基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真
基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真 地理信息系统东北林业大学学报第36卷表4地形阻尼系数蔓延算法就显得较粗糙。边界外延算法计算量大,主要体现下山火上山火在排序、査找方面,可以通过减少这方面的计算量而达到提高坡度/(°)阻尼系数K2坡度(°)阻尼系数K2速度的目的。边界外延算法与迷宫算法的结果完全一样,但42~0.0738~421750从编程的角度看,迷宫算法较易实现,而且速度不是很慢,所0.1333~371010以在文中采用迷宫算法。28~30.3223~2722~-180.4618~22NWNNE-17~-130.63火点E0.830.90SESE-2~21.003林火蔓延模拟算法分析与选择图2林火的蔓延方向31边界插值算法4林火蔓延的计算机仿真与实现边界插值算法基于栅格数据,它对于火场边界的计算是林火蔓延的计算机仿真主要分为4个步骤:第一、建立林通过插值的方法来实现,它只计算从初始火点出发的8个方火蔓延的空间背景数据库,其空间背景数据库包括可燃物类向,森林起火后,火源点向8个方向蔓延,分别为正东、正南、型数据、坡度数据、高程数据,并且它们要以栅格数据形式存正西、正北和东南、东北、西南、西北。设火点的位置为行列号储,因为文中研究的林火蔓延仿真基于棚格数据结构;第二、(讠),各方向上只计算从火源点出发的该方向上的栅格,其把王正非的数学林火蔓延模型转换为计算机模型;第三、根据余栅格不计算。当各方向上的计算时间超过给定的林火蔓延输入的起火点的位置坐标,蔓延时间、风速及方向,在背景数时间时,就停止计算,并记录下各方向的栅格行列号,再反映据库之上对火场扩展进行动态模拟显示;第四、计算林火的蔓到具体地形上,则可得到火场状况的直观表示,再依据这8个延面积及火线周长等数据。具体流程如图3所示。终结点进行插值运算,形成封闭的火场边界。空间背景数据库32边界外延算法坡边界外延算法从火蔓延所具备的两个特性(时间和空间)出燃度程发来考虑,在假设没有二次燃烧等情况下,林火表现为从已燃区物向未燃区延烧的性质,它反映为林火在地理位置上的变化和时间的延续上,林火燃烧的路径总是遵循在诸多可到达的路径中选择林火蔓延模型最快到达的那一条,因此,它的路径并不一定是空间上的最短路(王正非林火蔓延模型)径。边界外延算法乜是基于栅格数据的蔓延算法,实施此算法的步骤是:记录每次加入一新的起燃栅格后形成的林火边界,在可像元起火特征计算机与数学知识蔓延边界相邻栅格集合中,搜索其各方向上所需时间最短的栅火点坐标蔓延时间格,并以此栅格作为下一个引燃栅格;对此栅格进行林火边界的风速风句林火蔓延计算机模拟判断,同时对该栅格的加入所导致的原有边界集合的变动作调整,然后再进入下一步循环,直至满足模拟时间为止。火场扩展图统计和计算火场动态模拟33迷宫算法图3火场蔓延的计算机仿真流程迷宫算法以栅格数据为基础,以火点为起点,从正东起沿41试验区空间背景数据库的建立顺时针方向,其八方邻位可表示为:E、 SE S SW、W、N、NNE。每一点向外扩散有8个方向的选择,如图2所示。从正釆用栅格数据进行林火蔓延模拟仿真,即将G丶中所输东开始,沿顺时针方向检测,每探测到某一方向,计算累积时入的矢量的图形数据(地形图、林相图等)转换成栅格数据,间∑t。若∑t小于给定的扩展蔓延时间T,且该方位没有走因此、模拟的过程就是对所有的栅格点处理的过程,每个栅格点所代表的长和宽(分辨率)越小,模拟的精度越高。考虑到过或是原先累积时间大于∑t就沿此方向走一步,并记下所数据的处理及计算机计算的速度,每一图形数据的栅格化都走的路径和方位,存放在堆栈或库中,同时将累积时间修改为∑t累积时间可用二维数组存放,初值置为零。如果探测到釆用30m×30m栅格精度。试验区背景数据库的建立主要某一方位四周的∑t值均大于或等于T,则退回一步重新检测需要3种专题数据分别为高程数据、坡度数据、可燃物类型数据。其中:前两种专题数据是利用现有的帽儿山数字等高线下一个方位,当初始火点四周的8个方位都已检测完毕,则蔓数据,通过 a rcv iew的3扩展模块生成;可燃物类型数据通延过程结束。