日 剔谧轹搿飙m 舭蚋同 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 1 1 研究背景 第一章绪论 国家林业局防火办提供的资料表明，1 9 5 0 年至1 9 8 8 年，我国平均每年发生森 林火灾1 5 9 9 2 次，年均受害森林面积近9 2 5 万公顷。1 9 8 9 年至2 0 0 1 年间，我国年 均发生森林火灾6 5 7 4 次，年均受害森林面积为5 2 5 万公顷。另有相关资料显示， 1 9 8 9 年前，全国每年平均森林火灾受害率为8 5 o ，是世界同期水平的8 倍左右， 1 9 8 9 年以后的年均受害率为0 3 1 o ，大大低于世界1 o 的平均水平。可见，如今 森林火灾的防护工作与同期相比已取得了很大的进步，但是森林防火仍然是我国 经济建设中必须要防护的一环。 9 0 年代以后，我国的森林防火工作已逐步由过去在预防上的“死看死守”、扑 火上的“人海战术”向综合治理方向转化。在火源管理上，也由单一的火源管理向 多元的火源管理( 生物防火工程、开设防火隔离带、可燃物计划烧除) 转化；在 林火监测上，已初步建立了地面巡护、了望台监测、航空巡护观测、卫星遥感监 测和雷电监测等立体交叉式的监测体系；在防火通讯上，有线通讯、无线通讯、 卫星通讯和计算机网络通讯结合，优势互补；在火灾的扑救方式上，由经验型指 挥向科学型指挥、由“单兵种”作战向“多兵种”协同作战方面转化；在扑救手段上， 由原始的直接扑打向高科技现代化方面转化，加大了机降灭火、索降灭火、化学 灭火和人工降雨灭火的力度。但是，和国外相比，我国的森林防火工作还有一定 的差距，国内采用的主要手段往往还是针对遥感影像进行处理和分析，不利于我 们从动态上形象地观测森林火灾的变化。而国外则结合了虚拟现实技术用三维方 式模拟，便于直观观察分析。 经过近三十年的发展，虚拟现实技术日趋成熟，极大的改变了人们的生活方 式。它广泛应用到我们生活中的各个领域，如工业、农业、医院、航空、航天、 消防等，国外还针对它开发了许多训练系统，用于模拟现实中可能出现的突发情 况，减少人员损失。森林火灾预测系统、森林火灾评估系统，森林火灾扑救训练 系统等。用虚拟现实的技术来处理森林火灾，即虚拟森林火场技术，也已成为我 国今后森林火灾防护工作不可缺少的一部分。 1 2 研究现状 从虚拟现实技术诞生的那天起，复杂情况的模拟、复杂物体的建模和粒子系 统一直是研究的难点和重点，尤其是采用虚拟现实模拟软件如v r m l p a d 、i n t e m e t 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 s p a c e b u i l d e r ，i n t e m e ts c e n e a s s e m b l e r 等，模拟过于复杂，不容易实现。而j a v a 3 d 、 v r m l 的e a i 结合j a v a ，v r m l 的e a i 结合v c 等手段又受到j a v a 和v c 对 v r m l 的e a i 本身语言所支持的类库的限制，无法使我们方便的对各种情况进 行模拟。而对森林火灾的模拟恰好既属于复杂情况的粒子系统模拟，所以采用以 上的工具不能很好的解决。现阶段，针对粒子系统，既简单模拟效果又比较好的 工具是v e g a ，它采用专门定义粒子性效果的c 语言类库，不仅方便我们直接 采用类库进行模拟，而且便于我们结合o p e n g l 进行复杂情况的分析。 当前，国外对虚拟森林火场的研究主要有以下几个成果：美国宇航局 ( n a s a ) 的a m e s 实验室完善了h m d ：并将v p l 的数据手套工程化并开发了 新的飞行软件来检测虚拟森林火灾。c o m e l l 大学的t u r c o t t e 和他的同事一获 得福布莱特法案基金的访问学者b r u c ed m a l a m u d ，研究生g l e bm o r e i n 建立 了森林火灾的计算机模型，并根据该模型分析世界上大量的森林火灾案例，预测 森林火灾。