森林防火虚拟仿真系统的开发设计与研究——以山西林业职业技术学院实验林场为例

卢爱英，王世昌，魏 巍，马国强

（山西林业职业技术学院，山西 太原 030009）

森林火灾是森林灾害中最严重的一种，突发性强，危害大。对生态平衡的破坏、生物多样性的影响都很大，同时造成一定的经济损失。而且森林防火过程中，会造成消防人员伤亡。近年来的成熟和飞速发展，虚拟仿真技术在各个领域的应用越来越广泛。

我国在林火发展的领域，从20世纪50年代开始逐步发展，在森林防火领域投入大量的人力物力，有效地提高了林火防治效率，同时在林火防治中依然造成很大的经济和人员损失[1-3]。由于林火的特殊性，在火灾引发以后，消防人员只能通过迅速建立隔离带、使用阻燃材质在林草周围形成隔离圈，阻止火势蔓延，在此过程中，如果遇到风向变化等因素，很容易造成人员伤亡[4-5]。另外，在森林防火人员训练过程中，由于火灾的特殊性，难以实现火灾实战模拟演练，因此，通过虚拟仿真系统，呈现虚拟场景，让森林防火人员能够体验到火灾现场，更准确的把握森林防火中一系列流程[6]，更好的应对森林火灾。

1 技术路线

本系统的制作先设计整体技术路线，根据山西林业职业技术学院实验林场的特点并结合虚拟现实制作技术的特点，特设计技术路线，见图1。

图1 森林防火虚拟仿真系统的技术路线Fig.1 Technical route of forest fire prevention virtual simulation system

主要应用到了MAYA三维建模、无人机航拍和UE4引擎的三项核心技术，其中无人机航拍技术主要用于拍摄实验林场的地形地貌，通过MAYA的建模技术进行调整，同时通过MAYA建模技术设计林场内的植物模型，最后通过UE4引擎技术实现着火、救火、灭火、风速、风向等调控。

2 核心技术流程

2.1 数据采集

通过无人机，采集系统制作区域范围的地形地貌模型。无人机应在较短时间内完成作业区域地采集任务；无人机要保养完善，随时作业，各元器件可以稳定工作。采集内容包括坐标系统、位置精度等，内业人员对影像与当前的数据作对比，找出变化区域，并安排人员采集准确数据信息。保证位置精度绝对准确的情况下，可以采集已经确认的可视区域，比如道路、植被等要素。采集处理结果如图2所示。

图2 无人机采集结果Fig.2 The resultsfrom the drone

2.2 数据处理

无人机采集数据时，由于灌木枝叶遮挡等原因，无法了解地面真实情况，可以通过无人机采取到的地形地貌等信息导入remark3D、MAYA进行处理，将高程信息和维度进行合成导出GIS数据。然后通过数据处理，得到高程图和等高线。流程见图3。

图3 通过MAYA处理得到高程图Fig.3 Got The elevation from Maya’s processing

2.3 生成3D模型

通过2.2所采集的高程图和等高线的数据，完成地表模型的制作。该制作步骤主要使用Global Mapper、World Machine软件对数据进行处理，形成与实际地形地貌高度相同的高度图和灰度图，再根据灰度图和高度图数据，通过UE4软件生成林场地形模型，操作结果如图4所示。

图4 通过UE4行程地形Fig.4 Through the UE4 travel terrain

2.4 林场植被模型制作

林场植被模型主要是根据无人机航拍和制作人员实地勘察拍照，确定林场每部分区域的实际植被信息，根据无人机采集数据做植被数量和高度等方面的参考使用MAYA、Speedtree modeler完成植被的三维模型制作，包括植物的阴影、树叶的摆动、树木植被的灯光、渲染、动画等。操作结果见图5。

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

2.5 植被、建筑、场景模型的合成和优化

在完成森林植被模型、建筑模型、防火装备和地型场景模型后，通过UE4软件对模型进行合成和优化。操作结果见图6~图8。

图6 建筑模型制作Fig.6 Building model making

图7 植被模型制作Fig.7 Vegetation modeling

图8 建筑物、植被、不同场景的摆放Fig.8 Thearrangement of buildings,vegetation and different scenes

2.6 打包程序场景实现对应的功能

该项目主要实现森林防火过程中，着火后灭火人员需要准备的工具、操作流程和灭火的办法和途径等功能，主要通过UE4程序来实现，呈现结果，见图9、图10。

图9 UE4蓝图开发实现对森林里道路进行快速铺设Fig.9 Development of UE4 blueprint for rapid road paving in forests

图10 实现灭火的各项功能Fig.10 To achieve the fire-fighting functions

2.7 功能测试和教学应用

将该系统投入到山西林业职业技术学院森林草原防火技术专业中，充分发挥学生学习的主观能动性以及创新性，通过虚拟、实践、练习，融“教、学、做”为一体，激发学习和教学，见图11。

图11 应用于教学中进行实训训练Fig.11 Applied to the teaching of practical training

3 结语

本文以山西林业职业技术学院实验林场为例，开发实现了森林消防虚拟仿真系统，详细地论述了各个功能模块的设计开发实现的过程，并且给出了关键部分的应用示例。同时对实验林场数据对本系统进行测试，结果表明，本系统的研建对森林火灾扑救、森林防火培训、教学具有很大的意义。