最终二维数组中所存放的累积时间∑t均小于过帽儿山数字林相图进行再分类获得,并将可燃物类型数据转化是满足条件的像元集合,它们所形成的集合反映在图像当中为(RD栅格形式存储。文中所应用到的数据如表5所示。就是模拟的火场表5栅格数据34算法的选择名称数据格式数据类型描述边界插值算法不考虑蔓延过程中每个起燃栅格向8个邻 V ege tation ESR IGR D NTEGER可燃物类型数据格蔓延的可能,因而计算较简单,但是此算法人为地简化了林ElevationESR IGR DNTEGER高程数据火蔓延的复杂性,对于大范围的地形变化较复杂的地区,林火ShESR I GRⅢN TEGER坡度数据C1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net第9期毛学刚等:基于G模型的林火蔓延计算机仿真4142林火蔓延速度的计算难,因为不管用何种方法,都回避不了对可燃物、气象和地形在进行蔓延计算前,需婁先形成速度图文件,在林火蔓延的等因素的考虑,因而,火场蔓延模型的建立非常重要。文中结计算机仿真中最基夲的是林火的蔓延速度,通过速度图文件,可合帽儿山的实际情况建立了火行为的蔓延模型,并以Ⅴ isual以直观地得到可燃物蔓延速度的情况。形成速度图,具体来说,C++60为主要可视化开发厂具,采用先进的COM技术,成是对通过GS获得的各种薮据(可燃物类型数据、髙程数据和坡功地实现了基于G丶模型的林火蔓延计算机仿真度数椐)逐点进行处理,通过栅格的行列号得到栅格图像上与行目前的林火蔓延模型都是针对林火的始发阶段,今后对列号相对应的点的属性值,如可燃物类型、高程、坡度等信息,然森林大火和特大火的模型硏究将成为重点。林火蔓延模拟的后根据所选王正非蔓延模型并考虑实时参数,如发生火灾时的风研究也将向三维、立体的方向发展。随着对林火研究的深入,向、风速等信息计算出该点的林火蔓延速度,并将此速度值赋给也出现了一些新的林火研究方法,如突变理论、元胞自动该点这样形成的点集合在蔓延模拟中用作中间调用数据,称为机模拟林火蔓延、统计物理学方面的渗透理论、分形理速度图。速度图的生成由Ⅴ ialc++60编程实现。论2等,它们与计算机技术的结合必将对林火蔓延的研究做43林火蔓延动态显示出贡献。林火蔓延的动态显示是林火蔓延仿真中最关键的一步,参考文献主要利用Ⅴ isual c++60编程实现,其主要过程为:第一、从背景数据库中读入可燃物类型和高程数据;第二、根据输入的「1]黄作维.基于G和RS的林火行为预测研究[J西北林学院学报,20621(3):94-97风向、风速参数,利用王正非林火蔓延模型计算岀林火的蔓延「2」朱煌武,朱霁平,谢庆胜,等.基于地理信息系统的森林火灾救速度;第三、将计算结果在空间背景薮据库上输出。动态模拟辅助决策系统的研究[J.自然灾害学报,19998(1):60-70不同风向、风速的结果,如图4所示。[3 PerryG M, Sparrow A D, Ow ens I F AGs- supported modelbr the simu lation of the spatial stru cture of w iH land fire Cass barsin New Zealnd[ J]. Jou n al of a pp lied E coby, 1999 36(4)50-5184] Weber rα唐世敏.野火蔓延的数学模型[J力学与实践,199214(2):1-12I5 Rothemelr c. a m athem atical m odel for p red ct ng fire spreadw iH land fuels[R]. USDA: Forest Service R esearch Paper 1972113-115[6]毛贤敏.风和地形对林火蔓延速度的作用[小应用气象学报,1993,4(1):100-1047]温广玉,刘勇.林火蔓延模型的数学应用[J东北林业大学学报,19422(2):31-368]郑焕能,胡海清.东北东部山地可燃物类型的研究[J.森林防火,1990(4):10-13「9]钟茂华,范维澄,王清安.林火蔓延突变形态的模拟实验研究[J.自然科展,200010(4):330-353图4不同风速和风向的林火蔓延10]邬伦.地理信息系统一原理、方法和应用[M]北京:科学出版社,2000241-2465结论与展望「1]姚树人,火灾模型和辅助决策系统的现代发展[J.