a r i z o n a 大学的b i t h i k ak h a r g h a r i a l ，s a l i mh a r i r i ，m a n i s hp a r a s h a r , l e w i sn t a i m o ，b y o u n gu kk i m 通过建立自治应用的一种框架v g r i d 和细胞自动控 制理论开发了森林火灾模拟模型。k y u n g i l 大学地学工程系的m y u n g - h e ej o m y u n g - b ol e e ，s i y o u n gl e e ，y u n w o n ，j os e o n g r y u lb a e k 通过网络g i s 和r s 技术开发了森林火灾预测系统。 国内在这方面的研究就相对匮乏，已有的研究有1 9 9 6 1 9 9 7 年安徽省g i s 中心与中国科技大学国家火灾重点实验室合作完成省科委基金项目森林火灾扑 救决策支持系统。该系统利用g i s 工具和先进的火灾蔓延趋势预测模型，实现 对复杂条件下林火蔓延的计算机模拟和预测。此外，哈尔滨集思科技有限公司开 发的森林防火及资源管理地理信息系统对森林火灾进行了预测，但是该g i s 软 件还没有把三维的森林火灾场景很好的结合进去。有的g i s 软件虽然也给出了 森林火灾的三维效果，而且看上去也比较逼真，但是它很少考虑到实际情况，模 拟的算法也很片面。 纵观这些研究，我们可以看到，国内，目前仍然缺乏系统的、全面的森林火 场模拟软件。同时，在火灾蔓延算法和森林火灾模型上我们也远远落后于国外。 因此，我们研究和开发此类系统的紧迫性非常明显。 1 3 研究内容 本文环绕森林火灾应急指挥系统的技术进行了研究，所谓森林火灾应急指挥 系统就是在以往传统的二维g i s 系统的研究基础上，利用虚拟现实技术，并结 合地理信息系统的功能，从而更直观、更高效的处理森林火灾问题。和以前的森 林火灾软件不同，森林火灾应急指挥系统增加了三维的仿真功能，功能上更强大， 2 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 表现上更直观。其研究的关键技术和内容，可概括为： 一g i s 平台上的二维场景的研究 g i s 平台上的二维场景的研究是整个系统平台的基础，它为以后的工作提供 了所需的数据。首先，考虑到系统模拟的真实性和二维三维场景的交互，需要对 已得到的数据进行纠正；其次，考虑到虚拟火场模拟时是在二维和三维界面上交 互，则需要对遥感影像数据进行赋值标注：再次，考虑到生成虚拟森林场景，需 要得到d e m 数据；最后，考虑到我们在二维系统中要对一些森林火灾的情况加 以分析，如着火点的距离、树木占据地形的整体面积等，需要实现一些辅助功能。 针对第一个问题，本文首先通过软件e n v i 选择坐标系横轴墨卡托的 k f a s s o v s k y ，然后选取地形图中的公里网交叉点来实现。针对第二个问题，本文 则首先对纠正的地形图进行格式转换，并合并相关的地形图，然后再遥感影像上 找寻和地形图相似的地方标点，最后生成带数据的遥感影像。针对第三个问题， 本文对遥感影像做正射操作，只需要选择所需的坐标系和相关参数，并使用软件 直接转化即可。针对第四个问题，本文是通过v c 结合m o 来实现的。 构建虚拟森林场景 构建虚拟森林场景则为虚拟森林火场模拟准备了场景。首先，本章分析了场 景中关键模型地形和树木的创建算法和方法，如地形有4 类算法：基于等高线的 地形创建算法、基于d e m 的地形创建算法、视点相关连续l o d 型算法，离散 型算法；树木有三类创建算法：交互式树木建模算法、特征式树木建模算法，分 形式树木建模算法。