【论文答辩ppt】虚拟森林环境中林火蔓延三维可视化

虚拟森林环境中林火蔓延三维可视化,姓 名： 专 业： 地图学与地理信息系统研究方向： 虚拟地理环境与数字区域模型导 师：,福州大学2011级硕士研究生论文答辩,2014 年 6 月,福建省空间信息工程研究中心,绪论,虚拟林火环境构建的理论与技术,地表火蔓延三维可视化,树冠火蔓延三维可视化,系统设计与实现,提纲,结论与展望,绪论,研究技术路线,研究背景,澳大利亚火灾2013年1月，南半球的澳大利亚由于气候变化导致高温频繁，火灾频发，数千人被迫逃离家园。,我国火灾现状国家林业局防火办提供资料表明，2013年1月至11月，全国共发生森林火灾3626起，受害森林面积1.24万hm2。,林火蔓延模拟的意义林火蔓延模拟可以弥补监控数据时间分辨率上的不足，辅助决策者提供前瞻性灭火决策。,研究目标与内容,研究目标 本研究基于林火蔓延引擎FARSITE，集成地表火和树冠火的蔓延模型和三维可视化方法，实现林火蔓延三维可视化，为灭火决策提供参考。研究内容虚拟森林环境构建蔓延过程树木与地被物的动态变化复杂情境下的地表火蔓延三维可视化树冠火蔓延三维可视化林火蔓延示范,技术路线图,虚拟林火环境构建的理论与技术,Rothermel速度蔓延模型是在大量火烧实验的基础上通过推导形成的一种半经验模型。Rothermel蔓延速度基本公式如下： 其中，R为地表火火头向前的蔓延速度（m/min）； 为反应强度（kJ min-1 m-2）； 为蔓延率； 为可燃物床层密度（kg/m3）； 为有效热系数； 为预燃热（kJ/kg）； 和 分别为风速和坡度的修正系数。,Rothermel蔓延模型原理,FARSITE林火蔓延模拟引擎,林火蔓延模拟引擎FARSITE（Fire Area Simulate）是首个集成了地表火、树冠火、飞火的蔓延模拟引擎。基于Huygens波动原理，使用椭圆波动的方法来模拟不同地形、气象和可燃物条件下的林火的蔓延过程。FARSITE包括四个子系统：,地表火子系统树冠火子系统火加速子系统飞火子系统,惠更斯波动原理在FARSITE中的应用（G.D. Richards，1990）,可燃物模型的分类,目前国内还没有一个通用的可燃物分类标准。以福州闽清县雄江镇的小班数据为依托，以Scott和Burgan在BEHAVE的基础上建立的7个类型组、40个标准可燃物模型为根本，将雄江的可燃物粗略的进行分类。,草可燃物类型,乔木下层可燃物类型,伐木-凋落物可燃物类型,乔木落叶可燃物类型,灌木可燃物类型,虚拟林火环境的构建,三维地形的构建（福州闽清雄江镇局部地区）,三维几何树木模型的构建,毛竹,木荷,马尾松,柑橘,杉木,虚拟林火环境的构建,基于OSG粒子系统的林火模拟,创建粒子系统（ParticleSystem）创建粒子模板（Particle） 创建粒子系统标准放射极（ModularEmitter）创建粒子系统编程器对象（ModularProgram）创建粒子系统更新器（ParticleSystemUpdater）,1,2,3,4,5,粒子系统的组成模块,虚拟林火环境的构建,道路模型的构建,虚拟林火环境的构建,地表火蔓延三维可视化,蔓延过程中三维树木的可视化,林火蔓延动画控制,林火蔓延动画的时间控制流程,每一个时间步长都有与之相应的闭合多边形，用iShape标识当前帧的林火蔓延边界。标识通知系统当前需要模拟的实体，进而获得相应实体的边界点信息。,蔓延过程中需要判断当前三维树木实例的燃烧状态，以确定过火后的树实例模型。