Prometheus-ohjelma

Kanadalaisen CFFDRS-järjestelmään perustuva Prometheus-ohjelma on tarkoitettu laajojen metsäpalojen leviämisen mallinnukseen heterogeenisessä maastossa ja sääolosuhteissa. Sen tarkoituksena on toimia Kanadan paloviranomaisten työkaluna suunnitellessa palontorjuntaa antamalla ennusteen palon käyttäytymisestä. Kanadassa metsäpalojen leviämisen mallinnuk-seen liittyvää kehitystyötä on tehty jo 1920-luvulla ja Prometheus-ohjelman kehitystyö alkoi vuonna 1999. Tälle ohjelmalle asetettuihin tavoitteisiin kuuluivat muun muassa se, että palon leviämisen mallinnus on tarpeeksi nopeaa operatiivista käyttöä varten. Ohjelman haluttiin myös toimivan omana kokonaisuutenaan, ja että sitä voidaan hyödyntää yhdessä muiden oh-jelmien kanssa. (Tymstra ym. 2010.) Ohjelman versio 1.0 on julkaistu vuonna 2002 ja ohjel-maan julkaistaan aktiivisesti uusia päivityksiä. Tässä työssä käytettiin ohjelman viimeisintä versiota, versio 6.2.4. Tämä versio julkaistiin 13.01.2019.

Prometheus-ohjelma on tyypiltään deterministinen vektori etenemismalli. Ohjelma on vapaasti kenen tahansa ladattavissa ohjelman kotisivuilta (Prometheus 2019). Sen toiminta perustuu tällä hetkellä viisiosaiseen Windows COM-ympäristön kokonaisuuteen, joka mahdollistaa oh-jelman osittaisen muokkaamisen ilman lähdekoodin luovuttamista. Ohjelma itsessään on Pro-metheusCOM, joka koostuu viidestä muusta COM-osasta; FireEngine, FuelCom, FWICom, GridCom ja WeatherCom. (COM programmer Documentation 2014.) Ohjelma on tällä hetkellä kehitystyön alla, jossa COM-rakenne korvataan moderneilla ohjelmointirajapinnoilla. Muutos-ten myötä ohjelman operatiivinen käyttö helpottuu järjestelmän siirtyessä modernimpaan tie-tojärjestelmäarkkitehtuuriin, mikä mahdollistaa muun muassa ohjelman käytön verkkopalveli-mella. (McLoughlin 2019.)

Ohjelman toiminta perustuu CFFDRS-järjestelmään ja sen kahteen alajärjestelmään, FWI ja FBP. FWI-, ja FBP-järjestelmät on tarkemmin käyty läpi kappaleessa 2.5.2 Kanadan metsäpa-loindeksi. Prometheus-ohjelmassa palon leviämisen mallintaminen alkaa muodostamalla syt-tymispisteen ympärille polygoni, jonka muoto riippuu syttymisen tyypistä (piste, viiva tai po-lygoni syttymispiste). Muodostetun popo-lygonin ympäriltä valitaan popo-lygonin kärjet, joiden määrä ja sijainti riippuvan muodostetun polygonin muodosta. Näille pisteille lasketaan omat

28

palon käyttäytymiseen liittyvät arvot. Lisäksi lasketaan näiden pisteiden muodostaman polygo-nin pinta-ala. Mikäli syttymispisteenä käytettiin pistemuotoista vektoria, niin ohjelma laskee alussa käytettävän kiihtyvän leviämisen nopeuden, kunnes saavutetaan paloainekselle ominai-nen tasaiominai-nen palon leviämisnopeus. (Tymstra ym. 2010.)

Palon sytyttämisen jälkeen palon leviäminen tapahtuu ohjelmassa viisivaiheisissa silmukoissa (Tymstra ym. 2010):

1. Polygonin uusien kärkien sijainnit lasketaan käyttäen edellisen silmukan aikana lasket-tuja palon käyttäytymiseen liittyviä arvoja.

2. Muodostetun uuden polygonin muoto tasoitetaan.

3. Mikäli polygoni on osunut fyysiseen esteeseen, tarkistetaan riittääkö liekinpituus ylit-tämään esteen. Mikäli ei, niin polygoni rajataan esteen mukaiseksi ja siihen osuneet kärjet otetaan pois käytöstä. Mikäli liekinpituus on riittävä, niin palon annetaan levitä esteen yli.