考虑到本文采用的是m u l t i g e nc r e a t o r 来对模型建模，该软 件集成了许多模型的算法，而且树木作为森林中的一个元素如果数量过大时单纯 的采用算法建模会严重影响计算机的运行速度，故这里对地形采用m u l t i g e n c r e a t o r 的p o l y m e s h 转换算法，对树木则采用的是几何体模型加贴图的方法。接 下来，本章分析了场景中其它模型( 房屋、道路、晾望台) 的创建方法，并根据 具体的情况采用具体的建模方法。最后本章介绍了模型的组合方法和优化技术， 并结合本实验的虚拟森林场景加以具体描述。 虚拟森林火场模拟 虚拟森林火场模拟是整个系统平台的核心，也是本文与其他传统的g i s 系统 的不同之处。也是本文研究的重点。考虑到三维场景是从二维图像中转化过来的， 只需要发送其坐标就可以使二维和三维场景中的信息一一对应：所以，这里的重 心是在场景中针对已有的条件对森林火场进行逼真的模拟并设计出一个合理的 算法。本文这里首先查阅国外森林火灾模型和森林火灾蔓延算法的相关研究资 料，然后结合本文所研究的区域台州整合出合理的虚拟森林火灾模型和火灾 蔓延算法。该模型要考虑的因素主要是气候、地形、植被、道路等，本文根据这 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 些因素采用改进的c a 算法和近似的椭圆模型来计算森林火灾蔓延的速度、火灾 烧毁的面积和火势的高度等参数，再利用这些参数信息对森林火灾进行三维仿真 处理。此外，本文还根据求得的影响因子的权重，提出一个分布式森林火灾蔓延 算法。 在此基础上，本文设计了一个森林火灾应急指挥系统系统的框架，并在该系 统中应用了这个森林火灾模型和模型下的火灾蔓延算法。最后，对这些算法和其 他的算法进行了比较，评估该算法的合理性。 本文的创新点和特色包括： 1 二维场景和三维场景的结合 采用m u l t i g e n 和v e g a 相结合的技术对场景模型建模，并结合v c 对创建的 模型功能加以整合，真实地对虚拟森林火场进行三维模拟，并把它结合二维场景 封装在g i s 系统中。 2 算法的改进 合理的利用v e g a 本身自带的特殊粒子模块和当前常用的o p e n g l 的粒子系 统生成算法，结合v c 把两者结合起来，得到本文实验所需的粒子生成算法；针 对不均匀森林的传统c a 模型火灾蔓延算法局限性，合理地考虑网格选取的大 小，并对局部均匀化处理得到改进的c a 模型火灾蔓延算法；针对椭圆模型的特 性，提出分布式火灾蔓延算法。 1 4 论文结构 根据本文研究的相关内容，本文的章节结构组织如下： 第一章为绪论，是文章的开篇，在查询大量文献的基础上，简要介绍了该论 文的研究背景、当前国内外的研究现状，并给出了该论文研究的主要内容。最后， 则介绍了本文的主要章节结构安排。 第二章是g i s 平台下的二维场景的研究，主要从理论、方法和技术等不同角 度讨论和分析了与本文研究相关的基础内容，如：遥感影像、地形图、空间坐标 系、d e m 数据等。 第三章具体分析了虚拟森林火场中的场景建模方法。首先，根据国内外地形 算法的研究和实验软件，采用的p o l y m e s h 算法对地形进行建模。然后介绍了树 木、房屋、道路、嘹望台的创建方法，并详细说明了森林火灾场景中相应模型的 创建流程。最后根据模型组合技术和优化方法给出了该场景中模型的实际优化方 案。 第四章是虚拟森林火场模型的原型创建。该章在前一章的基础上，结合对森 林火灾模型和火灾蔓延算法的国内外研究现状的分析，给出本文改进的c a 模型 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 蔓延算法。接着具体分析了森林火灾的三维仿真粒子算法和模型算法，并采用 v e g a 和o p e n g l 相结合的方法加以改进；提出了一个分布式森林火灾蔓延算法。 