森林防火,1994(12):59-62从林火蔓延的硏究看,目前要做到精确的预测还比较困12]薄颖生,韩恩贤,韩刚,等.森林火灾自相似性质及其在林火管理中的应用研究初探[小森林防火,1997(3):20)-22perenne la l( Rannunau hus repe").I:wha"为adma[21李根前,黄宝龙,唐德瑞,等毛乌素沙地中国沙棘无性系生长(上接32页)10 Lovett Dous tL Popu at in dynam cs and spec ia ization格局与生物量分配[J西北农林科技大学学报:自然科学版m e2001,29(2):51-55con trast ing hab ita ts[J. Joumal ofe cology,1981.69743-7552李根前,赵粉侠,李秀寨,等.毛乌素沙地中国沙棘种群数量动11 Lovett Dous tL Popu ht on dynam is and chn al specialization in a态研究[J.林业科学,2004,40(1):180-184canal perens ial( Ranuna hus repens).l: responses to light and[23]贺斌,李根前,高海银,等.不同土壤水分条件下中国沙棘克险nu trient supply[ J]. Joumal of e co logy, 1987, 75 555-568生长的对比研究[J.云南大学学报:自然科学版,200729[12]王昱生,盖晓春.羊草无性系植物种群觅养生长格局与资源分(1):101-107配的研究[J植物生态学报,1995194:293-30124]贺斌,李根前,李周岐,等.木本克隆植物中国沙棘种群数量与13] Luo XG, DongM. A rch itec tu re p last city in response to soil mo is结构对土壤水分的响应[小西北农林科技大学学报:自然科hu re n the s tlon ife rou s herb Duchesnea ind iaa[ J. A cta Botan ica学版,2007,35(3):183-187Sinica200244(1):97-10025]赵成义,宋郁东,王玉潮,等.几种荒漠植物地上生物量估算的[14]刘庆,钟章成无性系植物种群生态学研究进展及有关概念初步研究[J应用生态学报,200415(1):49-52生态学杂志,19514(3):40-4「26刘佩勇,张庆灵,杨允菲松嫩平原朝鲜碱茅无性系种群构件生物5]刘庆,钟章成斑苦竹无性奈生长与水分供应及其适应对策的量结构及相关模型分析[小应用生态学报,20415(4):543-548研究[J.植物生态学报,199620(3):245-254I 27] A lpert P. N itrogen sharing am ong ram ets ncreases clonal grow th i[16]岳春雷,汪奎宏,何奇江,等.不同氮素条件下雷竹克隆生长的Frag aria chiloe sis[ J. Ecog y, 1991 72: 69-80比较研究[J.竹子研究汇刊,200221(1:38-40I 28 Evans JP. The effect of bcal resou Ice a vailab ility and clonal inte-[17]杨在娟,岳春雷,汪奎宏.光照强度对竹无性系生长的影响gration on ram et fun ct ina I m orphobgy in H ydroco le bonarien sisJ.0 eco log ia199289265-276I18」陈玉福,董鸣.毛乌素沙地根茎灌木羊柴的基株特征和不同生境中29董鸣.异质性生境屮的植物克隆生长:风险分摊[J植物生态的分株种群特征[J植物生态学报,2024(1):40-45学报,199620(6):543-54819]李根前,黄宝龙,唐德瑞,等.毛乌素沙地中国沙棘无性系生长[30] Pan JJ Price Js Fimess and evoht in n canal plan ts the mpact调节[J.