41
İlkay ALTINTAŞ, Ph.D. PI, WIFIRE San Diego Supercomputer Center, UCSD [email protected] Using Cyberinfrastructure for Wildfire Resilience - A Scalable Data-Driven Monitoring and Dynamic Prediction Approach -

Using Cyberinfrastructure for Wildfire Resilience

Embed Size (px)

Citation preview

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

İlkay ALTINTAŞ, Ph.D. PI, WIFIRE San Diego Supercomputer Center, UCSD [email protected]

Using Cyberinfrastructure for Wildfire Resilience

- A Scalable Data-Driven Monitoring and Dynamic Prediction Approach -

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Fire  is  Part  of  the  Natural  Ecology    …  but  requires  Monitoring,  PredicCon  and  Resilience  

•  Wildfires  are  criCcal  for    ecology,  but  volaCle  

•  Fuel  load  is  high  due  to  fire  suppression  over  the  last  century  

•  Changes  in  rainfall,  wind,  seasons,    and  thus  wildfires,  potenCally  induced  by  climate  change  

•  BeKer  prevenCon,  predicCon  and    maintenance  of  wildfires  is  needed  

Photo  of  Harris  Fire  (2007)  by  former  Fire  Captain  Bill  Clayton  

Disaster  management  of  (ongoing)  wildfires  heavily  relies  on  understanding    

their  DirecCon  and  Rate  of  Spread  (RoS).  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

A  Scalable  Data-­‐Driven  Monitoring,  Dynamic  PredicCon  and  Resilience  Cyberinfrastructure  for  Wildfires                                                                                                                    (WIFIRE)  

Development  of:    “cyberinfrastructure”  for  “analysis  of  large  dimensional  heterogeneous  real-­‐Cme  sensed  data”  for  fire  resilience  before,  during  and  a0er  a  wildfire  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

What  is  lacking  in  disaster  management  today  is…    

 a  system  integraCon  of  real-­‐Cme  sensor  networks,  satellite  imagery,  near-­‐real  Cme  data  management  

tools,  wildfire  simulaCon  tools,  and  connecCvity  to  emergency  command  centers    

 .  ….  before,  during  and  aZer  a  firestorm.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Research  QuesCons  

•  Make  sensor  data  useful  – Large  dimension  to  levels  ingesCble  by  analyCcal  and  visual  pla]orms  

•  Combine  real-­‐Cme  data  with  physical  models  – Data-­‐driven  predicCve  and  prevenCve  capabiliCes  

•  Risk  assessment,  training  and  disseminaCon  using  developed  tools  – Both  municipal  and  firefighCng  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Data    Modeling  VisualizaCon  Monitoring  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

•  How  can  large  dimensional  heterogeneous  sensor  data  be  analyzed  systemaCcally  to  a  (lower  dimensional)  format  useful  for  informa6on  processing,  real-­‐6me  monitoring  and  visualiza6on?  

•  How  can  such  data  be  combined  with  exis6ng  scien6fic  models  to  allow  for  predic6on  of  propaga6ng  wildfires  and  potenCal  future  events  to  prepare  fire  fighters  and  the  public  for  regions  of  highest  risk?  

•  What  quality  and  density  of  real-­‐Cme  sensors  is  necessary  to  improve  both  the  predic6ve  and  preventa6ve  capabili6es  of  current  fire  models?  

•  How  can  such  informaCon  processing  be  easily  configured,  programmed  and  computed  by  end-­‐users  with  various  skill  levels  to  formulate  actual  real-­‐6me  data-­‐driven  environmental  alerts?  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Data  to  

Monitoring  

•  Data  Catalog  for  all  data  sources  

•  Web  interfaces  to  look  at  data  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Decision making for wildfire fighting and disaster management based on heterogeneous data:

Photograph by Mark Thiessen

Satellite data

Wildfire perimeter Wind, Vegetation Terrain.

Fire  Data  Today  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

High  Performance  Wireless  Research  and  EducaCon  Network  

Major  success  to  bring  internet  to  incident  command  in  the  field.  Used  in  over  20  fires  over  Cme.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Sensor  Network  and  Monitoring  Interfaces  

hKp://hpwren.ucsd.edu/cameras/   >160  Meteorological  Sensors  and  Growing  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

May  14,  2014  

¤  

San  Diego  County  Emergency  Map  displaying  fire  perimeter  informaCon  from  NICS.  

EM-­‐COP  system  is  powered  by  NICS.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

May  14th,  2014:  9  fires  burning  at  once  in  SD!  