第五章是f o r e s tf i r e n e t 系统具体设计与实现。该章主要是在前一章的基础 上，利用现有的v c 、m u t i g e nc r e a t o r 、v e g a 、m o 、o p e n g l ，s q l s e r v e r 数 据库等技术，对f o r e s tf i r e n e t 系统进行实现，并重点突出了二维场景功能模 块和三维场景功能模块等内容。 第六章为总结与展望，主要针对前面做的一些工作进行总结，展望未来，确 定下一步研究工作的重点。 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 第二章g i s 平台上的二维场景的研究 2 1g i s 平台上数据处理相关的基础理论 2 1 1 地形图基础 地形图( t o p o g r a p h i cm a p ) ，通常是指详细表示地表上居民地、道路、水系、 境界、土质、植被等基本地理要素且用等高线表示地面起伏的一种按统一规范生 产的普通地图i l 】。在地形图中，比例尺的选择，地形图的表示极其重要。下面， 本文就简要介绍一下地形图的比例尺种类、地形图的比例尺精度、地形图的表示 以及我国的地形图划分等概念。 1 地形图的比例尺种类 地形图上任意一线段的长度与地面上相应线段的实际水平长度之比，称为地 形图的比例尺。 数字比例尺 数字比例尺一般用分子为l 的分数形式表示。设图上某一直线的长度为d ， 地面上相应线段的水平长度为d ，则该图的比例尺为 旦：占：上 ( 2 1 ) d m 式中m 为比例尺分母。当图上l c m 代表地面上水平长度1 0 m ( 即1 0 0 0 c m ) 时，比例 尺为1 ：1 0 0 0 。由此可见，分母1 0 0 0 就是将实地水平长度缩绘在图上的倍数。比 例尺的大小是以比例尺的比值来衡量的，分数值越大( 分母m 越小) ，比例尺越 大。 图示比例尺 为了用图方便，以及减弱由于图纸伸缩而引起的误差，在绘制地形图时，常 在图上绘制图示比例尺。1 ：1 0 0 0 的图示比例尺在绘制时先在图上绘两条平行线， 再把它分成若干相等的线段，称为比例尺的基本单位，一般为2 c m ；将该线段左 边的一段基本单位又分成十等分，每等分的长度相当于实地2 m 。而每一基本单 位所代表的实地长度为2 c m x1 0 0 0 = 2 0 m 。 2 地形图的比例尺精度 一般认为，人的肉眼能分辨的图上最小距离是0 1 m m ，因此通常把图上 o 1 m m 所表示的实地水平长度，称为比例尺的精度。根据比例尺的精度，可以 6 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 确定在测图时测距应准确到什么程度。当设计规定了图上能量出的实地的最短 长度时，根据比例尺的精度，可以确定测图比例尺。比例尺越大，表示地物和 地貌的情况越详细，精度越高。但是必须指出，同一测区，采用较大比例尺测 图往往比采用较小比例尺测距的工作量和投资将增加数倍，因此采用哪一种比 例尺测图，应从工程规划、施工实际需要的精度出发，不应盲目追求更大比例 尺的地形图。 3 地形图的表示 地形图中各种地貌采用等高线来表示，不同的地貌特征，其等高线的走向、 疏密程度、数据表示有所不同。如对于山头和洼地，其等高线都是一圈套着一 圈的闭合曲线，但是它们所注的高程不同。山峰的等高线中内圈高，洼地的等 高线中内圈低。 图2 1 山头和洼地的等高线特征 4 我国的地形图划分 我国的地形图根据国家基本比例尺可以划分为9 类：l ：1 0 0 万地形图、1 ： 5 0 万地形图、1 ：2 5 万地形图、1 ：1 0 万地形图、1 ：5 万地形图、1 ：2 5 万地形 图、1 ：l 万地形图、l ：5 0 0 0 地形图，l ：5 0 0 、1 ：1 0 0 0 、l ：2 0 0 0 地形图。 表2 - 1 我国的地形图划分口l 地形图投影分幅、编号 l ：4 0 0 万正轴等角圆锥投影，从赤道开始，纬度每4 。