通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法

1.本发明属于防灾救灾、火源定位、计算机科学等技术领域，尤其涉及一种通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法。


背景技术：

2.森林火灾是一种破坏力大，突发性强的一种常见的自然灾害。如果没有及时对其进行管理和控制，可能会造成难以估计的损失。近年来，伴随着气候变暖，火灾形势更加严峻，森林火灾频繁发生。为了减少森林火灾的损失，如何对各地区域进行风险评估；火灾发生时如何获取火场中的状态信息（火灾范围、火场强度、推进速度、火灾类型、风速风向等气象信息）；如何根据火场中实际动态参数对真实火场进行模拟扩散预测；如何在火灾发生后及时分析出火灾发生地点以及造成火灾的原因。以上对森林火灾的预防和管理都有着重大的意义。
3.通过查找大量的资料与文献，发现对于火灾中的起火点的确定所采用的方法基本上为火灾的监测和人为的排查。其中火灾的监测所用到的技术主要是，地面监测，卫星遥感监测等。但是这些方法监测火点往往有许多不是真实的起火点，而大范围的排查往往十分耗时耗力。如何更快速准确的获取起火点的位置，从而更好的分析火灾发生的原因是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的空白和不足，本发明提出一种通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法，其为已有边界条件下，对起火点位置进行反演的方法，可以很好根据实际情况下基于已有的燃烧火灾范围，来对起火点位置进行分析。这样通过对起火点的确定，对于森林火灾发生时的决策，评估森林火灾发生原因的分析都有着重要的意义。
5.实现的步骤包括：将需要研究的区域数据集成在一起，通过格网的方式，形成一个格网数据集，其中数据主要包括三类，分别是：地形数据，气象数据，可燃物数据；然后获取研究区域的火灾蔓延边界，形成矢量多边形；遍历火灾区域内的每个格网数据，依据现有的森林火灾模型对每个格网进行火灾蔓延，将模拟的结果与实际的边界相比较；重合度越高，则说明改格网是起火点的概率越大。该方法通过对各个格网进行模拟蔓延并与实际边界相比较，从而快速有效的确定火源的位置。
6.本发明具体采用以下技术方案：一种通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：将林火蔓延区域数据输入并构建格网数据集；步骤s2：将火灾边界提取成矢量多边形，叠加在研究区域上；步骤s3：计算出每个矢量多边形的顶点位置和面积；步骤s4：对矢量多边形内部每个格网作为起火点进行火灾蔓延模拟；步骤s5：对每一格网的模拟边界与已知边界相比较；
步骤s6：通过比较得出火灾溯源结果。
7.进一步地，在步骤s1中，利用计算机将研究区域划分成若干个规则格网，将需要进行林火蔓延模拟所需要的可燃物数据、坡度坡向数据、风速风向数据输入和存储到格网中，形成数据集。
8.进一步地，在步骤s2中，将火灾边界提取成矢量多边形所利用的方法为：通过获取燃烧区域的影像数据，通过不同的波段计算归一化燃烧指数；得出火灾所燃烧的区域，将其火灾边界利用数字化的方法提取成矢量多边形；并转成相应的坐标系叠加在研究区域上。
9.进一步地，在获取实际燃烧区域时，需要计算该区域燃烧前的归一化燃烧指数，与燃烧后的进行差值计算后获得。
10.进一步地，在步骤s3中，遍历矢量多边形的各个顶点时，如果出现多个顶点在同一格网中，则取平均值并保留一个顶点；确定每一个矢量多边形的所在的位置后，计算出矢量多边形的面积。
11.进一步地，在步骤s4中，获取矢量多边形内部的所有格网，遍历每一个格网，然后将每一个格网作为起火点进行林火蔓延模拟，把每一次模拟最终结果进行存储；所述林火蔓延模拟所使用的方法是根据所在的格网数据，利用rothermel模型的公式计算出各顶点火灾蔓延的速度，然后通过惠更斯空间扩散模型确定火灾的蔓延方向；在进行模拟林火蔓延过程中，在每一步长下计算模拟燃烧的面积，与实际火灾面积相比较，直到等于其面积，停止模拟。
12.进一步地，在步骤s5中，将每一次的最终模拟火灾边界和实际火灾边界进行比较。
13.进一步地，在步骤s6中，采用sc系数对模拟结果和实际结果进行对比，其公式为：其中，a为模拟火灾和实际火灾的燃烧区域并集的面积，b为模拟火灾与模拟火灾和实际火灾燃烧区域的差集，c为实际火灾与模拟火灾和实际火灾燃烧区域的差集；sc系数值的范围在0和1之间；计算出每一个格网的步骤sc值，越接近1则表示，起火点在此区域的概率越高。
14.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法。
15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上所述的通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法。
16.与现有技术相比，本发明及其优选方案的有益效果包括：提出基于已有边界条件下对起火点位置进行反演的方法，较为具体且实际的考虑了实际条件来对火灾进行溯源。通过遍历每一个格网，结合格网内的地形数据，可燃物数据，气象数据来进行火灾蔓延模拟预测。通过对模拟边界和实际边界做大量的计算来分析对比，来较为准确地判断出起火点在各个格网中的概率。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法的流程
