【摘 要】
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火灾是影响全球众多植物群落结构和分布的重要生态因子。近年来,林火发生的频率和强度急剧增加,北京延庆、四川凉山、山西五台山等陆续发生的森林火灾都带来重大损失,而其中树冠火生长蔓延的强度和损失都是最大的。针对现有树冠火研究多偏重于火焰蔓延的数值模拟以及简单可视化,本文提出一种树冠火生长蔓延的实时仿真算法。首先,本文采用基于粒子系统的方法结合N-S方程进行火焰模型的构建。采用Helmholtz-Hodg
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火灾是影响全球众多植物群落结构和分布的重要生态因子。近年来,林火发生的频率和强度急剧增加,北京延庆、四川凉山、山西五台山等陆续发生的森林火灾都带来重大损失,而其中树冠火生长蔓延的强度和损失都是最大的。针对现有树冠火研究多偏重于火焰蔓延的数值模拟以及简单可视化,本文提出一种树冠火生长蔓延的实时仿真算法。首先,本文采用基于粒子系统的方法结合N-S方程进行火焰模型的构建。采用Helmholtz-Hodge定理对N-S方程进行分解,简化了过程运算;然后针对树冠火生长蔓延中火焰运动缺乏真实感的问题,引入脉动风场,重新构建树冠火生长蔓延模型,同时应用能量守恒定律,建立林火随温度场动态变化模型,提高地表火向树冠火生长转换过程准确性。其次,为解决蔓延过程中绘制速度慢的问题,采用Huygens原理结合树冠火生长蔓延模型对火焰蔓延进行优化绘制,同时针对Huygens原理存在的拓扑结构复杂和蔓延火场边界难以处理的问题,本文采用多边形判别算法确定其蔓延区域,再对多火场蔓延时出现的重合问题进行模拟判断提高绘制效率。再次,为保证模拟出较为真实的自然场景下树冠火生长蔓延的场景,需有较高的实时性,本文在GPU上进行场景渲染,同时采用光线投射算法简化运算流程,大大缩短运算时间,提高渲染效率;然后通过纹理映射技术模拟烧焦现象,提高模拟地表变化真实感,同时满足了真实感和实时性两方面的需求。最后,设计多组树冠火生长蔓延实验,采用Unity3D引擎以及C#和Unity Shader语言开发,并在不同操作系统平台进行验证。通过多组实验对比和数据分析后,本文方法在实时状态下,能够实现树冠火生长蔓延的模拟,满足不同仿真应用的需求。
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