为一列，依次用拉丁字母a 、 6 。分带b v 表示，列的编号前冠以n ( 我国地处北半球， 图号前的n 全部省略) ；从1 8 0 。经线算起，自西向 东6 。为一纵行j 将全球分为6 0 纵行，依次用1 、 ， 2 一6 0 表示，“列号行号”相结合，即为该图的 编号。如：j 一5 0 ，l o _ 5 0 。 1 ：5 0 万 高斯一克吕格投影， 2 0 世纪7 0 年前用a 、b 、b 、r 或甲、乙、丙、丁 6 0 分带来表示，7 0 年代起用拉丁字母a 、b 、c 、d 表示。 如j 一5 0 _ r ，l o - 5 0 - 一丁，j _ 5 m d 。 1 ：2 5 万 高斯一克吕格投影，用 1 】、【2 】【1 6 】表示。如j _ 5 0 _ 一【2 】。 。 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 6 0 分带 l ：1 0 万 高斯一克吕格投影， 用1 1 4 4 表示。如h _ 4 8 1 4 2 。 6 。分带 l ：5 万 高斯一克吕格投影， 2 0 世纪7 0 年代前用a 、b 、b 、1 1 或甲、乙、丙、 6 0 分带丁来表示，2 0 世纪7 0 _ _ 8 0 年代用a 、b 、c 、d 表 示，如：h - - 4 一1 4 2 r 。2 0 世纪9 0 年代起：平面 坐标系统采用1 9 8 0 年西安坐标系，高程系统采用 1 9 8 5 国家高程基准；如：j 5 0 e 0 1 7 0 1 6 。 l ：2 5 万 高斯一克吕格投影， 用a 、6 、b 、r 或1 、2 、3 、4 表示，如：j o o 1 4 仁a 6 。 6 0 分带 l ：1 万 高斯一克吕格投影， 2 0 世纪7 0 年代前用l 、2 、3 、4 表示，如 3 。分带 j 一5 0 _ 一1 4 4 一a i 一1 。2 0 世纪7 0 _ 矗0 年代用( 1 ) 、 ( 2 ) ( 6 4 ) 表示，如j o o _ 一1 4 4 _ 一( 1 ) 。2 0 世 纪9 0 年代起以l ：1 0 0 万地形图为基础，将每幅l ： 1 0 0 万地形图划分为9 6 行9 6 列，共9 2 1 6 幅1 ：1 万地形图，在1 ：1 0 0 万地形图编号后加上l ：1 万 地形图的比例尺代码和行列号，即为1 1 万地形图 的编号。如：j 5 0 g 0 9 3 0 0 4 。 t ：5 0 0 0 高斯一克吕格投影， 以1 ：1 0 0 0 0 0 0 地形图为基础，将每幅l ：1 0 0 0 0 0 0 3 0 分带。地形图划分成1 9 2 行1 9 2 列，共3 6 8 6 4 幅l ：5 0 0 0 地形图，在1 ：1 0 0 0 0 0 0 地形图编号后加上l ：5 0 0 0 地形图的比例尺代码、行列号，即为l ：5 0 0 0 地形 图的编号。如j 5 0 h 0 9 3 0 9 3 。 i ：5 0 0 、1 ： 高斯一克吕格投影， 采用正方形或矩形，其规格为5 0 c m x 5 0 e m 或 1 0 0 0 、l ： 按3 。分带计算平面 4 0 c m x 4 0 c m 。图的编号以西南角坐标公里数为单位 2 0 0 0 直角坐标。编号，x 在前y 在后，中间用短线连接，如：i ： 2 0 0 0 ，1 0 啦! 0 ：1 ：1 0 0 0 ，1 0 湖1 5 ：l ： 5 0 0 ，1 0 5 0 一2 1 7 5 。带状或小面积测区的图幅， 按测区统一顺序进行图幅编号。 2 1 2 遥感基础 遥感( r s ，r e m o t es e n s i n g ) ，通常是指通过某种传感器装置，在不与研究对 象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和 应用的一门科学技术。