4. Tarkistetaan, ettei polygoni ole itsensä kanssa ”solmussa” taikka mene toisen polygonin kanssa päällekkäin. Mahdolliset solmut ”avataan” ja törmäävät polygonit yhdistetään uudeksi alueeksi.

5. Uusille kärjille lasketaan palon käyttäytymiseen liittyvät arvot ja silmukka alkaa alusta.

Silmukkaa toistetaan, kunnes simulaatiolle määritetty kesto päättyy tai kaikki kärjet ovat sam-muneet törmättyään ylitsepääsemättömään esteeseen. Kuvassa 8 on esitetty yksinkertaistetusti palon leviämisen mallintaminen vektori etenemismalleissa. Tämän jälkeen lasketaan viimeiset palon käyttäytymiseen liittyvät arvot sekä lopullinen paloala. Ohjelmalla voidaan manuaali-sesti määritellä haluttu spatiaalinen ja temporaalinen resoluutio, jonka välein silmukan lasken-taan käytetyt paloaines ja säätiedot tarkistelasken-taan. Ohjelman oletusasetusten on tarkoitus varmis-taa, että uudet arvot tarkistetaan aina saavutettaessa uusi solu taikka säätiedon muuttuessa.

(Tymstra ym. 2010.)

29

Kuva 8. Vektori etenemismallissa palon leviämisen mallintaminen. a) Polygonin ympäriltä va-litaan pisteet, joista paloa levitetään. b) Leviämisen laajuus lasketaan kullekin pisteelle, perus-tuen solussa olevaan paloainekseen sekä säätietoihin. c) Muodostetaan uusi palorintama.

Lähde: Tymstra ym. 2010

Prometheus-ohjelman käyttämä data

Prometheus-ohjelmalla palon leviämisen mallinnusta varten tarvitaan tiedot alueen topografi-asta, alueen säästä sekä syttymispisteen sijainnista ja syttymishetkestä. Näiden lisäksi käyttäjä voi tuoda tai määritellä muitakin tarkentavia tietoja, kuten paloesteitä ja säävyöhykkeitä. Tark-kojen tulosten kannalta tarkentavat tiedot ovat tärkeitä huomioida ja Suomesta on saatavilla laadukasta ja avointa dataa käytettäväksi palon leviämisen mallinnukseen. Liitteessä 2 on esi-tetty kaikki ohjelmassa käytettävät tiedot. Taulukossa on myös kerrottu, onko lisättävä tieto pakollista, tiedostotyyppi ja muoto, sekä mistä tämä tieto voi olla Suomessa mahdollista saada.

Ohjelman käytön kannalta pakolliset tiedostot koostuvat paloainesten sijaintia kuvaavasta pa-loaineshilasta, säästä joko tunnin tai vuorokauden temporaalisella resoluutiolla ja syttymispis-teen sijainnista ja ajankohdasta (Tymstra ym. 2010). Ohjelmassa on mahdollista hyödyntää myös muita tietoja; esimerkiksi paloesteinä toimivat fyysiset elementit ovat leviämisen mallin-tamisen kannalta olennaisia vektoreita. Vaikka korkeusmalli (Digital Elevation Model (DEM)) ei olekaan pakollinen tiedosto, voidaan sitä pitää lähes pakollisena luotettavan mallinnuksen kannalta, koska se on merkittävä palon leviämisnopeuteen vaikuttava osa ja vapaasti saatavilla.

Hilamuotoisten tiedostojen tulee olla samassa projektiossa, resoluutiossa ja laajuudessa keske-nään, jotta niitä voidaan käyttää. Vektoritiedostoille ei ole vastaavanlaisia vaatimuksia, mutta suurikokoisten tiedostojen käyttö aiheuttaa merkittävää hidastumista ohjelman käytön kan-nalta, joten niiden rajaaminen rasteritiedostojen laajuudelle on suositeltavaa.

