Cell2Fire软件的新扩展功能，用于智利森林的火灾风险分析与评估

《Environmental Modelling & Software》：New extensions of Cell2Fire software for fire risk analysis and evaluation in Chilean forests

　　**Jaime Carrasco-Barra** | **José Ramón González-Olabarria** | **Camilo Matus-Olivares** | **Felipe Ulloa-Fierro** | **Felipe Soto** | **David Palacios** | **Rodrigo Mahaluf** | **Felipe de la Barra** | **Carolina Espinoza** | **Matías Vilches** | **Matilde Rivas** | **Fernando Badilla** | **Horacio Gilabert** | **Miguel Castillo** | **Jorge Saavedra** | **Fulgencio Lisón** | **Jordi Garcia-Gonzalo** | **Andrés Weintraub**
**智利首都科技大学，工业系，圣地亚哥**

**摘要**
野火的空间模拟是火灾管理中的一个宝贵工具，既有助于预防也能支持操作决策。然而，许多现有的工具并未公开提供，或者需要限制性的许可证。本文介绍了C2FK，这是一个开源模拟器，旨在通过迭代和空间明确的模拟来模拟智利境内的火势蔓延，并生成燃烧概率地图。C2FK基于Cell2Fire引擎构建，整合了智利国家火灾行为系统KITRAL的改编版本。该实现包括新的方程式，用于根据风速估算火势蔓延速率和长宽比，并采用椭圆形火灾增长模型。此外，它还加入了冠层火行为模块，从而扩展了预测能力，不再仅限于地表火。我们通过将C2FK的输出与合成和真实的野火场景进行比较来评估其准确性及可扩展性。C2FK支持跨平台计算和并行计算，为智利及其他易发生火灾地区的风险评估、情景分析和野火规划提供了灵活且高性能的解决方案。

**引言**
野火已成为一个日益严重的全球性问题，对生态系统、基础设施和人类生活产生了日益严重的影响。在智利尤其如此，气候变化、城市扩张以及森林燃料在野生地-城市交界区（WUI）的积聚显著增加了野火风险（Aguirre等人，2023年；Carrasco-Escaff等人，2024年）。在2016-2017年的季节中，瓦尔帕莱索地区和拉阿劳卡尼亚地区之间有近60万公顷的土地被烧毁，造成3000多所房屋受损，11人死亡。最近，在2022-2023年的季节里， ?uble地区有12.5万公顷、Biobío地区有2.1万公顷、La Araucanía地区有5.5万公顷的土地遭受野火侵袭，导致1156所房屋毁坏，3276人流离失所，26人死亡。2023-2024年的季节，智利发生了最具破坏性的野火事件之一：超过130人丧生，6000多所房屋被毁，近5.2万公顷的土地被烧毁，维纳德尔马市受影响尤为严重（Bowman等人，2019年；Gómez-González等人，2025年；Kolden等人，2025年；Libonati，2024年；Sarricolea等人，2020年）。这些灾难性事件凸显了开发强大、可扩展且适应当地条件的野火风险分析、预防和响应工具的紧迫性。

理解和预测野火行为是一项复杂的任务。火的行为不仅取决于燃料的固有特性，还取决于地形、气象条件以及植被的空间分布（Scott和Reinhardt，2013年）。近几十年来，实地和实验室研究的进步以及灭火操作经验的积累，促进了能够估算火势蔓延、强度和影响的数学模型和模拟工具的发展（Cardil等人，2021年；Fujioka等人，2008年）。这些工具现在对于灭火操作和预防性景观规划都至关重要（Martell，2015年；Tymstra等人，2020年）。

