Μοντελοποίηση και υπολογιστική προσομοίωση της δυναμικής εξάπλωσης πυρκαγιών σε μεγάλης κλίμακας ετερογενείς εκτάσεις με χρήση γεωγραφικών πληροφοριακών συστημάτων και κυτταρικά αυτόματα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Μοντελοποίηση και υπολογιστική προσομοίωση της δυναμικής εξάπλωσης πυρκαγιών σε μεγάλης κλίμακας ετερογενείς εκτάσεις με χρήση γεωγραφικών πληροφοριακών συστημάτων και κυτταρικά αυτόματα» εκπονήθηκε στα πλαίσια της προπτυχιακής εκπαίδευσής μου στη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Σκοπός της εργασίας είναι καταρχάς η γνωριμία και η μελέτη της υπολογιστικής μεθόδου των κυτταρικών αυτόματων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην εφαρμογή τους σε μοντέλα προσομοίωσης της διάδοσης μιας φωτιάς σε δάσος και συγκρίνοντάς τα ως προς τη συμπεριφορά τους κατά τη διαδικασία αυτή. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί η προσομοίωση της δυναμικής της εξάπλωσης μιας φωτιάς σε μεγάλης κλίμακας ετερογενές περιβάλλον συνδυάζοντας δεδομένα από Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα (GIS data) και τη διαδικασία της επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας (Image Processing) ώστε να λαμβάνονται υπ’όψη πλήθος παραγόντων που την επηρεάζουν, όπως η κλίση του εδάφους, τα χαρακτηριστικά του ανέμου και της βλάστησης στην περιοχή διάδοσης. Για το σκοπό αυτό επιχειρείται η κατασκευή ενός μοντέλου Κυτταρικού Αυτόματου για την προσομοίωση ενός πραγματικού γεγονότος, την πυρκαγιά που ξέσπασε στις Σπέτσες τον Αύγουστο του 1990 καταστρέφοντας ένα μεγάλο μέρος της βλάστησης του νησιού. Τέλος, αυτή η εφαρμογή του μοντέλου σε μια περίπτωση πραγματικής πυρκαγιάς δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με τα πραγματικά και προβάλει την επάρκεια της μεθόδου στην πρόβλεψη της διάδοσης της φωτιάς, γεγονός που θα μπορούσε να ωφελήσει στις προσπάθειες αντιμετώπισης μιας τέτοιας κατάστασης.

This Diploma Thesis entitled «Modeling and Computational Simulation of Dynamic Fire Spread in Large Scale Heterogeneous Environments using Geographical Information Systems and Cellular Automata» was produced as part of my undergraduate education at the School of Applied Mathematics and Physical Sciences of The National Technical University of Athens. The purpose of the Thesis is, initially, the familiarity in the use of the computational method of Cellular Automata, emphasizing on their application to models that simulate the spread of a fire in forests and comparing them to their behaviour during this process.Moreover the basic objective is to simulate the dynamics of the spread of fire in large scale heterogeneous environment combining theory from combustion, fluid mechanics, data from Geographic Information Systems (GIS data) and digital image processing techniques. Key-factors that affect the fire spread, such as the slope of the ground, the wind’s velocity and direction and the type and the density of the vegetation in the area of dissemination were also taken into account. Towards this aim a model of Cellular Automata is constructed for the simulation of a real wildland fire incident: the wild fire that broke up on the Greek island Spetses in August of 1990 and destroyed a major part of the island’s forest. Finally, this model’s application on a real incident gives the opportunity to compare the simulation’s results with the real ones. This comparison points out the adequacy of the method to predict the spread of the fire, which could be very important and beneficial when dealing with similar situations