专利名称：一种风沙灾害模拟装置及模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种可以直接应用于风沙灾害模拟的风沙灾害模拟装置及模拟方法。
背景技术：
沙尘暴这一复杂自然现象及其引发的问题已成为生态学、自然地理学、气象学、风 沙物理学、灾害学和环境科学等多个学科的热点研究领域。目前，我国正在逐步开展沙尘暴 灾害的实时预测预报和仿真预警等关键技术研究，但还处于起步阶段。当前沙尘暴领域的 研究多停留在定性研究阶段，粉尘物质在整个沙尘暴事件期间的空间分布定量化研究还很 欠缺，其实时动态化分布过程和规律还不是十分清楚，对沙尘暴的灾害预警手段还亟需提 升。现有技术多是从气象学的角度预测沙尘暴的运移规律，尚无从风沙物理学角度判别沙 尘暴发生、发展和移动路径的技术。

发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷而提供一种能够实时地提供风沙灾 害模拟情况，并能够进行风沙灾害风险预警检测的风沙灾害模拟装置。为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种风沙灾害模拟装置，包括数据采集装置、用于存储所述数据采集装置采集数 据的数据存储装置、以及风沙灾害模拟装置和风沙灾害评估装置，其中，所述数据存储装置 包括地区基础数据模块和风沙灾害基础数据模块，所述风沙灾害模拟装置包括系统底图模 块和风沙灾害动力模拟模块，所述系统底图模块与所述地区基础数据模块相联，所述风沙 灾害动力模拟模块与所述风沙灾害基础数据模块相联，并且，所述风沙灾害模拟装置还包 括与所述系统底图模块以及风沙灾害动力模拟模块相联的叠加运算模块，所述叠加运算模 块与所述风沙灾害评估装置相联，所述风沙灾害评估装置上连接有外部输出装置。优选地，所述数据采集装置包括实时数据采集装置和历史数据录入装置。进一步，所述实时数据采集装置通过传感器或探测器对待测环境的大风强度、风 蚀速度、沙尘浓度、沉降量、以及能见度中的一种或几种参数进行采集。更优选地，所述风沙灾害模拟装置还包括模拟数据校验模块，模拟数据校验模块 分别与所述数据存储装置和所述风沙灾害评估装置相联。进一步，所述风沙灾害模拟装置还包括风险预警模块，所述风险预警模块与所述 风沙灾害评估装置相联。本发明的另一目的为提供一种风沙灾害模拟方法，包括以下步骤a、通过数据采集装置将待测地的基础信息、地理信息以及风沙灾害基础信息录入 到数据存储装置中；b、然后通过风沙灾害模拟装置从所述数据存储装置中调入数据，进行计算和模 拟，并在外部输出装置上形成系统底图以及在系统底图上形成风沙灾害模拟视图；C、通过风沙灾害评估装置对步骤b中的模拟数据进行判断、评估，并将结果显示在外部输出装置上。优选地，通过模拟数据校验模块将所述风沙灾害模拟装置以及风沙灾害评估装置 模拟和评估的各次或实时的结果反馈至数据存储装置，并进行数据校验以及模拟调整。进一步，当与所述风沙灾害评估装置相联的风险预警模块收到超过设定值的数据 信号时，所述风险预警模块发出报警信号。本发明的优点是1.利用TM影像数据和国家地形分布数据生成系统底图，该底图与卫星图像相对 应，可以直接用于与卫星云图的比较，为利用卫星云图读取沙尘暴的分布范围提供了参考 依据。2.通过风沙灾害基础信息模块(包含多个数据库)，为风沙灾害的仿真模拟提供 多角度的分析数据。即能利用地表起沙，沙尘分布等数据库进行风沙灾害形成发展的模拟， 又可以通过沙尘暴历史事件数据模块对已发生沙尘暴灾害进行历史重现，为最近30年已 发生沙尘暴灾害规律的研究提供便利。3.通过对基础地理信息模块中的社会经济数据与风沙灾害基础数据模块中基本 数据的叠加，利用沙尘暴模拟算法，生成直观的风沙灾情评估图。专业人员可以利用评估图 对沙尘暴灾害情况进行评估分析，同时，非专业人员也很容易读取沙尘暴灾害的分布情况。4.风沙灾害信息模块中增加了 API、沙尘浓度等信息数据库，不仅为已发生沙尘 暴期间空气质量的查询提供了信息，同时也提供了对未来沙尘暴发生期间空气质量预报的 重要参考依据。5.设置了风沙灾害风险预警系统装置，该装置是利用对风沙灾害评估模块的结 果，根据沙尘暴灾害不同等级，对沙尘暴灾害的风险进行等级划分。在此基础上，利用预警 预报装置对不同级别灾害进行预警提醒，为政府部门发布预警信息提供直接的技术支撑。