应用生态学报,200,12(5):682-686of canal grow th[ J]. E volt inary Ecobgy 2002 15 583-600[》0]李根前,黄宝龙,唐德瑞,等.毛乌素沙地中国沙棘无性系种群311 Schm i b same ecological and ev oht in ary consequen ces ofm od年龄结构动态与遗传后果研究[J.应用生态学报,2001,12u ar org an iat in and chn al grow th in plants[ J]. Evoh tionaryC153432613chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAimnrigntsreservedhttp://www.cnki.net
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2011_过程控制系统_黄德先_金以慧
金以慧《过程控制系统》的新版，这本书讲的很全，虽然不一定很深入，本人没全部看完。国高等学校自动化专业系列教材学校自动化专业教学指导分委员会牵头规划t普通高等教育“+一五”国家级划教材Process Control Systems过程控制系统黄德先Huang Dexian清华大学王京春编著Wang Jingchun金以慧lin yirui清华大学出版社北京内容简介本书是作者在清华大学自动化专业多年教学和科研的总结,是在193年出版的教材《过程控制》(金以慧主编,清华大学出版社)的基础上重新编写而成的。全书系统地阐述了简单和复杂控制系统的结构、原理、设计、分析与评价·并深人剖析了两个典型生产过程控制的实例,力图从生产过程特点出发,对控制系统进行综合设计和优选。在此基础上还讨论了过程计算机控制系统,进一步介绍了几种先进控制策略,并增加了诸如间歇过程控制、整厂控制、实时最优化、过程监控等学科前沿的内容,力求反映近年来过程控制的新发展。全书从数学和物理的基本概念着手,阐述过程控制问题的本质和特点,并添加了思考题、白学部分以及自己设计实验等内容,为培养自学能力、创新思维等提供了较大的空间。本书是面向研究型大学本科生的教材,因而更强调理论与实际的结合,培养学生分析问題和解决问题的能力,注重对前沿学科发展的理解和分析。本书可作为高等院校自动控制类和相关专业的教材,并供有关科技人员参考本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售。版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据过程控制系统/黄德先,王京春,金以慧编著.一北京:清华大学出版社,2011.5(全国高等学校自动化专业系列教材)SBN978-7-30224291-8I,①过…Ⅱ.①黄…②王…③金…Ⅲ.①过程控制一自动控制系统-高等学校一教材Ⅳ.①TP273中国版本图书馆CIP数据核宇(2010)第252111号责任编辑:王一玲责任校对:焦丽丽责任印制:杨艳出版发行:清华大学出版社地址:北京清华大学学研大厦A座http:/www.tup,com,cn邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62795954,jsjjc@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn印装者:北京密云胶印厂经销:全国新华书店开本:175×245印张:41.5字数;874千字版次:2011年5月第1版印次:2011年5月第1次印刷印数:~300定价:59.50元产品编号:017419-01《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会顾问(按姓氏笔画王行愚(华东理工大学)冯纯伯(东南大学)孙优贤(浙江大学)吴启迪(同济大学)张嗣瀛(东北大学)陈伯时(上海大学)陈翰馥(中国科学院)郑大钟(清华大学)郑南宁(西安交通大学)韩崇昭(西安交通大学)主任委员吴澄(清华大学)副主任委员:赵光宙(浙江大学)萧德云(清华大学)委员(按姓氏笔画):王雄(清华大学)方华京(华中科技大学)史震(哈尔滨工程大学)田作华(上海交通大学)卢京潮(西北工业大学)孙鹤旭(河北工业大学刘建昌(东北大学)吴刚(中国科技大学)吴成东