全球已开发并实施了多种火灾行为系统。在北半球，加拿大火灾行为预测（FBP）系统（Hirsch，1996年）根据静态的燃料、天气和地形输入来估算关键火灾行为变量（如蔓延速率、强度、燃料消耗量和火灾类型）。在美国，BEHAVE系统（Burgan和Rothermel，1984年）及其衍生系统（例如FlamMap Finney，2006年；FARSITE Finney，1998年；FSPro Finney等人，2011年）因其灵活性和适应不同地形的能力而被广泛使用（Andrews，2014年）。包括澳大利亚、西班牙、葡萄牙、意大利和新西兰在内的其他国家也根据自身情况开发或调整了火灾行为模型（Elia等人，2015年；Kalabokidis，2012年；Papadopoulos和Pavlidou，2011年；Pearce等人，2008年；Salis等人，2021年；Silva等人，2022年）。在智利，KITRAL系统于20世纪90年代开发，成为该国预测火灾行为和蔓延的主要工具（Pedernera和Julio，1999年）。KITRAL结合了本地推导出的经验方程和单元格火灾蔓延模拟器来估算地表火行为和火势边界。该系统已通过超过400起野火事件得到验证，对于面积超过60公顷的火源，预测准确性高达93.5%（Pedernera和Julio，1999年；Soto等人，2010年）。尽管如此，KITRAL也存在一些局限性：它没有纳入冠层火动态，缺乏对现代计算技术（如并行处理）的支持，并依赖于经验传播因子而非椭圆形火灾增长模型（Castillo等人，2020年），而FBP和BEHAVE系统采用了后者（Alexander，1985年；Richards，1990年）。此外，KITRAL不是开源的；其软件和源代码无法公开获取，这限制了其在研究或操作中的可复制性和更广泛的应用。

相比之下，Cell2Fire（以下简称C2F）是一种新开发的模拟器，它基于椭圆形火灾增长模型，使用元胞自动机方法在景观尺度上模拟野火蔓延（Pais等人，2021a）。最初是为加拿大的燃料处理优化设计的，后来应用于西班牙的火灾场景（González-Olabarria等人，2023年）。C2F是开源的、模块化的，并支持并行计算，因此具有高度的可扩展性和适应性（例如Pais等人，2021b；Murray等人，2025年）。然而，其默认参数设置基于加拿大的FBP系统（Hirsch，1996年），这可能限制了其在火灾特征和植被结构不同的生态系统中的适用性（Pais等人，2021a）。具体来说，FBP系统是在北方森林条件下开发的，可能无法充分反映智利中部和南部地区典型的地中海型生态系统的火灾动态。燃料结构、物种组成和气候条件的差异可能导致在不同背景下应用这些模型时预测的火势蔓延和强度出现偏差。相反，KITRAL系统提供了本地校准的火灾行为关系，更能准确反映智利的燃料类型和操作条件。然而，其有限的灵活性、缺乏开放访问权限以及不支持大规模蒙特卡洛集合模拟限制了其在现代火灾风险分析中的应用。为解决这些问题，已将基于KITRAL的火灾行为公式整合到Cell2Fire框架中，该框架结合了本地相关的火灾行为建模和一个可扩展的开源平台，能够支持概率火灾模拟和决策过程。

C2F仍在积极开发中，越来越多的研究项目和操作项目正在扩展其功能和全球影响力。例如，它已被整合到FIREHOSE框架中，利用强化学习和基于代理的建模来模拟WUI地区的野火扑灭协调（Shen和Curtis，2024年）。Murray等人（2025年）将Cell2Fire与深度强化学习结合，用于加拿大北方森林的燃料处理优化。最近的研究探讨了将其与基于AI的预测系统集成以改进实时应急响应（Valente等人，2025年）。此外，Cell2Fire还被嵌入到BurnP3+（见https://burnp3.github.io/BurnP3Plus/）中，这是一种由加拿大林业局与ApexRMS合作开发的下一代系统，采用蒙特卡洛模拟方法。BurnP3+通过蒙特卡洛模拟实现大规模燃烧概率映射，并通过与R和Python的集成支持高级野火风险分析工作流程（详见SynconSim项目）。这些发展突显了Cell2Fire在科学研究和多样化地理区域的操作野火管理中的多功能性、可扩展性和日益重要的地位。