•  Red  Mountain  Cams  South  (leZ)  "Highway”  Fire  

SW  (center  rear)  is  the  "Pointsela”  Fire  West  (right)  is  the  "Tomahawk”  Fire  

May  14:  More  than  1.8  million  HTTP  request  from  about  9,000  individual  IP  addresses  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Data  needs  to  be  integrated  and  accessible!  •  Data  sources  formally  described    

–  using  XML-­‐based  ontologies  and  cataloged  

•  Data  merged  from  mulCple  sources  into  a  single,  unified  model  –  Measurements  from  >  150  weather  staCons  –  Color  and  Near-­‐IR  images  from  >  100  cameras  –  Fire  perimeters,  e.g.,  InciWeb  ,  GeoMac,  SANDAG  –  Model  output,  e.g.,  FARSITE,  Firefly,  etc.  

•  A  unified  interface  to  access  data  –  Via  a  web  service  (REST-­‐based)  –  Offers  mulCple  formats  

•  XML,  GeoJSON,  WindNinja,  etc.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Data  CommunicaCon  Interface  •  Data  is    

–  extracted,  quality-­‐controlled,  and  stored  –  available  through  REST-­‐based  web  service  interfaces  –  homogenously  integrated  from  mulCple  sources    

•  IniCal  goal:  Up-­‐to-­‐the-­‐minute  coverage  availability  – Up-­‐to-­‐the-­‐moment  coverage  is  a  future  goal.  

•  Proposed  fire-­‐modeling  interface  is  uniform  over  modeled  and  real  fires  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

What  quesCons  can  you  ask  when  you  have  access  to    such  a  data  interface?  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Generalized  QuesCons  Related  to  Data  

•  A  list  of  all  sensor  types  •  Get  metadata  for  specific  sensor  types  •  A  list  of  all  data-­‐sources  (instances  of  sensor  types)  

•  Get  all  data-­‐sources  within  a  bounding  box,  and  observe  air  temperature,  and  a  specific  form  of  Average  Wind  DirecCon.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Some  QuesCons  Related  to  a  Specific  Event  Q1:  What  is  the  current  temperature  at  all  the  staCons?  Q2:  What  was  the  temperature  on  Lyons  Peak  at  1:30pm  on  May  14,  2014?  Q3:  What  staCon  is  the  closest  to  32.614,  -­‐116.234?  Q4:  What  was  the  wind  speed  and  direcCon  for  the  staCon  in  Q3  in  the  WindNinja  format?  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

VisualizaCon  •  VisualizaCon  for  data  verificaCon  and  interpretaCon  •  Using  high-­‐end  visualizaCon  systems  •  Can  run  anywhere  from  laptop  to  visualizaCon  cluster  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Terrain  VisualizaCon  •  Post-­‐fire  burn  map  

–  SDG&E  and  HPWREN  weather  data  

20

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

3D  Terrain  with  Photos  and  Perimeters  

21

•  Terrain  imagery  from  2009  and  2012  •  Fire  perimeters  from  the  San  Diego  May  2014  fires  •  Images  were  collected  via  TwiKer  

–  CapConed  with  tweet  tag  on  top    

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Crowd-­‐Sourced  Fire  Perimeter  CalculaCon  

•  Photos  of  fire  locaCons  from  TwiKer  and  Instagram  

•  Custom  app  allows  recording  addiConal  data  such  as  phone’s  locaCon  and  orientaCon,  focal  length,  etc.  

•  Improve  camera  locaCon  and  orientaCon  calculaCon  through  terrain  map  matching  

•  Image  processing  for  fire/smoke  localizaCon  within  photos  

•  Goal:  map  of  fire  perimeter  over  Cme  

22

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

3D  Terrain  Map  •  Consolidates  geo-­‐located  measured  data  and  simulaCon  results  –  Fire  perimeter  –  Wind  speed  and  direcCon  animaCon  with  stream  lines  

23

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Data  DisseminaCon  

•  Incident  commander:  support  decision  making  –  Large  high  resoluCon  displays  

•  Firefighters  in  the  field:  help  navigate,  give  warnings  –  Smart  phone,  augmented  reality  

•  General  public:  informaCon,  evacuaCon  support  –  Web  site,  smart  phone  app  

24

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Modeling  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

More  accurate  situaConal  awareness  using  data    -­‐-­‐  Data  to  Modeling  in  WIFIRE  -­‐-­‐  

 Real-­‐6me  remote  data  –>  Modeling,  data  assimilaCon  and  dynamic                                wildfire  behavior  predicCon  

Sensors:            

