| Data: |
2026 |
| Resum: |
Els simuladors d'incendis forestals són eines essencials per anticipar la dinàmica del foc i donar suport a la presa de decisions durant els Extreme Wildfire Events (EWEs), en què la propagació ràpida, l'elevada incertesa i les restriccions temporals operatives posen a prova els enfocaments de modelització existents. Els simuladors basats en Elliptical Wave Propagation (EWP), com ara FARSITE, ofereixen un bon equilibri entre precisió i eficiència, però presenten limitacions crítiques quan operen a altes resolucions espacials: fallades en l'eliminació de bucles durant la reconstrucció del perímetre, un increment del cost computacional i una menor robustesa geomètrica. Aquesta tesi aborda aquests reptes mitjançant la introducció de tres contribucions metodològiques complementàries que, conjuntament, defineixen una nova generació de models de simulació basats en EWP. En primer lloc, es presenta el Boundary α-shape, un algorisme de reconstrucció del front del foc sense paràmetres, dissenyat específicament per superar les els inconvenients que apareixen en el Loop Removing Algorithm (LRA) clàssic. Basant-se en la triangulació de Delaunay i en descriptors geomètrics i estadístics locals, el Boundary α-shape reconstrueix perímetres estables i precisos, alhora que redueix la complexitat computacional i permet simulacions a resolucions més fines. En segon lloc, la tesi proposa el Point Cloud Burned-Area Model (PCBAM), un nou paradigma de propagació del foc que abandona la propagació de fronts poligonals en favor d'una representació mitjançant núvols de punts. El PCBAM accelera significativament les simulacions de propagació del foc en reduir les dependències algorítmiques i permetre múltiples estratègies de propagació (Last Known Normal (LKN), Last Spread Direction (LSD), Fixed Composite Normal (FCN) i Time Responsive Normal (TRN)) amb una major flexibilitat geomètrica. En tercer lloc, s'introdueix una representació paramètrica del front del foc basada en Composite Bézier Curves (CBC) per obtenir geometries de front més suaus i físicament més consistents, així com aproximacions més precises del model de Richards, sense incrementar el cost computacional. Totes les contribucions són avaluades rigorosament en escenaris idealitzats i en dos incendis reals a Catalunya, Pont de Vilomara (2022) i Portbou (2023), utilitzant mètriques de disparitat, precisió i rendiment. Els resultats mostren que el Boundary α-shape redueix de manera consistent els errors de reconstrucció i el temps computacional, que el PCBAM aconsegueix una acceleració superior a un ordre de magnitud respecte als fluxos de treball EWP clàssics mantenint la coherència geomètrica, i que la representació paramètrica millora l'estimació de normals i la fidelitat de la interpolació del front. Finalment, la tesi integra aquests avenços a Pyra, un simulador prototip que demostra la seva aplicabilitat conjunta en contextos operatius. En conjunt, aquestes contribucions estableixen un nou paradigma per a la simulació d'incendis forestals, més ràpid, més robust i capaç d'explotar dades d'alta resolució, millorant així les capacitats predictives necessàries per gestionar els escenaris moderns d'incendis forestals extrems. |
| Resum: |
Los simuladores de incendios forestales son herramientas esenciales para anticipar la dinámica del fuego y apoyar la toma de decisiones durante los Extreme Wildfire Events (EWEs), donde la rápida propagación, la alta incertidumbre y las restricciones temporales operativas ponen en tensión los enfoques de modelización existentes. Los simuladores basados en Elliptical Wave Propagation (EWP), como FARSITE, ofrecen un buen equilibrio entre precisión y eficiencia, pero presentan limitaciones críticas cuando operan a altas resoluciones espaciales: fallos en la eliminación de bucles durante la reconstrucción del perímetro, aumento del coste computacional y una menor robustez geométrica. Esta tesis aborda estos retos mediante la introducción de tres contribuciones metodológicas complementarias que, en conjunto, definen una nueva generación de modelos de simulación basados en EWP. En primer lugar, se presenta Boundary α-shape, un algoritmo de reconstrucción del frente del fuego libre de parámetros, diseñado específicamente para superar los inconvenientes que aparecen en el Loop Removing Algorithm (LRA) clásico. Basándose en la triangulación de Delaunay y en descriptores geométricos y estadísticos locales, Boundary α-shape reconstruye perímetros estables y precisos, reduciendo la complejidad computacional y permitiendo simulaciones a resoluciones más finas. En segundo lugar, la tesis propone el Point Cloud Burned-Area Model (PCBAM), un nuevo paradigma de propagación del fuego que abandona la propagación de frentes poligonales en favor de una representación mediante nubes de puntos. PCBAM acelera de forma significativa