[論文レビュー] Cell2Fire: A Cell Based Forest Fire Growth Model

Cristóbal Pais, Jaime Carrasco+3 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Fire effects on ecosystems参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

Cell2Fire は、異種の土地被覆を対象とした火災動態を予測するオープンソースで並列処理が可能なセルベースの火災拡大シミュレータであり、カナダのFBP火災拡大モデルを用いている。最先端のPrometheusシミュレータと比較して、22時間にわたる火災拡大シミュレーションにおいて、91.82％の精度（1-MSE）と87.91％の構造的類似度を達成し、戦略的森林・燃料管理計画における大規模な火災モデリングにおいて優れた性能とスケーラビリティを示している。

ABSTRACT

Cell2Fire is a new cell-based forest and wildland landscape fire growth simulator that is open-source and exploits parallelism to support the modelling of fire growth cross large spatial and temporal scales in a timely manner. The fire environment is characterized by partitioning the landscape into a large number of cells each of which has specified fuel, weather, fuel moisture and topography attributes. Fire spread within each cell is assumed to be elliptical and governed by spread rates predicted by a fire spread model such as the Canadian Forest Fire Behavior Prediction (FBP) System. The simulator includes powerful statistical and graphical output and spatial analysis features to facilitate the display and analysis of projected fire growth. We validated Cell2Fire by using it to predict the growth of real and realistic hypothetical fires, comparing our fire growth predictions with those produced by the state-of-the-art Prometheus fire growth simulator. Cell2Fire is structured to facilitate its use for predicting the growth of individual fires or embedding it in landscape management simulation models. It can be used to produce probabilistic fire scar predictions by allowing for uncertainty concerning the basic spread rate predictions and uncertain weather scenarios that might drive their growth.

研究の動機と目的

• 異種の土地被覆を対象とした大規模な野火動態を効率的にモデリングできる高性能でオープンソースの火災拡大シミュレータの開発。
• 火災拡大シミュレーションを長期戦略的森林・燃料管理計画フレームワークに統合することの可能化。
• 拡大速度と天候シナリオの不確実性を組み込むことで、確率的火災スカーシナリオ予測を支援すること。
• 実際の火災事例と仮想の火災事例を用いて、最先端のPrometheusシミュレータと比較して性能と正確性を検証すること。
• 研究者および実務家が透明で再現可能な手法で火災拡大をシミュレート・分析できる、モジュール型で拡張可能なツールの提供。

提案手法

• ランドスケープが100×100 mのセルに分割され、各セルに燃料種別、地形、燃料湿潤度、天候属性が割り当てられる。
• 各セル内での火災拡大は楕円形としてモデル化され、カナダの森林火災行動予測（FBP）システムから導出された拡大速度が用いられる。
• セルオートマトン手法を用い、並列計算により大規模な空間的・時間的領域において効率的なスケーリングを実現。
• 確率的 ignitions、不確実な天候入力、拡大速度予測の不確実性をサポートし、確率的火災スカーモデリングを可能にする。
• 火災境界の進化や構造的類似度指標（SSIM）を含む空間的および統計的出力が生成され、分析および検証に用いられる。
• 性能の検証は、22時間にわたる実際の火災事例（2001年Dogrib火災）について、Cell2Fireの出力とPrometheusの出力を比較することで実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cell2Fireは、最先端のPrometheusシミュレータと比較して、実際の火災および仮想の火災の拡大をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 時間の経過とともに、Cell2Fireは観測された火災スカーとどの程度構造的および統計的に類似しているか？
• RQ3 大規模な火災シミュレーションにおいて、Cell2Fireの計算スケーラビリティおよび並列処理効率はどの程度か？
• RQ4 拡大速度と天候条件の不確実性を組み込むことで、Cell2Fireは確率的火災スカーモデリングを効果的に支援できるか？
• RQ5 Cell2Fireは戦略的森林・燃料管理計画フレームワークにどの程度効果的に統合できるか？

主な発見

• Cell2Fireは、22時間にわたるシミュレートされた火災拡大において、全体の平均精度が91.82％（1-MSE）で、構造的類似度（SSIM）が87.91％に達し、Prometheusとほぼ一致した。
• 性能指標は最初の4時間は安定していたが、4～11時間にかけて極端な天候条件により火災拡大近似の差が拡大し、低下した。
• 11時間以降、精度およびSSIMは安定化し、火災境界の持続的な構造的差にもかかわらず一貫した性能を示した。
• 2002年Dogrib火災の衛星観測火災スカーと比較して、視覚的および定量的比較により、Cell2Fireの結果は実際の火災スカーと高い一致を示した。
• 22時間すべての期間において、Cell2FireのMSEおよびSSIMは、Prometheusと20％以内の差に収まり、大規模シミュレーションにおける信頼性と妥当性を裏付けた。
• モデルのオープンソースかつモジュール型の設計により、カスタマイズが可能であり、管理フレームワークへの統合が可能で、火災拡大予測における不確実性の定量化を支援できる。