图1为本发明的结构示意图；图2为本发明系统底图的示意图；图3为本发明风沙灾害模拟的结果示意图；图4为本发明风沙灾害路径模拟的结果示意图。
具体实施例方式参见图1，其中示出本发明一种风沙灾害模拟装置的优选实施例，包括数据采集装 置1，优选地，该数据采集装置1包括实时数据采集装置11和历史数据录入装置12，所述 的实时数据采集装置11可以通过传感器或探测器等采集装置对待测环境的大风强度、风 蚀速度、沙尘浓度、沉降量、以及能见度中的一种或几种参数进行采集，而所述历史数据录 入装置12包括从国家统计部门的信息数据库中录入某个或某些地区的各种地理、人文、交 通、城镇分布、人口分布、TM影像数据等历史数据；本发明的风沙灾害模拟装置还包括用于 存储所述数据采集装置1采集数据的数据存储装置2、以及风沙灾害模拟装置3和风沙灾害 评估装置4，其中，所述数据存储装置2包括地区基础数据模块21和风沙灾害基础数据模块 22，所述风沙灾害模拟装置3包括系统底图模块31和风沙灾害动力模拟模块32，所述系统底图模块31与所述地区基础数据模块21相联，所述风沙灾害动力模拟模块32与所述风沙 灾害基础数据模块22相联。其中，所述系统底图模块31从所述地区基础数据模块21读取该地区的TM影像图 库(例如遥感卫星拍摄的TM影像资料)、地形图数据库和社会人口、经济数据库等(例如 可以从国家统计部门数据库获得相应信息)，并利用上述的数据库信息生成本发明风沙灾 害模拟装置的系统底图(如图2所示)；这样在所述的系统底图上即包含遥感卫星实时云 图，又可以显示国家统计的人口，经济等数据信息；由此，在沙尘暴灾害发生时，能够对承载 体的受灾情况统计提供数据与技术支撑。所述风沙灾害动力模拟模块32从所述风沙灾害基础数据模块22读取相应地区的 地表起沙数据库、沙尘分布数据库、大气降尘时空分布数据库、极大风速等值线数据库、API 等值线数据库、沙尘暴历史事件数据库等信息，为风沙灾害的模拟与预警提供详尽、具体的 数据支持，使得本发明对风沙灾害的动力模拟更加接近于真实的客观环境。由此，本发明可 以在风沙灾害动力模拟的时候，能够揭示典型沙尘暴事件发生、发展和演变的规律，为风沙 灾情评估和灾害风险预警提供技术基础。进一步，本发明所述的风沙灾害模拟装置3还包括与所述系统底图模块31以及风 沙灾害动力模拟模块32相联的叠加运算模块33，所述叠加运算模块33与所述风沙灾害评 估装置4相联，所述风沙灾害评估装置4上连接有外部输出装置(如图3和图4所示)。优 选地，对风沙灾害风险的评估，可以是通过风沙灾害的强度进行分级，并从风沙灾害的影响 范围以及风沙灾害带来的经济损失等几个方面进行评估。由此，系统底图模块31和风沙灾 害动力模拟模块32通过所述的叠加运算模块33进行复合、叠加，并进行风沙灾害评估，进 而将相应的结果呈现在外部输出装置上(例如显示器、屏幕、通信终端等)，直观地将实时 的或历史的风沙灾害情况呈现给使用者或者查询者。优选地，本发明所述风沙灾害模拟装置还包括模拟数据校验模块6，模拟数据校验 模块6分别与所述数据存储装置2和所述风沙灾害评估装置4相联。由此，使得本发明可 以即通过历史数据进行风沙灾害模拟，又能够通过后续各个时间的实时数据对之前的模拟 结果进行校正、校验，并进一步优化和改善模拟过程，达到对风沙灾害尽可能准确的预告、 评估和预警。并且，所述风沙灾害模拟装置还包括风险预警模块5，所述风险预警模块5与 所述风沙灾害评估装置4相联。