las simulaciones de propagación del fuego al reducir las dependencias algorítmicas y permitir múltiples estrategias de propagación (Last Known Normal (LKN), Last Spread Direction (LSD), Fixed Composite Normal (FCN) y Time Responsive Normal (TRN)) con una mayor flexibilidad geométrica. En tercer lugar, se introduce una representación paramétrica del frente del fuego basada en Composite Bézier Curves (CBC) para obtener geometrías de frente más suaves y físicamente más consistentes, así como aproximaciones más precisas del modelo de Richards, sin incrementar el coste computacional. Todas las contribuciones se evalúan rigurosamente en escenarios idealizados y en dos incendios reales en Cataluña, Pont de Vilomara (2022) y Portbou (2023), utilizando métricas de disparidad, precisión y rendimiento. Los resultados muestran que Boundary α-shape reduce de forma consistente los errores de reconstrucción y el tiempo computacional, que PCBAM logra una aceleración superior a un orden de magnitud respecto a los flujos de trabajo EWP clásicos manteniendo la coherencia geométrica, y que la representación paramétrica mejora la estimación de normales y la fidelidad de la interpolación del frente. Finalmente, la tesis integra estos avances en Pyra, un simulador prototipo que demuestra su aplicabilidad conjunta en contextos operativos. En conjunto, estas contribuciones establecen un nuevo paradigma para la simulación de incendios forestales, más rápido, más robusto y capaz de explotar datos de alta resolución, mejorando así las capacidades predictivas necesarias para gestionar los escenarios modernos de incendios forestales extremos. |
| Resum: |
Wildfire simulators are essential tools for anticipating fire dynamics and supporting decision-making during Extreme Wildfire Events (EWEs), where rapid spread, high uncertainty, and operational time constraints challenge existing modeling approaches. Elliptical Wave Propagation (EWP) simulators such as FARSITE provide a good balance between accuracy and efficiency, yet they face critical limitations when operating at high spatial resolutions: loop-removal failures during perimeter reconstruction, increasing computational cost, and reduced geometric robustness. This thesis addresses these challenges by introducing three complementary methodological contributions that jointly define a new generation of EWP-based simulation models. First, it presents Boundary α-shape, a parameter-free fire-front reconstruction algorithm specifically designed to overcome the handicaps that arise in classical Loop Removing Algorithm (LRA). Building on Delaunay triangulation and local geometric and statistical descriptors, Boundary α-shape reconstructs stable, accurate perimeters while reducing computational complexity and enabling simulations at finer resolutions. Second, the thesis proposes the Point Cloud Burned-Area Model (PCBAM), a novel fire-spread paradigm that abandons polygonal front propagation in favor of a point-cloud representation. PCBAM significantly accelerates fire spread simulations by reducing algorithmic dependencies and enabling multiple propagation strategies (Last Known Normal (LKN), Last Spread Direction (LSD), Fixed Composite Normal (FCN) and Time Responsive Normal (TRN)) with improved geometric flexibility. Third, a parametric fire-front representation based on Composite Bézier Curves (CBC) is introduced to obtain smoother, more physically consistent front geometries and more accurate approximations of Richards' model without increasing computational overhead. All contributions are rigorously evaluated on idealised scenarios and two real wildfires in Catalonia, Pont de Vilomara (2022) and Portbou (2023), using disparity, accuracy, and performance metrics. Results show that Boundary α-shape consistently reduces reconstruction errors and computational time, PCBAM achieves more than an order of magnitude speed-up over classical EWP workflows while maintaining geometric coherence, and the parametric representation improves normal estimation and front interpolation fidelity. Finally, the thesis integrates these advances into Pyra, a prototype simulator demonstrating their combined applicability in operational contexts. Together, these contributions establish a new paradigm for wildfire that is faster, more robust, and capable of exploiting high-resolution data, thereby enhancing the predictive capabilities required to manage modern extreme wildfire scenarios. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Informàtica |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Simulació d'incendis forestals ;
Wildfire simulation ;
Simulación de incendios ;
Composició de Curves Bézier ;
Composite Bézier Curves ;
Composición de Curvas Bézier ;
Propagació de núvol de punts ;
Point cloud propagation model ;
Propagación de nube de puntos ;
Tecnologies |
visitant ::
identificació