Paloaineshila ja korkeusmalli muodostavat yhdessä alueen topografian. Paloaineshila kuvaa alueella olevaa kasvillisuutta perustuen FBP-järjestelmän 16 paloainestyyppiin. Ohjelmassa on

30

mahdollista muokata näitä paloainestyyppejä, ja ohjelman mukana tulevat erilliset tyypit Uu-den-Seelannin sekä Tasmanian paloaineksille. Paloaineshilan määrittelemät paloainestyypit saavat leviämisen mallintamiseen käytettävät numeeriset arvonsa ohjelmassa käytettävästä pa-loainestaulukosta (Fuel Lookup Table). Taulukko on CSV-muotoinen tiedosto, jonka avulla määritetään paloaineshilassa oleville arvoille mahdolliset uudet arvot, kussakin solussa olevan paloaineksen tyyppi sekä ohjelmassa paloainesten piirtämiseen käytettävät RGB/HSL väriar-vot. Korkeusmallia käytetään sekä aspektin että jyrkkyyden laskentaan, mutta myös joidenkin FBP-järjestelmän arvojen laskentaan (Tymstra ym. 2010). Käytettävä säätieto koostuu tunnin temporaalisella resoluutiolla lämpötilasta, suhteellisesta ilmankosteudesta, tuulen nopeudesta ja suunnasta sekä sateen määrästä. Mikäli tunnin tarkkuudella olevaa dataa ei ole saatavilla, voidaan ohjelmassa luoda säätiedoille päivittäisvaihtelua interpoloimalla arvot päivittäisten maksimi- ja minimiarvojen avulla (Tymstra ym. 2010). Säätiedot annetaan ohjelmaan virtuaa-lisena sääasemana, jolle kerrotaan myös koordinaatit ja korkeus merenpinnasta. Sääaseman suositellaan olevan korkeintaan 40 km etäisyydellä palosta. Viimeinen pakollinen tiedosto, syt-tymispisteen sijainti ja ajankohta, ovat vektorimuotoinen piste, viiva tai polygonitiedosto.

Tämä tiedosto on myös mahdollista luoda ohjelman sisällä.

Ylimääräiset ei-pakolliset tiedostot voivat antaa tietoa esimerkiksi kuusiviljelmän korkeudesta, kuolleen heinän osuudesta taikka paikallisista sääilmiöistä. Mikäli alueella on esimerkiksi poikkeavaa tuulen käyttäytymistä verrattuna sääaseman tuuliarvoihin, niin ohjelmaan voidaan tuoda, taikka luoda manuaalisesti säätietoja muokkaava ”tuulitunneli”.

Ohjelmassa on myös mahdollista määritellä erikseen eri päiville vaaditut minimiarvot palon leviämiselle. Tämän avulla on mahdollista estää paloa esimerkiksi leviämästä yöllä, tai mikäli olosuhteissa tiedetään tapahtuvan palon leviämistä rajoittavia tekijöitä.

Myös kasvukauden tuomia muutoksia on mahdollista huomioida ohjelmassa. Asettamalla kas-vukaudelle päivämäärät, voidaan määritellä milloin lehtipuihin kasvavat uudet lehdet sekä uu-den heinän kasvu. Nämä ovat merkittäviä palointensiteettiä laskevia tekijöitä (Lindberg ym.

2011), joiden huomioimisella voi olla suuret vaikutukset lopulliseen paloalaan.

Prometheus-ohjelmaan on myös mahdollista tuottaa tarkkoja tuulihiloja. Tavallisesti ohjelma käyttää samaa tunnin tarkkuudella olevaa tuulen suunta ja nopeus arvoa palon leviämisen mal-linnukseen. Tarkennettu tuulihila mahdollistaa maastonmuodoista johtuvat erot tuulen suun-nassa ja nopeudessa alueella. Tällä voi olla merkittävä vaikutus palon leviämiseen, mikäli alu-eella on voimakkaasti vaihtelevaa topografiaa. (Tymstra ym. 2010.)

31 Prometheus-ohjelman tuottamat tulokset

Prometheus-ohjelmalla suoritetusta mallista ensimmäinen tulos on käyttöliittymässä visuali-soitu palon leviäminen alueelle halutulla aikaresoluutiolla. Vektorimuotoinen paloalaa ku-vaava polygoni on mahdollista tallentaa ohjelmasta käytettäväksi paikkatietojärjestelmissä.

Käyttöliittymässä on myös mahdollista tarkastella taulukoitua tietoa FWI-, ja FBP-järjestelmän arvoista, sekä muista palon leviämiseen vaikuttavista muuttujista. Kyseiset taulukot on mah-dollista tallentaa CSV-muotoisina taulukkoina. Suoritetusta palon leviämisen mallinnuksesta on mahdollista tuottaa myös erilaisia hilamuotoisia tiedostoja, jotka sisältävät tietoa esimer-kiksi liekin pituudesta tai palon intensiteetistä. Hilatiedostot ja muut tuotettavat tiedot on tau-lukoitu liitteeseen 3.