当所述风沙灾害评估装置4评估出的风沙灾害程度超过了 设定值之后，本发明便可以通过风险预警模块5发出报警信号，通知相关操作者或相关部 门采取预防和处理措施。因此，能够大大地减少风沙灾害给社会和人们的生产、生活所带来 的财产和物质损失。具体地，本发明还提供了一种风沙灾害模拟方法，包括以下步骤a、通过数据采集装置将待测地的基础信息、地理信息以及风沙灾害基础信息录入 到数据存储装置中；b、然后通过风沙灾害模拟装置从所述数据存储装置中调入数据，进行 计算和模拟，并在外部输出装置上形成系统底图以及在系统底图上形成风沙灾害模拟视 图；C、通过风沙灾害评估装置对步骤b中的模拟数据进行判断、评估，并将结果显示在外部 输出装置上。同时，系统设计针对于沙尘暴灾害具有一定程度的不确定性，为了使得模拟结果 更加接近实际情况，本发明在预测模拟的基础上，还将各个时间点或时间段所检测、模拟出来的结果与历史数据进行对比、校验，即与沙尘暴灾害发生后的真实情况比较，反馈每个模 块中数据模型的不足，进行完善与修改。在不断的完善中，使系统装置在模拟预警中更加准 确。具体地，可以通过模拟数据校验模块将所述风沙灾害模拟装置以及风沙灾害评估装置 模拟和评估的各次或实时的结果反馈至数据存储装置，并进行数据校验以及模拟调整。而且，如上所述，当与所述风沙灾害评估装置相联的风险预警模块收到超过设定 值的数据信号时，本发明所述风险预警模块还可以发出报警信号。更具地，本发明可以进行的模拟种类包括a、卫星云图的移动模拟根据指定的时间段，在地图上模拟显示沙尘暴时间段内的模拟云图移动路径变 化。b、沙尘云图移动模拟根据指定的时间段，在地图上模拟沙尘暴时间段内沙尘云图的移动路径变化。C、近地面气流场(极大风速、风向)的动态模拟调用已经录入的极大风速等数据，按照指定的时间段，生成极大风速的等值线 (等值线依据站点测得的风速生成等值线，并按照风向的大小，标注对应的图标在地图 上)。d、大气污染指数(API)分布的动态变化依据用户导入的API数据和制定的时间段，生成对应API值的等值线并显示在地 图上(生成污染指数等值线，用不同颜色标出污染等级范围)。e、大气降尘分布图依据用户导入的降尘数据和指定的时间段生成对应的等值线并显示在地图上。f、沙尘源区分布图依据不同沙尘暴事件的极大风速数据、风蚀方程和土地利用，建立沙尘释放模型， 计算不同地表(流动、半固定和固定沙地，农田、草地、干盐湖、戈壁)的最大输沙率和粉尘 释放速率，生成基于风沙动力过程的沙尘源区分布图。g、批量生成对应时刻各数据的截图，并实现在网络上以上功能的模拟。另一方面，本发明进行的风沙灾害评估包括a、风沙活动强度评估综合分析近地面气流场的分布、土地利用格局、API等值线值，分类生成扬沙区、浮 尘区、沙尘暴区、强沙尘暴区，并标注在地图上。b、风沙灾害范围评估 将风沙活动强度评估结果与基础地理数据和社会经济数据进行叠加分析，快速提 取不同沙尘暴事件影响的面积和人口等信息。C、风沙灾害损失评估根据风沙活动强度、风沙灾害范围的评估结果，并结合实地调查和相关统计数据， 分析计算风沙灾害造成的经济损失。如上所述，本发明还包括风险预警模块5，具体地，本发明可以通过现有技术中的 声音报警装置、影像报警装置等方式对风沙灾害进行预警报警，例如a、风沙灾害风险预警模型
根据历史沙尘暴事件的模拟仿真结果，建立具有时空关联特征的风沙灾害风险预 警模型，包括近地面风场空间分布模型、土壤风蚀预报模型、起沙起尘量计算模型、能见度 计算模型和大气降尘量和污染指数预报模型等。b、风沙灾害监测与风险预警获取各种风沙实时监测数据，利用灾害风险预警模型进行分析、判断，确定风沙灾 害风险预警的定量化指标与等级，包括大风强度、风蚀速率、沙尘浓度、降尘量、能见度预警 和大气污染指数等。显而易见，本领域的普通技术人员，可以用本发明的一种风沙灾害模拟装置和模 拟方法，构成各种类型的灾害模拟装置和模拟方法。上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普 通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的 技术方案也应属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。
