基于人工智能的森林火险状态监测分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于人工智能的森林火险状态监测分析系统及方法，属于人工智能技术领域。本发明专利技术构建森林风预测模型，通过森林风预测模型预测森林风的风速和森林风的风向，根据森林火灾监测设备检测范围将森林划分为棋盘格，根据森林的植被分布计算单个棋盘格森林助燃物质含量，建立森林火蔓延速度计算模型，模拟不同的棋盘格为起火点，模拟火势蔓延的过程，找到森林火灾重点监测区域；通过时间序列预测算法预测森林的风力数据，保证火灾蔓延模拟数据具体参考价值；建立森林火蔓延速度计算模型，进一步的实现森林火灾的模拟，通过森林火灾模拟找到森林火灾检测的重点，节省人力和物力，有效的排查火灾危险重点区域。有效的排查火灾危险重点区域。有效的排查火灾危险重点区域。

【技术实现步骤摘要】
基于人工智能的森林火险状态监测分析系统及方法


[0001]本专利技术涉及人工智能
，具体为基于人工智能的森林火险状态监测分析系统及方法。

技术介绍

[0002]森林是地球之肺，森林由植物群落、居住在森林里的动物和所在空间的非生物环境所构成的生态系统，森林的生命周期集演替系列长，森林的生产率高、用途多效益大，但是失去人为控制的森林火灾，会将森林多年的积蓄的林木、森林环境严重破坏，导致森林生态系统失去平衡，破坏森林的土壤的性能，改变地貌形态，森林火灾对生态的破坏是最直接的，也是最具灾害性的；大量的植物被烧毁，会造成水土流失、土地荒漠化加剧等恶劣影响，最终甚至可能无法维持生态平衡；
[0003]森林火灾的蔓延有很多要素，与天气、地形、森林可燃物类型有这密切的关系，森林的不同地区发生火灾，救援队发现后赶到开展救援的时间也是不一样的，也就是说森林火灾一旦发生，救援队开展救援的难易程度也是有差别的，但是现有的火灾监测都是全覆盖式的，限于森林面积大，林木遮蔽，很难做到全面积的覆盖，需要大量的人力和物力，如何在不同的环境下，找到森林火灾监测的重点是我们亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于人工智能的森林火险状态监测分析系统及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，所述火险状态监测分析方法具体步骤包括：
[0006]步骤一：采集森林风力数据，所述森林风力数据包括森林风的风向、森林风的风速和森林的大气压；
[0007]步骤二：归一化森林大气压，输出森林大气压归一化值；
[0008]步骤三：基于LSTM构建森林风预测模型，输入森林风的风向、森林风的风速和森林大气压归一化值，训练模型，输出mAP值最高的森林风预测模型，通过森林风预测模型预测森林风的风速和森林风的风向；
[0009]森林火灾发生时受当下的风速和风向的很大，尤其在火灾发生起始阶段，风速和风向的影响最大，火借风势，风主导火势的蔓延方向；
[0010]中国位于亚欧大陆东南部，由于海陆的物理性质不同，形成明显的气候季节变化，在整年的时间中，整体的季风是规律的，风向固定，在大风向的情况下，当地的风势会有具体的变化；
[0011]当研究森林火灾时，我们需要更加具体的风向，在森林火灾没有完全失控时，风向主导火势，通过时间预测算法预测出可能风向，保证进一步的火灾蔓延模拟数据具体参考价值。
[0012]步骤四：采集森林数据，所述森林数据包括森林地图、森林坡度、森林植被分布、森林降雨数据和森林蒸发量；
[0013]步骤五：根据森林火灾监测设备检测范围将森林划分为棋盘格；
[0014]步骤六：根据森林的植被分布计算单个棋盘格森林助燃物质含量；
[0015]步骤七：建立森林火蔓延速度计算模型；
[0016]步骤八：模拟不同的棋盘格为起火点，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前被烧的棋盘格的数量；
[0017]步骤九：设置被烧的棋盘格的数量阈值，当被烧的棋盘格的数量超出被烧的棋盘格的数量阈值，则判断当前起火点为重点监测区域。
[0018]森林的风向会根据时间的变化不断地改变，通过森林风预测算法，可以不断的输出重点监测区域，一旦重点监测区域发生火灾，则为救援队难以发生救援的区域，很容易进一步发展为重大火灾，影响严重。
[0019]所述步骤二归一化森林大气压，进一步强化森林的大气压的特征，有效提高森林风的预测模型的精度。输出森林大气压归一化值具体计算公式为：将森林的大气压归一化
[0020][0021]其中，AP表示森林的大气压的数值，μ表示森林的大气压的均值，表示森林的大气压归一化数值。
[0022]所述步骤三基于LSTM构建森林风预测模型具体内容包括：所述森林风预测模型在LSTM网络层上设置attention机制，输出层与全连接层连接。
[0023]所述步骤六根据森林的植被分布计算单个棋盘格森林助燃物质含量具体步骤包括：
[0024]在植物本身的含水量为基础上，计算森林的降水量和蒸发量，有效预测短时间的植被的含水量；火灾突发的，通过短时间的植被含水量的预测有效的计算，准确的判断植被助燃物质含量；
[0025]Step 1.1：采集森林降雨数据和森林蒸发量，所述森林降雨数据包括降雨量、下雨间隔时间；
[0026]Step 1.2：计算棋盘格内树木的油脂含量OC；
[0027]Step 1.3：计算棋盘格内植物的含水量，具体计算公式为：