〔沈阳建筑工程学院)吴爱国(天津大学)陈庆伟(南京理工大学)陈兴林(哈尔滨工业大学)郑志强(国防科技大学)赵曜(四川大学)段其昌(重庆大学)程鹏(北京航空航天大学)谢克明(太原理工大学)韩九强(西安交通大学褚健(淅江大学)蔡鸿程(清华大学出版社)廖晓钟(北京理工大学)戴先中(东南大学)工作小组(组长):萧德云(清华大学)〔成员):陈伯时(上海大学)郑大钟(清华大学)田作华(上海交通大学)赵光宙(浙江大学)韩九强〔西安交通大学)陈兴林(哈尔滨工业大学)陈庆伟(南京理工大学)助理):郭晓华(清华大学)责任编辑:王一玲(清华大学出版社出版说明《全固高等学自动化专业系列敖材》>x为适应我国对高等学校自动化专业人才培养的需要,配合各高校教学改革的进程,创建一套符合自动化专业培养目标和教学改革要求的新型自动化专业系列教材,“教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会”(简称“教指委”)联合了“中国自动化学会教育工作委员会”、“中国电工技术学会高校工业自动化教育专业委员会”、“中国系统仿真学会教育工作委员会”和“中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科委员会”四个委员会,以教学创新为指导思想,以教材带动教学改革为方针,设立专项资助基金,采用全国公开招标方式,组织编写出版一套自动化专业系列教材《全国高等学校自动化专业系列教材》本系列教材主要面向本科生,同时兼顾研究生;覆盖面包括专业基础课、专业核心课、专业选修课、实践环节课和专业综合训练课;重点突出自动化专业基础理论和前沿技术;以文字教材为主,适当包括多媒体教材;以主教材为主,适当包括习题集、实验指导书、教师参考书、多媒体课件、网络课程脚本等辅助教材;力求做到符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要;努力创造使之成为具有先进性、创新性、适用性和系统性的特色品牌教材本系列教材在“教指委”的领导下,从2004年起,通过招标机制,计划用3~4年时间出版50本左右教材,2006年开始陆续出版问世。为满足多层面、多类型的教学需求,同类教材可能出版多种版本本系列教材的主要读者群是自动化专业及相关专业的大学生和研究生,以及相关领域和部门的科学工作者和工程技术人员。我们希望本系列教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于教学的教材或参考书,也能为广大科学工作者和工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的参考资料。感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持,并欢迎提出批评和意见。《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会2005年10月于北京序FOREWORD*3S.自动化学科有着光荣的历史和重要的地位,20世纪50年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自动化专业人才的培养。五十多年来,自动化科学技术在众多领域发挥了重大作用,如航空、航天等,两弹一星的伟大工程就包含了许多自动化科学技术的成果。自动化科学技术也改变了我国工业整体的面貌,不论是石油化工、电力、钢铁,还是轻工、建材、医药等领域都要用到自动化手段,在国防工业中自动化的作用更是巨大的。现在,世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术,比如机器人、月球车等。另外,自动化学科对一些交又学科的发展同样起到了积极的促进作用,例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展。在整个世界已经进入信息时代的背景下,中国要完成工业化的任务还很重,或者说我们正处在后工业化的阶段。因此,国家提出走新型工业化的道路和“信息化带动工业化,工业化促进信息化”的科学发展观,这对自动化科学技术的发展是一个前所末有的战略机遇机遇难得,人才更难得。要发展自动化学科,人才是基础、是关键。高等学校是人才培养的基地,或者说人才培养是高等学校的根本。