权利要求
一种风沙灾害模拟装置，其特征在于包括数据采集装置(1)、用于存储所述数据采集装置(1)采集数据的数据存储装置(2)、以及风沙灾害模拟装置(3)和风沙灾害评估装置(4)，其中，所述数据存储装置(2)包括地区基础数据模块(21)和风沙灾害基础数据模块(22)，所述风沙灾害模拟装置(3)包括系统底图模块(31)和风沙灾害动力模拟模块(32)，所述系统底图模块(31)与所述地区基础数据模块(21)相联，所述风沙灾害动力模拟模块(32)与所述风沙灾害基础数据模块(22)相联，并且，所述风沙灾害模拟装置(3)还包括与所述系统底图模块(31)以及风沙灾害动力模拟模块(32)相联的叠加运算模块(33)，所述叠加运算模块(33)与所述风沙灾害评估装置(4)相联，所述风沙灾害评估装置(4)上连接有外部输出装置。
2.根据权利要求1所述的风沙灾害模拟装置，其特征在于所述数据采集装置(1)包 括实时数据采集装置(11)和历史数据录入装置(12)。
3.根据权利要求2所述的风沙灾害模拟装置，其特征在于所述实时数据采集装置 (11)通过传感器或探测器对待测环境的大风强度、风蚀速度、沙尘浓度、沉降量、以及能见 度中的一种或几种参数进行采集。
4.根据权利要求2或3所述的风沙灾害模拟装置，其特征在于所述风沙灾害模拟装 置还包括模拟数据校验模块(6)，模拟数据校验模块(6)分别与所述数据存储装置(2)和所 述风沙灾害评估装置(4)相联。
5.根据权利要求4所述的风沙灾害模拟装置，其特征在于所述风沙灾害模拟装置还 包括风险预警模块(5)，所述风险预警模块(5)与所述风沙灾害评估装置(4)相联。
6.一种风沙灾害模拟方法，其特征在于包括以下步骤a、通过数据采集装置将待测地的基础信息、地理信息以及风沙灾害基础信息录入到数 据存储装置中；b、然后通过风沙灾害模拟装置从所述数据存储装置中调入数据，进行计算和模拟，并 在外部输出装置上形成系统底图以及在系统底图上形成风沙灾害模拟视图；C、通过风沙灾害评估装置对步骤b中的模拟数据进行判断、评估，并将结果显示在外 部输出装置上。
7.根据权利要求6所述的风沙灾害模拟方法，其特征在于通过模拟数据校验模块将 所述风沙灾害模拟装置以及风沙灾害评估装置模拟和评估的各次或实时的结果反馈至数 据存储装置，并进行数据校验以及模拟调整。
8.根据权利要求7所述的风沙灾害模拟装置，其特征在于当与所述风沙灾害评估装 置相联的风险预警模块收到超过设定值的数据信号时，所述风险预警模块发出报警信号。
全文摘要
本发明涉及一种风沙灾害模拟装置和模拟方法，所述的模拟装置包括数据采集装置、用于存储所述数据采集装置采集数据的数据存储装置、以及风沙灾害模拟装置和风沙灾害评估装置，数据存储装置包括地区基础数据模块和风沙灾害基础数据模块，风沙灾害模拟装置包括系统底图模块和风沙灾害动力模拟模块，系统底图模块与所述地区基础数据模块相联，风沙灾害动力模拟模块与所述风沙灾害基础数据模块相联，风沙灾害模拟装置还包括与系统底图模块以及风沙灾害动力模拟模块相联的叠加运算模块，叠加运算模块与所述风沙灾害评估装置相联，所述风沙灾害评估装置上连接有外部输出装置。本发明能够实时地提供风沙灾害模拟情况，并能够进行风沙灾害风险预警检测。
文档编号G01W1/10GK101893726SQ20101023539
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者刘连友, 吕艳丽, 张小啸 申请人:北京师范大学