Thesis:

Open-source Framework for Chilean Wildfire Spreading and Effects Analysis

Los incendios forestales son un problema de interés global que afectan frecuentemente a nuestro país, quemando miles de hectáreas de bosques, destruyendo la flora y fauna, afectando el aire, los ciclos del agua y el ecosistema. Estos daños han generado importantes pérdidas económicas, ambientales y sociales. Según estadísticas de CONAF, en Chile el 99,7% de los incendios son causados por negligencia humana y, entre 1963 y 2020, se han producido más de 250 mil incendios forestales, con más de 3 millones de hectáreas quemadas. Debido a los problemas generados por este tipo de fenómenos, se han desarrollado diversos enfoques para abordar la problemática, los que pueden clasificarse en: evaluación de riesgos, propagación y efectos. Nuestro enfoque está en los modelos de propagación, los cuales pueden subclasificarse en físicos, empíricos e híbridos. Como ejemplo, dos de los enfoques más explorados durante las últimas décadas son los modelos discretos, como los autómatas celulares, y los modelos continuos basados en ecuaciones diferenciales. El desarrollo de estos modelos ha permitido la creación de una gran variedad de software, aunque solo algunos de ellos son de código abierto. Este proyecto de tesis propone el desarrollo de un marco de trabajo (framework) de código abierto, basado en ecuaciones diferenciales, para apoyar el estudio de la propagación de incendios forestales, incluyendo características geográficas y meteorológicas de Chile. Por la estructura del algoritmo, se implementará en GPU para reducir los tiempos de simulación numérica en la generación de mapas de riesgo. Adicionalmente, este trabajo presenta un método numérico eficiente para el cálculo del modelo de propagación del fuego y la implementación del algoritmo asociado. El algoritmo presenta propiedades positivas de estabilidad, convergencia y complejidad. Además, la implementación en GPU del algoritmo propuesto supera a tres implementaciones diferentes en CPU. Estos resultados satisfactorios permiten concluir que el framework de código abierto es una herramienta válida para el estudio de incendios forestales.

Wildfires are a problem of global interest that frequently affect our country, burning thousands of hectares of forests, destroying flora and fauna, affecting the air, water cycles and the ecosystem. These damages have generated significant economic, environmental and social losses. According to CONAF statistics, in Chile 99.7% of fires are caused by human negligence and from 1963 to 2020 more than 250 thousand wildfires have been occurred with more than 3 million hectares burned. Due to the problems generated by this type of phenomena, several approaches have been developed to address the problem, which can be classified into: risk assessment, propagation and effect. Our focus is on propagation models, which can be sub classified into physical, empirical and hybrid. As an example, two of the highly explored approaches during the last decades are discrete models, such as cellular automata and continuous models based on differential equations. The development of these models has allowed the creation of a wide variety of software, but only few of these are open-source. This thesis project proposes the development of an open-source framework, based on differential equations, to support the study of the wildfire spreading by including Chilean geographical and meteorological characteristics. By the algorithm structure, it will be implemented in GPU to reduce the numerical simulation times in the generation of risk maps. Additionally, this work presents an efficient numerical method for the computation of the fire propagation model and the implementation of the associated algorithm. The algorithm presents positive properties of stability, convergence, and complexity. Also, the GPU implementation of the proposed algorithm outperforms 3 different CPU implementations. These satisfactory results lead to the conclusion that the open-source framework is a valid instrument for the study of wildfires.