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Need  to  improve  programmability  to  build  such  data-­‐driven  models!  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

System  IntegraCon  of  sensor  data,  data  assimilaCon,  dynamic  models  and  fire  direcCon  and  RoS  predicCons  (computaCons)  is  based  on  ScienCfic  and  Engineering  Workflows  (Kepler)              •  Visual  programming  •  Scalable  parallel  execuCon  •  Standardized  data  interfaces  •  Reuse  and  reproducibility  

         

WIFIRE  System  IntegraCon  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Kepler  Workflows  for  WIFIRE  Use  Cases  

•  Kepler  is  an  open  source,  graphical  environment  for  combining  and  automaCng  Cyberinfrastructure  components  – Execute  models  – Read  real-­‐Cme  and  archived  weather  staCon  measurements    

– GIS  components  to  pre-­‐  and  post-­‐process  data  – Parallel  execuCon  – Provenance  for  execuCon  history  

 

www.kepler-project.org

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Use  Case:  Santa  Ana  CondiCons  •  Santa  Ana  winds  lead  to  dangerous  fire  condiCons  in  San  Diego  County  –  Oct.  2003:          >700,000  acres  burned  –  Oct.  2007:        >500,000  acres  burned  

Santa  Ana  defined  by:  Wind  direc6on  >  10°  and  <  110°  Wind  speed  >  25mph  Rela6ve  humidity  <  25%  

•  Goal:  determine  regions  in  San  Diego  County  experiencing  Santa  Ana  Winds  

•  Solu6on:  Use  WindNinja  to  compute  wind  condiCons,  post-­‐process  to  find  Santa  Ana  regions  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

HPWREN  Real-­‐Time  Weather  Alerts  • Weather  staCons  measurements  monitored  Santa  Ana  condiCons  

•  Alerts  sent  via  email  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Wind  CondiCons  Around  Weather  StaCons  

•  Run  WindNinja  to  model  wind  condiCons    •  Inputs:  

–  Topography  &  vegetaCon  – Weather  staCon  measurements  –  SpaCal  and  temporal  ranges  –  etc.    

•  Outputs:  – Wind  direcCon  &  speed  over  region  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

SpaCal  Coverage  •  WindNinja  run  on  domain  size  up  to  50x50km  

– Split  SD  County  into  Cles  – Run  WindNinja  for  each  Cle  

WindNinja  WindNinja  

WindNinja  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Temporal  Coverage  •  WindNinja  calculates  wind  condiCons  for  specific  point  in  Cme  – Run  WindNinja  for  each  Cmestamp  

WindNinja  WindNinja  WindNinja  

WindNinja  WindNinja  WindNinja  

WindNinja  WindNinja  WindNinja  

1:00pm,  May  14   1:10pm,  May  14   6:00pm,  May  14  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Execute  in  Parallel  •  Run  WindNinja  for  each  Cle  

•  Run  WindNinja  for  each  Cmestamp  

•  Each  execu6on  is  independent,  so  can  be  done  in  parallel  

WindNinja  WindNinja  WindNinja  WindNinja  WindNinja  WindNinja  

Compute   Compute   Compute  Compute   Compute   Compute  Compute   Compute   Compute  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Post-­‐Processing  WindNinja  Output  

•  WindNinja  outputs  wind  direcCon  and  speed  •  Process  these  outputs  to  find  regions  with  Santa  Ana  winds  

Union   Filter   Rasterize   Find  Polygons  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

ApplicaCon  Outputs  •  Output  shows  Santa  Ana  regions  •  OZen  much  larger  area  surrounding  weather  staCon  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Use  Case:  Fire  Growth  

•  Goal:  Simulate  fire  growth  in  SD  County  •  Run  FARSITE  and  Firefly  •  Inputs:  

–  Landscape  (topography,  fuel,  etc.)  – Weather  (wind,  temperature,  humidity,  etc.)  –  IgniCon  perimeter  

•  Outputs:  –  Fire  perimeters  –  Intensity,  flame  length,  spread  rate,  etc.  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

Example  Output  of  Fire  Perimeters  •  Two  simulaCons  with  different  weather:  – White  is  “normal”  weather  –  Red  is  Santa  Ana  weather  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

WIFIRE  is  funded  by  NSF  1331615  

To  summarize:  EffecCve  systems  for  real-­‐Cme  acquisiCon  and  

analysis  of  wildfire  big  data  can  make  a  huge  impact    on  wildfire  resilience.  

•  Website:    hKp://wifire.ucsd.edu    

•  TwiKer:    @WIFIREProject  

WIFIRE  is  on  the  web!