[0028][0029]其中，wc表示棋盘格内植株的含水量，RF表示森林降水量，EC表示森林蒸发量，WC表示棋盘格内植物的含水量；
[0030]Step 1.4：计算棋盘格内助燃物质含量，具体计算公式为：
[0031][0032]其中，CSS表示棋盘格内助燃物质含量，OC表示棋盘格内树木的油脂含量，TH表示棋盘格内植株硬度。
[0033]森林火灾并不会毁灭一切，有一些植物选择适应森林火灾，植物通过提高含水量降低油脂率，当遇到森林火灾时，利用体内的水分蒸发带走大量的热量，降低温度，保存自身的生命力，通过计算植物体的含水量和油脂含量，和植物本身对于燃烧的特点，可以有效的体现出棋盘格内发生火灾时，棋盘格内的物体对于火灾的效果，通过棋盘格内的助燃物质的含量数据化直观的展示出来。
[0034]森林中的植物依赖阳光、土壤、海拔高度、季风气候等，所以森林的植物分布是固定的，依赖于森林生长的生命相对而言也是固定的，同时依赖植物生长的生命通过富集现象，与植物的特性呈一致性，因此棋盘格内植物的可以代表整个棋盘格内的助燃物质的分布，通过计算森林中植物的油脂含量和含水量，输出棋盘格内助燃物质含量。
[0035]棋盘格内助燃物质含量与森林发生火灾的可能性和森林火的蔓延速度为呈正比，棋盘格内助燃物质含量。
[0036]所述步骤七建立森林火蔓延速度计算模型具体内容包括：
[0037][0038]其中，R表示火蔓延速率，r表示初始火源蔓延速度，slo表示坡度，θ
s
表示坡度角度，θ
w
表示风向，wv表示风速，ω
S
表示坡度修正因子，a表示森林火蔓延系数，ρ
b
表示可燃物分布的颗粒度密度，ε表示有效热数，Q表示引燃热。
[0039]风和坡度都会有效的助长火势，当风向和坡度角度相反，则坡度不会助长火势。
[0040]所述步骤八模拟不同的棋盘格为起火点，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前被烧的棋盘格和被烧的棋盘格的数量具体步骤包括：
[0041]Step 2.1：设置初始起火点，森林火蔓延速度计算模型计算棋盘格完全燃烧的时间；
[0042]Step 2.2：采集救援队的当前地址和行进速度；
[0043]Step 2.3：计算救援队与森林火本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，其特征在于：所述火险状态监测分析方法具体步骤包括：步骤一：采集森林风力数据，所述森林风力数据包括森林风的风向、森林风的风速和森林的大气压；步骤二：归一化森林大气压，输出森林大气压归一化值；步骤三：基于LSTM构建森林风预测模型，输入森林风的风向、森林风的风速和森林大气压归一化值，训练模型，输出mAP值最高的森林风预测模型，通过森林风预测模型预测森林风的风速和森林风的风向；步骤四：采集森林数据，所述森林数据包括森林地图、森林坡度、森林植被分布、森林降雨数据和森林蒸发量；步骤五：根据森林火灾监测设备检测范围将森林划分为棋盘格；步骤六：根据森林的植被分布计算单个棋盘格森林助燃物质含量；步骤七：建立森林火蔓延速度计算模型；步骤八：模拟不同的棋盘格为起火点，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前被烧的棋盘格的数量；步骤九：设置被烧的棋盘格的数量阈值，当被烧的棋盘格的数量超出被烧的棋盘格的数量阈值，则判断当前起火点为重点监测区域。2.根据权利要求1所述的基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，其特征在于：所述步骤二归一化森林大气压，输出森林大气压归一化值具体计算公式为：将森林的大气压归一化其中，AP表示森林的大气压的数值，μ表示森林的大气压的均值，表示森林的大气压归一化数值。3.根据权利要求1所述的基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，其特征在于：所述步骤三基于LSTM构建森林风预测模型具体内容包括：所述森林风预测模型在LSTM网络层上设置attention机制，输出层与全连接层连接。4.根据权利要求1所述的基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，其特征在于：所述步骤六根据森林的植被分布计算单个棋盘格森林助燃物质含量具体步骤包括：Step 1.1：采集森林降雨数据和森林蒸发量，所述森林降雨数据包括降雨量、下雨间隔时间；Step 1.2：计算棋盘格内树木的油脂含量OC；Step 1.3：计算棋盘格内植物的含水量，具体计算公式为：其中，wc表示棋盘格内植株的含水量，RF表示森林降水量，EC表示森林蒸发量，WC表示棋盘格内植物的含水量；Step 1.4：计算棋盘格内助燃物质含量，具体计算公式为：
其中，CSS表示棋盘格内助燃物质含量，OC表示棋盘格内树木的油脂含量，TH表示棋盘格内植株硬度。5.根据权利要求1所述的基于人工智能的森林火险状态监测分析方法，其特征在于：所述步骤七建立森林火蔓延速度计算模型具体内容包括：其中，R表示火蔓延速率，r表示初始火源蔓延速度，slo表示坡度，θ
s
表示坡度角度，θ
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【专利技术属性】
技术研发人员：高德民，牟韵洁，管志浩，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：