森林防火虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與研究
——以山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)林場為例

盧愛英，王世昌，魏 巍，馬國強(qiáng)

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

森林火災(zāi)是森林災(zāi)害中最嚴(yán)重的一種，突發(fā)性強(qiáng)，危害大。對(duì)生態(tài)平衡的破壞、生物多樣性的影響都很大，同時(shí)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。而且森林防火過程中，會(huì)造成消防人員傷亡。近年來的成熟和飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

我國在林火發(fā)展的領(lǐng)域，從20世紀(jì)50年代開始逐步發(fā)展，在森林防火領(lǐng)域投入大量的人力物力，有效地提高了林火防治效率，同時(shí)在林火防治中依然造成很大的經(jīng)濟(jì)和人員損失[1-3]。由于林火的特殊性，在火災(zāi)引發(fā)以后，消防人員只能通過迅速建立隔離帶、使用阻燃材質(zhì)在林草周圍形成隔離圈，阻止火勢蔓延，在此過程中，如果遇到風(fēng)向變化等因素，很容易造成人員傷亡[4-5]。另外，在森林防火人員訓(xùn)練過程中，由于火災(zāi)的特殊性，難以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)實(shí)戰(zhàn)模擬演練，因此，通過虛擬仿真系統(tǒng)，呈現(xiàn)虛擬場景，讓森林防火人員能夠體驗(yàn)到火災(zāi)現(xiàn)場，更準(zhǔn)確的把握森林防火中一系列流程[6]，更好的應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)。

1 技術(shù)路線

本系統(tǒng)的制作先設(shè)計(jì)整體技術(shù)路線，根據(jù)山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)林場的特點(diǎn)并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)制作技術(shù)的特點(diǎn)，特設(shè)計(jì)技術(shù)路線，見圖1。

圖1 森林防火虛擬仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線Fig.1 Technical route of forest fire prevention virtual simulation system

主要應(yīng)用到了MAYA三維建模、無人機(jī)航拍和UE4引擎的三項(xiàng)核心技術(shù)，其中無人機(jī)航拍技術(shù)主要用于拍攝實(shí)驗(yàn)林場的地形地貌，通過MAYA的建模技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)通過MAYA建模技術(shù)設(shè)計(jì)林場內(nèi)的植物模型，最后通過UE4引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)著火、救火、滅火、風(fēng)速、風(fēng)向等調(diào)控。

2 核心技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

通過無人機(jī)，采集系統(tǒng)制作區(qū)域范圍的地形地貌模型。無人機(jī)應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)區(qū)域地采集任務(wù)；無人機(jī)要保養(yǎng)完善，隨時(shí)作業(yè)，各元器件可以穩(wěn)定工作。采集內(nèi)容包括坐標(biāo)系統(tǒng)、位置精度等，內(nèi)業(yè)人員對(duì)影像與當(dāng)前的數(shù)據(jù)作對(duì)比，找出變化區(qū)域，并安排人員采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息。保證位置精度絕對(duì)準(zhǔn)確的情況下，可以采集已經(jīng)確認(rèn)的可視區(qū)域，比如道路、植被等要素。采集處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 無人機(jī)采集結(jié)果Fig.2 The resultsfrom the drone

2.2 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于灌木枝葉遮擋等原因，無法了解地面真實(shí)情況，可以通過無人機(jī)采取到的地形地貌等信息導(dǎo)入remark3D、MAYA進(jìn)行處理，將高程信息和維度進(jìn)行合成導(dǎo)出GIS數(shù)據(jù)。然后通過數(shù)據(jù)處理，得到高程圖和等高線。流程見圖3。

圖3 通過MAYA處理得到高程圖Fig.3 Got The elevation from Maya’s processing

2.3 生成3D模型

通過2.2所采集的高程圖和等高線的數(shù)據(jù)，完成地表模型的制作。該制作步驟主要使用Global Mapper、World Machine軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成與實(shí)際地形地貌高度相同的高度圖和灰度圖，再根據(jù)灰度圖和高度圖數(shù)據(jù)，通過UE4軟件生成林場地形模型，操作結(jié)果如圖4所示。

圖4 通過UE4行程地形Fig.4 Through the UE4 travel terrain

2.4 林場植被模型制作

林場植被模型主要是根據(jù)無人機(jī)航拍和制作人員實(shí)地勘察拍照，確定林場每部分區(qū)域的實(shí)際植被信息，根據(jù)無人機(jī)采集數(shù)據(jù)做植被數(shù)量和高度等方面的參考使用MAYA、Speedtree modeler完成植被的三維模型制作，包括植物的陰影、樹葉的擺動(dòng)、樹木植被的燈光、渲染、動(dòng)畫等。操作結(jié)果見圖5。

圖5 通過MAYA完成植被、樹木等模型的制作Fig.5 Through Maya to complete the vegetation,trees and other models

2.5 植被、建筑、場景模型的合成和優(yōu)化

在完成森林植被模型、建筑模型、防火裝備和地型場景模型后，通過UE4軟件對(duì)模型進(jìn)行合成和優(yōu)化。操作結(jié)果見圖6~圖8。

圖6 建筑模型制作Fig.6 Building model making

圖7 植被模型制作Fig.7 Vegetation modeling

圖8 建筑物、植被、不同場景的擺放Fig.8 Thearrangement of buildings,vegetation and different scenes

2.6 打包程序場景實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能

該項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)森林防火過程中，著火后滅火人員需要準(zhǔn)備的工具、操作流程和滅火的辦法和途徑等功能，主要通過UE4程序來實(shí)現(xiàn)，呈現(xiàn)結(jié)果，見圖9、圖10。

圖9 UE4藍(lán)圖開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)森林里道路進(jìn)行快速鋪設(shè)Fig.9 Development of UE4 blueprint for rapid road paving in forests

圖10 實(shí)現(xiàn)滅火的各項(xiàng)功能Fig.10 To achieve the fire-fighting functions

2.7 功能測試和教學(xué)應(yīng)用

將該系統(tǒng)投入到山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院森林草原防火技術(shù)專業(yè)中，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性以及創(chuàng)新性，通過虛擬、實(shí)踐、練習(xí)，融“教、學(xué)、做”為一體，激發(fā)學(xué)習(xí)和教學(xué)，見圖11。

圖11 應(yīng)用于教學(xué)中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練Fig.11 Applied to the teaching of practical training

3 結(jié)語

本文以山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)林場為例，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了森林消防虛擬仿真系統(tǒng)，詳細(xì)地論述了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的過程，并且給出了關(guān)鍵部分的應(yīng)用示例。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)林場數(shù)據(jù)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，本系統(tǒng)的研建對(duì)森林火災(zāi)撲救、森林防火培訓(xùn)、教學(xué)具有很大的意義。