遥感技术的基础，是通过观测电磁波，从而判读和分析地 表的目标以及现象，其中利用了地物的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类 及环境条件不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性”，所以遥感也可 以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波、识别物体 以及物体存在环境条件的技术。图2 1 所示几种常见地物的电磁反射曲线【2 】。 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 图2 - 2 几种常见地物( 水、绿色植被、裸旱地) 的电磁波反射曲线 在遥感技术中，接收从目标反射或辐射电磁波的装置叫做遥感器( r e m o t e s e n s o r ) ，而搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台( p l a t f o r m ) ，包括飞机、人 造卫星等，甚至地面观测车也属于遥感平台。根据搭载遥感器的遥感平台的不同， 通常称运用机载平台的为航空遥感( a e r i a lr e m o t es e n s i n g ) ，而运用星载平台的 称为航天遥感。表2 1 ( 附录) 列举了几种常见的遥感卫星及其遥感器参数。 表2 - 2 几种常用的遥感卫星及其遥感器参数 2 1 卫星传感器 波段( j m ) 空间分辨率 覆盖范围 周期主要用途 l a n d s a tt m0 4 5 - 0 5 2 3 0 m ( 1 5 ，7 波 1 8 5 k m x1 6 天水深、水色 0 5 2 - 0 6 0 段1 1 8 5 k m 水色、植被 0 6 3 - 0 6 9 叶绿素、居住区 0 7 6 0 9 0植物长势 1 5 5 - 1 7 5土壤和植物水允 1 0 4 1 2 4云及地表温度 2 0 5 2 3 5 岩石类型 s p o r r - h r v0 5 0 一0 5 92 0 m 6 0 k m x2 6 天水色、植物状况 0 6 l o 6 82 0 m6 0 k m 叶绿素、居住区 0 7 9 - 0 8 92 0 m 植物长势 0 5 1 - 0 7 31 0 m制图 n o a a v h r0 5 8 - 0 6 81 1 k m2 4 0 0 1 a n0 5 天 植物、云、冰雪 。 r0 7 2 - 1 1 0 植物、水陆分界 3 5 5 3 9 32 4 0 0 1 a n热点、夜间云 1 0 3 - 1 1 3云及地表温度 1 1 5 - 1 2 5 大气及地表温度 ( o n o s 0 4 5 - 0 90 8 2 m 1 1 k m x 1 4 天 0 4 5 - 0 5 24 m1 1 k m o 5 2 0 6 04 m 0 6 3 - 0 6 94 m 0 7 6 - 0 9 04 m 近几年，航天技术、传感器技术、控制技术、电子技术、计算机技术及通讯 9 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 技术的发展，大大推动了遥感技术的发展。而遥感技术的发展揭开了人类从外层 空间观测地球，探索宇宙的序幕。在人类即将迈入2 l 世纪之际，各种运行于空 间、翱翔于空中的遥感平台连续不断地在多尺度上对地球进行着观测，各种先进 的对地观测系统源源不断地向地面提供着丰富信息源。遥感影像数据以其特有的 特点和优势，已成为了数字地球的重要数据来源，并在陆地水资源调查、土地资 源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古 调查、环境监测和规划管理等各个领域中得到了广泛的应用。 