图。
18.图2为发明实施例的实际边界叠加在格网上示意图。
19.图3为发明实施例的格网作为起火点进行模拟示意图。
20.图4为发明实施例的一步长下模拟蔓延示意图。
21.图5为本发明实施例的模拟蔓延边界与实际蔓延边界叠加面积示意图。
具体实施方式
22.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.如图1-图5所示，本发明实施例提供的通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法，主要包括如下步骤：步骤s1、将林火蔓延区域数据输入并构建格网数据集；使用计算机将研究区域划分成若干个规则的格网，其中网格的边长大小相等，格网的边长大小就是表示空间分辨率的大小，一般来说分辨率越高，则精度越高，对划分好的格网进行编号，用来确定后续的矢量多边形的顶点位置。
25.将需要进行林火蔓延模拟所需要的可燃物数据、坡度坡向数据、风速风向数据输入和存储到格网中，形成数据集，为之后的林火蔓延模拟计算做准备。
26.步骤s2、将火灾边界提取成矢量多边形，叠加在研究区域上：首先获取研究区域的火灾燃烧前的遥感影像数据，利用所需要的不同种光谱波段来计算区域内的归一化燃烧指数；之后获取研究区域燃烧后的遥感影像数据利用波段来计算出归一化燃烧指数分布；然后将两片区域进行叠加，计算其中的差值，获取差值较大的区域，就可以较为准确地得出研究区域的实际火灾的燃烧范围，比起直接计算归一化燃烧指数，要更加的准确；接下来可以通过数字化的方式将燃烧区域提取成矢量多边形；最后进行坐标转换将矢量多边形叠加在所研究的区域的网格之上，如图2所示。
27.步骤s3、计算出每个矢量多边形的顶点位置和面积：在计算机中遍历多边形的各个顶点，确定每一个顶点所在的坐标位置，判断一个格网内是否存在不同的顶点，如果出现同一网格中有不止一个顶点的情况，则取同一格网内所有点的坐标平均值为唯一顶点，确保每一格网内最多只有一个顶点；并且确定出每一个顶点的位置坐标，计算出矢量多边形的面积。
28.步骤s4、对矢量多边形内部每个格网作为起火点进行火灾蔓延模拟；获取矢量多边形内部的所有格网，遍历每一个格网，然后将每一个格网作为起火点，读取格网中存储的数据，利用rothermel模型的公式计算出火灾蔓延的速度,之后通过
惠更斯空间扩散模型来确定下一步长的火灾蔓延的方向；以格网作为起火点进行模拟时，需要将其视为一个正四边形进行扩散模拟，如图3所示；使用以上方法来确定火灾蔓延模拟的方向和速度，设置时间步长t,利用已经计算出来的火灾蔓延方向和蔓延速度，可以得出下一步长的火灾边界，形成矢量多边形，如图4所示；计算其模拟后面积，然后将其模拟面积与实际燃烧面积做对比，如果小于实际燃烧面积则继续进行下一步长的模拟,接着要遍历每个相邻顶点之间的距离，设置一个固定值，来判断其边长是否大于其固定值，如果大于固定距离就对其边长进行插值，其插值的方法包括但不限于线性插值，b样条插值，从而形成多个顶点，以保证各个顶点间的距离都小于给定的固定距离。这样对提高下一步长的模拟的准确度；直到其模拟的面积大于或等于实际面积，则视为火灾燃烧结束，模拟结束，将其结果进行存储下来。
29.步骤s5~s6、对每一格网的模拟边界与已知边界相比较；通过比较便可得出火灾溯源结果。
30.将每一次的最终模拟火灾边界和实际火灾边界进行比较，通过对比两种边界的一致性， 来判断其精确性，采用sc系数对模拟结果和实际结果进行对比，其公式为：其中，a为模拟火灾和实际火灾的燃烧区域并集的面积，b为模拟火灾与模拟火灾和实际火灾燃烧区域的差集，c为实际火灾与模拟火灾和实际火灾燃烧区域的差集，其中b、c所表示的区域面积如图5所示；sc系数值的范围在0和1之间，接近1的值表明模拟和最终火灾边界之间的空间一致性非常高，也就是说越接近1其最终的模拟结果越接近实际结果。
31.通过以上方法就可以计算每个格网的步骤sc值，表明可以得出步骤sc值的分布，其中值越接近1则表示起火点在此格网的概率越高。
32.本实施例提供的以上涉及算法的程序设计方案可以代码化的形式存储在计算机可读取存储介质中，并以计算机程序的方式进行实现，并通过计算机硬件输入计算所需的基本参数信息，并输出计算结果。
33.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
34.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（装置）、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程、以及流程图中的流程结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的装置。
35.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程图中指定的功能。
36.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
37.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
38.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的通过采样法确定森林火灾起火点位置的方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。