基于元胞自动机的崂山林火蔓延模拟

采用流行的林火蔓延模型结合元胞自动机理论,对崂山地区进行了给定气象、地形等参数条件下的林火蔓延情况模拟,模拟过程综合考虑了林火在地形、风、植被等因素影响下的蔓延扩散速度及元胞燃烧状态,最后对模拟蔓延结果的可靠性进行了分析.     

一种改进的林火蔓延模型及其实现

为了研究林火蔓延的动态模拟问题,结合元胞自动机原理,对现有的林火蔓延数学模型进行改进,提出一种新的模拟林火蔓延模型。该模型充分表达了可燃物类型、温度、湿度、坡度、风速和风向等林火蔓延影响因子在元胞空间中的作用形式,通过求解出燃烧元胞向摩尔(Moore)型邻域中八个方向元胞的林火蔓延速度,来确定元胞状态演变规则函数。最后,利用地理信息系统二次开发技术将该模型表达成计算机算法,实现了不同条件下的林火行为的仿真模拟。     

林火风险、过程与评估遥感模型与方法研究

世界范围人口数量的急剧增长及人类社会的快速工业化,导致森林生态系统的安全性面临严重威胁。特别是由于人为因素、全球气候变化和政府政策等多种因素共同导致的森林火灾在全球范围内频繁爆发,对森林生态系统和人民生命财产的安全产生着重要影响。因此,基于遥感模型与方法,开展森林火灾风险、过程与评估的相关研究,揭示其时空特征规律,进而制定合理、有效的森林火灾防控和管理措施,已成为本领域当今全球相关研究人员共同面临的科学挑战之一。为此,本文在深入分析目前常规林火风险预测方法相关研究进展的基础上,构建了定量集成基于遥感数据多种指标变量的林火风险预测方法;在传统元胞自动机理论框架下,提出适用于多特征区域林火蔓延过程模拟的元胞自动机模型;在分析目前单时相、差分、相对差分类型光谱指数精度的基础上,构建了基于地表温度和植被特征的新型林火烈度综合评估指数,并从提高林火烈度空间分布制图精度的角度,构建了基于支持向量回归的林火烈度空间分布制图模型。以期为相关的科学研究和应用管理提供一定的理论基础和决策支持。     

地理特征元胞自动机及城市土地利用演化研究

将综合了几何和非几何属性的地理特征概念引入元胞自动机，构建了地理特征元胞自动机概念模型。通过对深圳特区土地利用演化的实证研究表明，地理特征CA可以更真实地描述元胞地理信息、局部空间关系和演化规则，理论上是可行的；基于地理特征的城市土地利用演化CA在城市规划中具有很大的应用价值。     

一种耦合元胞自动机的改进林火蔓延仿真算法

针对传统林火蔓延仿真模型在模拟大范围森林火灾时误差大和效率低的问题,对文献[10]的林火模型添加时间修正来提升林火蔓延模拟的准确性,提出耦合地理元胞自动机模拟林火蔓延过程的仿真算法。分析了元胞自动机时间步长对模拟精度的影响,优化时间步长选择,提高了模拟大规模森林火灾的精度及效率。以模拟2006年5月大兴安岭林区森林大火蔓延过程为例验证本算法,发现地理元胞自动机算法中时间步长取整个元胞完全燃烧所需时间的1/8效果最好,林火蔓延模拟结果与实际TM影像解译的火情时空一致性较高,Kappa系数平均为0.6352,准确率平均为87.89%。算法可用于实际林火蔓延过程的重现及趋势预测,且算法可逆。     

利用元胞自动机计算河道槽蓄量

构建基于元胞自动机的河道水流漫延模型,在该模型中针对河道地形特点处理边界问题,基于水力学中的曼宁公式构建模型局部转换规则,并利用元胞自动机的模拟空间复杂系统动态演变能力的特点,模拟了水流由上断面向下断面流动的动态过程,形成符合上下断面水位的水面,进而计算河道槽蓄量.实验结果表明,把元胞自动机模型引入水文领域计算河道槽蓄量的方法具有可行性.     

基于CA模型的3维虚拟城市构建方法研究

结合城市元胞自动机(CA)方法和虚拟现实(VR)技术,构建一个基于元胞的3维虚拟城市.首先建立基于元胞实体数据结构的城市CA模型,用以表示3维虚拟城市中建筑物的平面分布状态.通过CA模型生成一组城市建筑物的时空分布数据.然后利用DEM和DOM数据生成一个真实的3维地形,建立了不同种类的3维建筑模型库.最后通过程序调入城市3维建筑模型,根据元胞实体属性将模型布设于3维地形的相应位置,生成3维虚拟城市.

