基于GIS的森林火场模拟关键技术研究

摘要

森林是人类宝贵的物质资源，在森林火灾发生时，为了尽快发现火情，及早扑灭火灾，做到“打早、打小、打了”，需要及时掌握火点周围基本情况，才能对火势发展进行准确预测和模拟。本文以伊春红星林业局二皮河林场为主要研究对象，针对目前GIS系统涉及的一些关键技术算法进行了深入的研究，提出了新的改进算法和实现途径，推动了森林火场GIS系统的深入发展。本文主要研究了以下4个方面内容:
　　(1)基于多特征相融合和支持向量机的森林火场识别技术
　　针对森林火场的快速识别采用了新的颜色特征提取方法，融合图像的颜色、纹理和形状特征作为图像的特征向量，并用支持向量机作为学习工具。利用已有森林火场的图像数据进行学习，提高森林火场自动识别的准确率。实验结果表明，基于HSV空间的18色非均匀量化算法，与传统166色和36色算法相比，特征维数和计算量都减少了，但检索效率却提升了0.6％，适用于森林火场的快速识别。设计编写了森林火点图像识别系统，此系统具备基本的特征提取、融合、标注、识别、SVM和数据维护等功能，在应用中取得了较好的实施效果。
　　(2)森林火场三维地形简化算法
　　深入研究了当前主流的三维地形简化算法，并对这些地形简化算法进行分析比较。对基于视点的混合结构四叉树地形简化算法进行了改进，构建了基于四叉树结构的多分辨率纹理模型和基于四叉树结构的空间索引，形成了一整套基于四叉树结构的森林火场三维地形数据建模和纹理映射的高效处理方案，使得森林火场的三维漫游速度提升了近2倍。
　　(3)基于GPU技术的三维地形模拟
　　结合前面的三维地形简化技术，使用Chunked LOD算法，实现了基于GPU技术的森林火场三维地形模拟，充分发挥了GPU的并行运算能力，与传统采用CPU计算方式相比，减少了在计算方面的投入费用，提高了森林火场三维地形的绘制效率。
　　(4)林火蔓延模型及其算法改进
　　重点研究了可燃物、地形坡度和气象条件等影响因子对森林火场的影响，通过对比分析目前常用的几种林火蔓延模型特点和适用范围，提出了一种基于王正非林火蔓延模型的改进算法，并引入元胞自动机技术，实现了基于元胞自动机的林火蔓延模拟，且在实验中加以验证。
　　本文以伊春红星林业局二皮河林场为主要研究对象，提出了一整套以火点定位、三维地形简化和林火蔓延为主线的解决方案，有力的推动了我国森林火场模拟系统的发展，具有一定的研究和应用价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 火点定位

1．2．2 三维地形简化技术

1．2．3 GPU在三维地形模拟上的应用

1．2．4 林火蔓延模型

1．3 主要研究内容

1．3．1 基于多特征相融合和支持向量机的森林火场识别技术

1．3．2 森林火场三维地形简化算法与纹理映射算法

1．3．3 基于GPU的三维地形模拟

1．3．4 林火蔓延模型及其算法改进

1．4 本文的组织和安排

2 基于多特征相融合和支持向量机的森林火场识别技术

2．1 目前主要的林火监测识别方法

2．1．1 卫星监测

2．1．2 航空林火巡护

2．1．3 人工地面巡护

2．1．4 基于无线传感器网络的林火监测识别

2．1．5 近地面视频图像监测

2．2 森林火场图像的颜色特征提取

2．2．1 典型的颜色特征

2．2．2 颜色空间

2．2．3 颜色直方图

2．2．4 基于HSV颜色空间的传统量化算法

2．2．5 基于HSV颜色空间的18色量化算法

2．3 森林火场图像的纹理特征提取

2．3．1 灰度共生矩阵方法

2．4 森林火场图像的形状特征提取

2．4．1 形状特征的提取方法

2．5 基于森林火场图像的多特征相融合

2．6 采用支持向量机对图像进行分类

2．6．1 SVM基本原理

2．6．2 基于SVM的图像分类器的构造

2．6．3 林火图像语义标注算法

2．7 实验与分析

2．7．1 颜色特征提取实验

2．7．2 火场图像的特征识别系统

2．7．3 基于SVM的图像语义自动标注实验

2．8 本章小结

3 森林火场三维地形简化算法

3．1 数字地形模型

3．1．1 数字地形模型的表示方法

3．2 地形LOD模型算法

3．2．1 层次结构的LOD模型算法

3．2．2 树形结构的LOD模型算法

3．2．3 改进后的四叉树算法

3．2．4 基于视点的混合结构LOD模型算法

3．2．5 关于LOD模型中裂缝的修正算法

3．2．6 实验数据与实施条件

3．2．7 实验与分析

3．3 多分辨率纹理模型生成算法

3．3．1 Mip-map算法

3．3．2 Clip-map算法

3．3．3 与视点相关的多分辨率纹理模型

3．3．4 基于四叉树结构的多分辨率纹理模型

3．3．5 基于四叉树的纹理调度

3．3．6 纹理内存释放

3．3．7 多分辨率纹理映射算法

3．3．8 实验与分析

3．4 三维空间索引

3．4．1 网格索引

3．4．2 R树索引

3．4．3 基于改进的四叉树结构索引

3．4．4 实验与分析

3．5 本章小结

4 基于GPU的三维地形模拟

4．1 GPU技术

4．1．1 CPU和GPU

4．1．2 GPU的构架

4．2 CUDA技术

4．2．1 CUDA线程模型

4．2．2 CUDA存储模型

4．3 基于GPU的LOD地形绘制

4．3．1 Chunked LOD算法

4．3．2 节点数据结构

4．3．3 四叉树遍历

4．4 本章小节

5 林火蔓延模型及其算法改进

5．1 森林火灾类型和林火热量的传播方式

5．1．1 森林火灾类型

5．1．2 林火中热量的传播方式

5．2 森林火灾影响因子

5．2．1 可燃物

5．2．2 地形坡度

5．2．3 气象条件

5．3 林火蔓延模型

5．3．1 Rothermel模型

5．3．2 澳大利亚McArthur模型

5．3．3 加拿大林火蔓延模型

5．3．4 理想火场卵圆方程

5．3．5 物理模型

5．3．6 王正非林火蔓延模型

5．3．7 林火蔓延模型选择

5．4 基于王正非林火蔓延模型的改进

5．5 实验与分析

5．6 基于元胞自动机的林火蔓延模拟

5．6．1 元胞自动机

5．6．2 基于元胞自动机的林火蔓延模拟

5．7 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间的学术研究

致谢

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