[發明專利]一種森林火災火勢蔓延預測方法及系統

在審

• 申請號: 202310424042.7
• 申請日: 2023-04-19
• 公開（公告）號: CN116415754A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 嚴懷成;黃志豪;龍正;潘亞寧;陳成成;饒凱;黨青梅;張皓;王曰英;常雨芳;陳超洋;王洪榮;徐龍
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G06Q10/063
• 分類號: G06Q10/063;G06Q50/26
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙) 34124
• 代理人: 丁瑞瑞

本發明公開了一種森林火災火勢蔓延預測方法及系統，所述方法包括：獲取林地地圖、林地地形和氣象數據信息；根據林地地圖將待預測林地劃分成若干個等面積的元胞，并按元胞為單位將獲取的信息匯總；考慮元胞所在區域的實體不可燃性對元胞狀態直接進行賦值，對于元胞所在區域存在可燃性實體的情況，基于元胞已經燃燒的面積與整個元胞的面積的比值獲取元胞狀態，考慮氣溫、相對濕度、風速、風向以及當前元胞狀態，構建預測下一時刻元胞狀態的森林火災蔓延模型；將獲取的信息輸入森林火災蔓延模型進行火災蔓延預測；本發明的優點在于：提高火災蔓延預測的準確性。

技術領域

本發明涉及火災預測領域，更具體涉及一種森林火災火勢蔓延預測方法及系統。

背景技術

森林火災是一種嚴重的自然災害，不僅會造成森林資源的損失，還會威脅人類生命財產安全和生態環境平衡。因此，及時發現和撲救森林火災是一項重要的任務。然而，由于森林地形復雜多變，氣象條件不穩定，以及人為干擾等因素，傳統的森林火災監測和防治方法存在很多局限性和挑戰。例如，地面觀測站和衛星遙感技術難以覆蓋廣闊的森林區域，并且受到云層、雨雪、煙塵等影響；人工巡查和消防隊員則需要耗費大量的時間、精力和資源，并且面臨著高風險和低效率的問題。為了解決這些問題，無人機(UAV)作為一種新型的空中平臺，在森林火災監測和防治方面顯示出了巨大的潛力和優勢。無人機具有高空視野、快速反應、低成本、易操作等特點，可以搭載多種傳感器(如紅外相機、可見光相機、激光雷達等)，實時采集并傳輸森林中的溫度、濕度、煙霧、火焰等數據，并根據數據分析判斷是否發生火災，并預測火勢的蔓延趨勢和范圍。無人機還可以配備水箱和噴頭，在接收到指令后對火災區域進行噴水滅火。通過無人機系統，可以實現對廣闊復雜的森林區域進行全方位、高效率、低風險的監測和防治。然而，無人機系統在應用于森林火災監測和防治時也面臨著一些技術難題。其中之一就是如何實現無人機在火災復雜動態環境下進行高效和安全的路徑規劃。由于風速、風向、濕度、坡度等因素會影響火勢蔓延速度與方向，導致預測結果具有不確定性與動態性；同時無人機還要考慮自身能量消耗與續航時間，以及避免與其他無人機或障礙物發生碰撞等約束條件。因此，在保證安全距離和避免碰撞等約束條件下，盡可能覆蓋更多受威脅區域，并優先處理重點區域，是一個具有挑戰性的問題，準確的預測火災蔓延趨勢，直接關乎無人機路徑規劃的路線的準確性。

通過建立擴散模型來模擬林火蔓延行為，研究林火擴散速度、方向、過火面積等行為特征，可以有效監測和響應林火的發生。早期的林火蔓延模型是以林火燃燒的物理化學過程為基礎，后來隨著計算機技術、遙感技術和地理信息技術的快速發展，林火蔓延模型開始借助這些技術進入二維甚至多維的空間模擬階段。目前有三種模型較為流行，分別是經驗模型、物理模型以及半物理半經驗模型。

經驗模型是不考慮物理機制，通過對實際數據的收集并進行統計分析建立的模型方程，具有代表性的有CFFDRS模型和McArthur模型。CFFDRS模型是通過對真實火場數據的收集、整合以及室內模擬實驗而建立的，能夠較為充分的揭示出火行為以及變化規律。但是由于該模型不考慮林火蔓延的機理以及物理本質變化，所以當使用條件與模型試驗條件有出入時，精度就會有所下降。McArthur模型能對森林火災蔓延速度進行測量以及預報，在此基礎上還能對森林火災的一些火參數及火天氣進行準確的預報，但由于該模型的野外點燒實驗相對單一，所以不具備空間異質性。

物理模型不同于經驗模型，其基于能量守恒定律以及熱傳導所建立的模型，因此更重視對機理的研究。使用廣泛的有FIRESTAR模型和ALBINI模型。FIRESTAR模型利用宏觀守恒定律建立模型，認為林火是作用在具有異質性森林可燃物上的化學反應和熱輻射流，但沒有考慮氣體和固體顆粒之間的熱力學平衡。Albini模型提出野外燃料中的火蔓延著火溫度下的穩定縱向傳播速度，其將燃料床體積視為一個均勻連續體，沒有考慮顏料顆粒的對流生態化和燃料床延伸的狀況。