Abstract：

This paper unified the urban cellular automata method and the virtual reality technology to construct a three-dimension (3D) virtual city which was based on automata. First, constructing an urban CA model that is based on the data structure of cellular entities can present the plane distribution state of the building in the 3D virtual city. The CA model was used to compute a group of temporal layout data of buildings in the virtual city,Then,DEM and DOM data were used to generate real three-dimensional terrain and produce different type library about 3D building model. Finally, The program was used to load and lay the 3D buildings to the corresponding position in the 3D virtual terrain to obtain a 3D virtual city, according to the cellular entity attribute.     

基于灰色局势决策规则的元胞自动机城市扩展模型

对标准的元胞自动机模型的元胞含义、规则定义等进行了扩展，探讨了元胞自动机模型与多目标灰色局势决策、层次分析方法有机结合。构建基于灰色局势决策、层次分析法与元胞自动机的城市空间动态扩展模型，并以海南省琼海市为例进行了验证。     

海上距离元胞自动机分析法

针对障碍存在情况下距离变换研究较少的问题,提出了一种基于元胞自动机的绕障欧氏距离变换方法。以南海为例,基于海陆分布数据和目标点数据,以最短绕障路径长度为元胞状态,设计了包含距离算子的元胞状态转换规则。通过元胞自动机模拟距离扩散计算过程,得到绕障距离变换结果,并分析了绕障效果和精度。结果表明:本文方法动态直观地展示了绕障距离变换过程,能够自动计算绕过障碍的最短距离;具有更新机制,能够根据邻域的变化修正状态值;为绕障距离变换问题提供了一种近似的解决途径,错误率低于3.96%,可应用于航线设计、海上救助等领域。     

元胞空间分区及其对GeoCA模型模拟精度的影响

采用双约束空间聚类方法对元胞空间进行分区,在此基础上对不同的分区分别求取元胞转换规则,从而提高 元胞自动机的模拟精度。以杭州市土地利用变化为例,采用本文提出的基于双约束空间聚类的分区元胞自动机模型对 研究区域2000年—2005年的土地利用变化进行模拟,并利用逐点对比法和Moran I指数对模拟结果进行精度评估。结果 表明：(1)采用双约束空间聚类算法对元胞空间进行分区,可以保证同一分区内的元胞既在空间上邻近,又具有相对一 致的非空间属性信息,分区效果较好;(2)与不分区元胞自动机模型和基于空间聚类的分区元胞自动机模型相比,双约 束空间聚类元胞自动机模型具有较高的模拟精度,尤其是在空间形态和整体结构上具有较好的模拟效果。     

耦合Rothermel模型与粒子系统的林火蔓延模拟方法北大核心CSCD

科学准确地模拟分析森林火灾蔓延动态对防灾减灾救灾工作具有重要意义。现有的林火蔓延模拟方法在林火蔓延计算和可视化表达上,耦合程度低且难以将动态物理模型计算结果实时可视化表达。针对这一问题,本文在综合考虑国内外各种火灾蔓延模型优缺点的基础上,选取应用广泛的Rothermel模型作为物理模型。通过惠更斯理论优化了火灾演进范围边界点割裂的不足,采取着火点密度阈值控制种子点数量与模拟可视化效率的平衡;利用布尔运算提高多着火点蔓延范围计算效率,将火灾模型与Open Scene Graph的粒子系统进行紧密耦合,完成火灾演进可视化表达。本文方法实现了对森林火灾蔓延的精确计算和实时、逼真模拟,为灾害应急部门提供信息化支撑。     

地类扩散模型在徐州市火灾风险评价中的应用

城市区域火灾风险评价是城市消防资源优化配置的基础,本文在研究火灾风险影响因素与空间及地类关系的基础之上,将GIS技术引入城市火灾风险评价领域,构建了基于地理网格的地类火灾风险扩散模型。并以徐州市区为例,通过对各影响因素的空间地类阻隔扩散分析与叠加分析,得出任意分辨率网格的火灾风险等级,为未来城市的火灾预警与资源优化提供一种新的思路。     

森林火灾后生态变化遥感监测评价模型的构建方法研究

通过攀西林区云南松林的一系列旧火烧迹地的更新恢复和生态变化的遥感调查，对各生态因子的空间分布特征及生态变化的影响规律进行分析，确定了评价因子（变量）及其评价标准，利用遥感信息，以及地形、土壤、林分和林木受害程度等要素的８个因子的模糊综合评判结果和火烧年限等为变量，通过多组数据的多元统计分析，建成森林火灾后生态变化遥感监测评价模型，经野外调查结果验证分析，达到了预期的攻关目标。为使该模型能适应森林生态遥感监测运行系统的需要，对各监测因子数据的获取、植被指数的提取等方面进行了深入的方法探索。     