作为高等学校的领导和教师始终要把人才培养放在第一位,具体对自动化系或自动化学院的领导和教师来说,要时刻想着为国家关键行业和战线培养和输送优秀的自动化技术人才。影响人才培养的因素很多,涉及教学改革的方方面面,包括如何拓宽专业口径、优化教学计划、增强教学柔性、强化通识教育、提高知识起点、降低专业重心、加强基础知识、强调专业实践等,其中构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系,编写有利于促进学生个性发展培养学生创新能力的教材尤为重要。清华大学吴澄院士领导的《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会,根据自动化学科对自动化技术人才素质与能力的需求,充分吸取国外自动化教材的优势与特点,在全国范围内,以招标方式,组织编写了这套自动化专业系列教材,这对推动高等学校自动化专业发展与人才培养具有重要的意义。这套系列教材的建设有新思路、新机制,适应了高等学校教学改革与发展的新形势,立足创建精品教材,重视实过程控制系统践性环节在人才培养中的作用,采用了竞争机制,以激励和推动教材建设。在此,我谨向参与本系列教材规划、组织、编写的老师致以诚挚的感谢,并希望该系列教材在全国高等学校自动化专业人才培养中发挥应有的作用。吴些教授2005年10月于教育部序FOREWORD《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会在对国内外部分大学有关自动化专业的教材做深入调研的基础上,广泛听取了各方面的意见,以招标方式,组织编写了一套面向全国本科生(兼顾研究生)、体现自动化专业教材整体规划和课程体系、强调专业基础和理论联系实际的系列教材,自2006年起将陆续面世。全套系列教材共50多本,涵盖了自动化学科的主要知识领域,大部分教材都配置了包括电子教案、多媒体课件、习题辅导、课程实验指导书等立体化教材配件。此外,为强调落实“加强实践教育,培养创新人才”的教学改革思想,还特别规划了一组专业实验教程,包括《自动控制原理实验教程》、《运动控制实验教程》、《过程控制实验教程》《检测技术实验教程》和《计算机控制系统实验教程》等。自动化科学技术是一门应用性很强的学科,面对的是各种各样错综复杂的系统,控制对象可能是确定性的,也可能是随机性的;控制方法可能是常规控制,也可能需要优化控制。这样的学科专业人才应该具有什么样的知识结构,又应该如何通过专业教材来体现,这正是“系列教材编审委员会”规划系列教材时所面临的问题。为此,设立了《自动化专业课程体系结构研究》专项研究课题,成立了由清华大学萧德云教授负责,包括清华大学、上海交通大学、西安交通大学和东北大学等多所院校参与的联合研究小组,对自动化专业课程体系结构进行深入的研究,提出了按“控制理论与工程、控制系统与技术、系统理论与工程、信息处理与分析、计算机与网络、软件基础与工程、专业课程实验”等知识板块构建的课程体系结构。以此为基础,组织规划了一套涵盖几十门自动化专业基础课程和专业课程的系列教材。从基础理论到控制技术,从系统理论到工程实践,从计算机技术到信号处理,从设计分析到课程实验,涉及的知识单元多达数百个、知识点几千个,介入的学校50多所,参与的教授120多人,是一项庞大的系统工程。从编制招标要求、公布招标公告,到组织投标和评审,最后商定教材大纲,凝聚着全国百佘名教授的心血,为的是编写出版一套具有一定规模、富有特色的、既考虑研究型大学又考虑应用型大学的自动化专业创新型系列教材。然而,如何进一步构建完善的自动化专业教材体系结构?如何建设基础知识与最新知识有机融合的教材?如何充分利用现代技术,适应现代大学生的接受习惯,改变教材单一形态,建设数字化电子化、网络化等多元过程控制系统形态、开放性的“广义教材”?等等,这些都还有待我们进行更深入的研究。本套系列教材的出版,对更新自动化专业的知识体系、改善教学条件、创造个性化的教学环境,一定会起到积极的作用。但是由于受各方面条件所限,本套教材从整体结构到每本书的知识组成都可能存在许多不当甚至谬误之处,还望使用本套教材的广大教师、学生及各界人士不吝批评指正关院士2005年10月于清华大学
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