,蔓延过程中三维几何树木模型实例燃烧状态判断流程图,蔓延过程中地被物的可视化,利用osgEarth:DrapeableNode的节点覆盖功能，通过颜色渲染过火区，形象地表达林火蔓延过程中过火区地被物。,节点覆盖示意图,凹多边形顶点示意图,顾及隔离带的地表火蔓延三维可视化,交互式编辑着火点与防火隔离带,交互设置着火点与隔离带空间位置流程图,蔓延边界受到隔离带阻截，隔离带所在栅格不参与计算。,顾及防火隔离带的林火蔓延对比分析示意图,根据道路的不可燃烧性或人为开辟的防火隔离带的空间分布特征，以闽江流域的水口库区以及途经闽清的316国道（路面宽度达13米）为防火隔离带，实现林火未能越过隔离带的三维模拟。,顾及防火隔离带的林火蔓延示意图,多源火点的地表火蔓延可视化,火场边界的处理,树冠火蔓延三维可视化,根据树冠火火焰强度以及遍燃型树冠火的蔓延速度为阈值进行划分，将树冠火分为三类：间歇型树冠火遍燃型树冠火独立型树冠火,树冠火概述,在特定的可燃物条件、气象条件、地形条件下，地表火将会转化为树冠火。,树冠火蔓延模型,地表火向树冠火的转化、树冠火类型的判断是树冠火研究的重点内容。,林火类型判断的流程图（BEHAVE,2004）,随着GPU技术的完善，固定渲染管线的编程方式固定，已不能满足我们的渲染需求。因此，使用可编程管线，开发人员可以自定义着色器，实现对图形的完全控制。,树冠火蔓延三维可视化技术,根据火焰高度的单株木动态渲染示意图,叶片减少原理示意图,火焰高度与粒子系统的结合流程图,树冠火蔓延三维可视化计算机实现,以福建省常见树种杉木和马尾松为例，模拟单株木树冠火的蔓延过程。,杉木,马尾松,树冠火蔓延三维可视化计算机实现,林分尺度树冠火蔓延可视化,林分场景中30分钟至45分钟内树冠火的蔓延可视化效果图,系统的设计与实现,系统实现,系统总体架构,系统功能结构,系统以闽清县雄江镇局部林相图和地形图为例，设置着火点的位置（1184622.785E、261851.144N）、模拟蔓延时间（5小时）和时间步长（1分钟），输入模拟区域的地形因子数据(海拔高度、坡度、坡向)、可燃物数据（根据林相图的优势树种类型、郁闭度、草灌层盖度等选择可燃物模型）、可燃物含水率（根据相关参考文献分别将1h、10h、100h时滞可燃物含水率设置为3%、4%、5%；活草本和木质可燃物含水率均为70%）和气象数据（假设一天中的最高温度、湿度），蔓延期间风速为9-12m/s，模拟林火的蔓延过程。,系统示范应用分析,林火蔓延过程模拟效果图,蔓延参数分析,蔓延参数分析不同降雨,过火面积：659742平方米,过火面积：145108平方米,过火面积：84639.4平方米,无降雨,降雨量为10mm,降雨量为5mm,蔓延参数分析,蔓延参数分析不同可燃物含水率,过火面积：433175平方米,过火面积：365144平方米,过火面积：296943平方米,组合一,组合三,组合二,蔓延参数分析,蔓延参数分析不同风向,过火面积：3031260平方米（风向为0）,过火面积：1793580平方米（风向为90）,过火面积：487863平方米（风向为180）,过火面积：1442210平方米（风向为270）,结论与展望,主要研究成果,采用三维几何树木模型构建虚拟森林场景。根据天然的或人为开辟的防火隔离带的空间分布特征，模拟该情境下的林火蔓延过程。同时模拟多源着火点情境下的林火蔓延过程，避免火场边界到达已过火地方仍然蔓延的错误表达，提高模拟的科学性。结合顶点着色、片元着色技术，以火焰高度为判断标准，模拟单株木树冠火在垂直