Fire danger assessment in Iran based on geospatial information

Fire danger assessment is a vital issue to alleviate the impacts of wildland fires. In this study, a fire danger assessment system is proposed, which extensively uses geographical databases to characterize the spatial variations of fire danger conditions in Iran. This assessment requires three steps: (i) generation of the required input variables, (ii) methods to integrate those variables for creating synthetic indices and (iii) validation of those indices versus fire occurrence data. This fire danger model is based on previous works but adapted to Iranian conditions. It includes an estimation of the fire ignition potential (both considering human and climatic factors) and fire propagation potential. The former was generated from a logistic regression approach based on a wide range of input variables. The fire propagation probability was estimated from the Flammap fire behavior model. A first stage for validation of our fire danger system was based on comparing the estimated danger values to actual fire occurrence, based on satellite detected active fires and burned areas. The logistic regression model for fire ignition probability estimated 72.7% of true ignitions. Detected hotspots occurred more frequently in areas with higher fire ignition probability (average value: 0.65) than non hotspots (average value: 0.4). Propagation probability showed higher values for areas with higher proportion of burned area (r = 0.68, p < 0.001).     

利用排水区间计算城市暴雨积水

提出了给定淹没水量条件下基于流域排水区间分布的城市暴雨积水过程计算模型。该模型针对城市暴雨积水过程的形成机理和特点提出了两个基本假设,以各积水淹没源的空间分布特征规律为依据将城市流域划分为若干个排水区间,并将排水区间作为积水淹没计算的基本单元。为了保证计算的效率,根据流域地形起伏分布状况,该模型将各个排水区间内的空间区域范围简化为一个规则几何体,并结合体积法和多种漫流计算思想模拟暴雨积水在各排水区间内部和淹没源点之间的漫延过程。实验结果表明,该模型高效、可行,对流域资料要求较低,在信息不完备条件下的城市暴雨积水模拟中具有一定的应用价值。     

基于MODIS数据的火险潜在指数（FPI）及其应用研究

死、活可燃物含水率大小决定森林点燃的难易度,是判断林火能否发生、进行林火预报的重要因子。本文应用火险潜在指数（FPI,Fire Potential Index）模型,从这2个方面分析研究可燃物湿度对林火发生的影响。利用MODIS遥感数据提取FPI模型所需因素（气象数据： 相对湿度、温度; 植被数据： 10 h时滞可燃物湿度、归一化水分指数、植被绿度）,并将获得的2004年10月黑龙江省和2008年3月南方几省的气象、植被数据输入FPI模型,得到火险指数和火险等级划分。实践证明,应用该模型能够提高火险在时间和地理分布上的预报能力及预防技术。     

运用Delaunay三角网提取OpenStreetMap主干道多边形

众源开放街道地图(OpenStreetMap,OSM)作为志愿者地理信息的典型代表,其数据质量制约了城市主干道提取。为此,引入约束Delaunay三角网,运用类似Voronoi图的空间等剖分几何构造表达道路线密度,通过线密度变化与三角形边长表征主干道形态特征,并集成两个指标构建主干道识别模型;类比林火蔓延扩展过程,提出了基于Delaunay三角网的OSM主干道多边形提取方法。运用5个城市的OSM数据进行实验,结果表明,该方法能有效提取主干道多边形,并且与OSM路网中的道路等级属性趋于一致。     

地图内容质量特征和数量特征概括的数学模型

在分类的定义下,根据概念外延的包含关系,给出了质量特征概括的数学模型。在定义数量的基础上,推导出级距概念,并根据两个不同级距的偏序集中大级距子集包含多个小级距子集的关系,给出了数量特征概括的数学模型。本文给出的地物质量特征和数量特征概括的数学模型,可对地图编制过程中诸如随地图比例尺缩小而缩减分类,扩大级差等经验事实,作出定量的描述和理论阐释。     

Do Factors Causing Wildfires Vary in Space? Evidence from Geographically Weighted Regression

This paper describes the results of a geo-statistical analysis carried out at the provincial level in Southern Europe to model wildfire occurrence from socio-economic and demographic indicators together with land cover and agricultural statistics. We applied a classical ordinary least squares (OLS) linear regression together with a geographically weighted regression (GWR) to explain long-term wild-fire occurrence patterns (mean annual density of >1 ha fires). The explanatory power of the OLS model increased from 52% to 78% as a result of the non-constant relationships between fire occurrence and the underlying explanatory variables throughout the Mediterranean Basin. The global model we developed (i.e., OLS regression) was not sufficient to fully describe the underlying causal factors in wildfire occurrence modeling. Indeed, local approaches (i.e., GWR) can complement the global model in overcoming the problem of non-stationarity or missing variables. Our results confirm the importance of agrarian activities, land abandonment, and development processes as underlying factors of fire occurrence. The identification of regions with spatially varying relationships can contribute to the better understanding of the fire problem, especially over large geographic areas, while at the same time recognizing its local character. This can be very important for fire management and policy.