为了更好地说明这项工作的贡献，表1总结了原始Cell2Fire（C2F）、KITRAL系统和提出的C2FK模型之间的主要差异。虽然C2F为蒙特卡洛集合火灾模拟提供了一个灵活且可扩展的框架，但其依赖于基于加拿大FBP的参数设置，限制了其在智利生态系统的适用性。相比之下，KITRAL提供了本地校准的火灾行为模型，但缺乏对现代计算工作流程、概率模拟和开放访问的支持。C2FK通过结合这两种方法的优点，将基于KITRAL的火灾行为公式整合到一个可扩展且开源的模拟环境中，支持火灾风险分析和决策。因此，我们推出了C2FK：一个新的开源模拟平台，结合了KITRAL经过验证的火灾行为方程和C2F的计算架构。我们的实现引入了新的方程式，根据风速估算火势蔓延速率和长宽比，采用椭圆形火灾蔓延模型。此外，我们还加入了冠层火行为模块，增强了模型对地表火动态之外的预测能力。该系统支持并行计算，能够在不确定性下生成燃烧概率地图和风险指标。C2FK旨在为研究人员、土地管理者和应急响应机构提供灵活、可扩展且免费的商业软件替代方案。它支持在大范围景观上进行空间明确的模拟，并允许迭代情景测试，有助于基于风险的决策和长期野火规划。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了材料和方法，包括（i）C2FK中的单元格-椭圆形火灾模型（继承自Cell2Fire），（ii）C2FK采用的火灾行为模型，（iii）软件性能评估，（iv）实验实例描述，以及（v）燃烧概率指标。我们还描述了实验实例，包括燃料类型图和天气情景。第3节展示了C2FK与旧版本KITRAL软件以及真实野火事件之间的比较结果。我们还展示了如何使用C2FK生成燃烧概率地图，并讨论了其在决策中的潜在应用。最后，我们讨论了智利的数据可用性和与本工作相关的公共仓库。

**模型调整概述**
C2FK模型在原始Cell2Fire（C2F）框架的基础上，纳入了来自KITRAL系统的火灾行为公式，以提高其在智利生态系统的适用性。

**原始C2F模型**依赖于基于加拿大火灾行为预测（FBP）系统的参数设置，该系统是为北方森林条件开发的。虽然这种方法提供了一个稳健且可扩展的模拟框架，但它可能无法充分反映...

**结论**
在本研究中，我们提出了C2FK，这是一个专为智利背景定制的新型开源火灾蔓延模拟平台。C2FK基于Cell2Fire模拟器的架构，并整合了KITRAL系统中的经过验证的经验火灾行为方程，使其能够在不同的天气和景观条件下模拟地表火和冠层火动态。尽管结果很有希望，但仍需要进一步的实证验证以提高对冠层火预测的信心。

**作者贡献声明**
Jaime Carrasco-Barra：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，软件，方法论，研究调查，资金获取，正式分析，概念化。
José Ramón González-Olabarria：撰写——审稿与编辑，方法论，研究调查，数据管理。
Camilo Matus-Olivares：可视化，验证，软件，数据管理。
Felipe Ulloa-Fierro：方法论，可视化，撰写——审稿与编辑。
Felipe Soto：可视化，数据管理。

**软件可用性**
- **软件名称**：C2FK
- **开发者**：智利首都科技大学（ISCI）复杂工程系统研究所
- **联系方式**：Jaime Carrasco，[e-mail]/[e-mail] 或 Matilde Rivas，[e-mail]
- **首次正式发布**：2022年（版本1.0）
- **硬件要求**：PC
- **系统要求**：Windows、Linux和Mac
- **编程语言**：Java和Python 3.x
- **程序大小**：214 KB
- **可获取途径**：https://github.com/fire2a/C2FK
- **许可证**：BSD-3许可证

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本工作得到了“UTEM研究助理资助竞赛”（2024年，代码AI25-06）和“科学技术设备竞赛”（2024年，代码LE24-02）的支持，由智利首都科技大学资助。本工作还得到了智利国家研究与发展局（ANID）通过项目IT23I0109以及欧盟“Horizon 2020研究与创新计划”的支持：（1）名为“创新技术”的项目