2 1 3 d e m 基础 数字高程模型( d e m ) ，通常是指定义在x 、y 域离散点( 矩形或三角形) 上以 高程表达地面起伏形态的数字文件 4 1 。这里，高程可以看作是地理空间中的z 坐 标。考虑到传统的二维地理信息系统不是那么直观，无法给我们以整体的认识， d e m 的建立是极其必要的。 1 d e m 的表示方法 d e m 的表示方法有两种：数学方法和图形方法。 数学方法 用数学方法来表达，即采用拟合的方法。拟合的方法有两种：整体拟合、局 部拟合。整体拟合方法，也就是根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高 次多项式拟合统一的地面高程曲面；局部拟合方法，也就是将地表复杂表面分成 正方形规则区域或者分为面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，然后再根据 有限个点进行拟合形成高程曲面。 图形方法 图形方法，即采用线模式或点模式来处理。线模式就是我们通常意义上的等 高线，它可以方便的反映地面高程的信息。点模式则是通过数据采样中离散的采 样点来建立d e m ，这里的采样可以采取规则网格采样或不规则采样。 2 d e m 的主要表示模型 在地理信息系统中，d e m 主要有三种表示模型是：规则格网模型，等高线模 型和不规则三角网模型。 规则格网模型 规则网格，通常是正方形、矩形、三角形、菱形等形状的网格。通过它，我 们可以把d e m 分为规则的区域，每一个区域对应一个数值。这里的每一个区域 都代表是一个网格，我们可以用矩阵来描述整个模型。 对于每一个格网的数值有两种解释：格网栅格观点，点栅格观点。前者是采 用离散的观点把该格网中所有的点都当作是同一个值，当然这个值是任意选定 l o 浙江工业大学硕士研究生学位论文虚拟森林火场的技术研究和场景建模 的，它可以看作是该格网中规则网格的随机取值；后者则是采用均值的观点，即 把该格网中所有的规则网格取均值作为该格网的高程值。 规则格网的高程矩阵可以方便的在计算机上进行运算，特别是基于栅格数据 结构的地理信息系统。但是，格网d e m 也存在一定的局限性。首先无论是采用 同一的值还是采用均值，它不能准确的表示地形的结构和细节；其次，如果对该 格网d e m 取得过细，会存在数据量大，难以处理的问题。这时就需要对数据进 行压缩，当然如果数据比较均匀时压缩便于处理，但是如果对于起伏较大的地形 则需要压缩每一个点的内容。 等高线模型 等高线模型则是采用等高线和他的高程值来处理地形的地面高程模型。它可 以看作是一个带有数据的弧段，考虑到等高线值只是离散的表示区域中的高程 值，它并不能表现所有区域中的高程值。所以，我们需要对两条等高线之间的区 域进行插值计算。 在计算机中，我们可以用用二维的链表或图来处理等高线模型。前者分别存 储每一条等高线的坐标、高程值和指向另一条等高线的指针；后者则是用图来表 示等高线的拓扑关系，将等高线之间的区域表示成图的节点，用边来表示等高线 本身。此方法满足等高线闭合或与边界闭合、等高线互不相交两条拓扑约束。这 类图可以改造成一种无圈的自由树。 不规则三角网( t i n ) 模型 对于规则格网，如果地形比较平坦会存在大量相同高程的数据；如果地行使 区域性的，即有的地方平坦、有的地方陡峭，这时采用相同的格网要么造成数据 冗余要么无法反映复杂地形的变化。总之，该方法还存在很大的弊端。 t i n 模型是采用有限点集来划分区域的三角面网络，它把整个区域划分为相 连的三角面块，该点可以落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点 上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到( 在边上用边的两个顶点的高程， 在三角形内则用三个顶点的高程) 。 格网d e m 的数据存储方式相对于t i n 来说比较简单，前者指存储每个店的 高程、平面坐标、节点的指针