Feuermonitoring

Feuermonitoring bezeichnet in diesem Kontext das Überwachen von Bränden, vorwiegend von Vegetationsbränden (Wald- und Flurbränden, Buschfeuern) sowie von Kohlefeuern (z.B. China) besonders mit Hilfe von Verfahren der Fernerkundung. Unter Einbeziehung von z.B. Vulkaneruptionen in die Gruppe solcher Ereignisse spricht man auch von Hochtemperaturereignissen (HTE).

Natürlich auftretende Vegetationsbrände sind ein wesentlicher Prozess, der terrestrische Systeme mit der Atmosphäre und dem Klima verbindet, und sie sind ein wesentlicher Bestandteil der ökologischen Sukzession, der Pflanzenkeimung und der Bodenverbesserung. Neben diesen positiven Aspekten emittieren sie auch große Mengen an Kohlenstoff in die Atmosphäre, zusammen mit Aerosolen und anderen Partikeln, die die Gesundheit beeinträchtigen, die Sicht einschränken und zum globalen Klimawandel beitragen können.

Aufgrund der Veränderungen des Erdklimas in den letzten Jahren haben die Häufigkeit und Intensität von Vegetationsbränden weltweit zugenommen, sodass jährlich fast 4,3 Millionen Quadratkilometer verbrennen. Obwohl Vegetationsbrände ein natürliches Phänomen sind und eine wichtige ökologische Funktion haben, kann dieses ungewöhnlich hohe Auftreten in vielerlei Hinsicht außerordentlich schädlich sein. Am auffälligsten ist vermutlich die direkte Gefahr für Menschenleben durch unkontrollierte Brände, während weitere Schäden ökologische, kulturelle oder wirtschaftliche Verluste umfassen können.

Besonders besorgniserregend sind die Auswirkungen unkontrollierter Vegetationsbrände auf das Klima, da diese Brände erhebliche Rauchmengen freisetzen können. So wurden beispielsweise im Jahr 2017 schätzungsweise 150 Millionen Tonnen durch Waldbrände in British Columbia freigesetzt, eine Menge, die zwei- bis dreimal so hoch ist wie die jährlichen Emissionen aus fossilen Brennstoffen der Provinz. Boreale und arktische Brände können besonders problematisch sein, da die Wildfeuer nicht nur die Vegetation, sondern auch die kohlenstoffreichen Böden verbrennen. Diese Kohlenstoffemissionen verschärfen den Klimawandel, was wiederum das Risiko unkontrollierbarer Wildfeuer erhöht und einen Teufelskreis in Gang setzt.

Monitoring aus dem All

Weltraumagenturen wie die NASA und die ESA haben Plattformen entwickelt, die eine Echtzeitüberwachung von Bränden ermöglichen. Eines der leistungsstärksten Tools zur Überwachung von Waldbränden ist derzeit das Fire Information for Resource Management System (FIRMS) der NASA.

Das Copernicus-Programm der ESA umfasst Sentinel-2-Satelliten, die hochauflösende optische Bilder für die Vegetations- und Brandüberwachung liefern, sowie Sentinel-3-Satelliten, die thermische Daten und Daten zur Atmosphäre liefern. Diese Missionen helfen dabei, Brandnarben, die Erholung von Ökosystemen und anhaltende Brandgefahren zu überwachen. Die Satelliten sind dazu mit unterschiedlichen Sensoren und Instrumenten ausgerüstet. Einige davon wurden speziell und ausschließlich für diese Aufgabe entwickelt, andere tragen neben weiteren Datenmessungen zur Brandüberwachung bei.

Eine der wichtigsten Messgrößen für Vegetationsbrände ist die Strahlungsleistung des Feuers (Fire Radiative Power), wobei höhere FRP-Werte auf intensivere Brände hinweisen.

Umlaufbahntechnisch werden zwei Haupttypen von Satelliten zur Brandüberwachung eingesetzt: polarumlaufende Satelliten, die mehrmals täglich den gesamten Planeten beobachten, und geostationäre Satelliten, die bestimmte großflächige Gebiete mit grober Auflösung beobachten. Jeder Satellit hat seine Grenzen hinsichtlich der Erkennungsfähigkeit seiner Sensoren, der Auflösung seiner Bilder und – bei umlaufenden Satelliten – der Häufigkeit, mit der er den Zielort überfliegt, d. h. der Wiederkehrzeit des Satelliten.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden die Daten durch eine Flotte von Satelliten datensicherer gemacht. Für die Bewertung und Kartierung des Brandrisikos vor einem Brand werden Daten zu Niederschlag, Bodenfeuchte, Schwere von Dürren, Topographie, Landoberflächentemperaturen sowie Vegetationsdichte und -ausdehnung erfasst. Für die Echtzeit-Brandüberwachung werden Daten zur Strahlungsleistung (FRP) und zur Gesamtbrandfläche erfasst und in Kombination mit den Daten zur Brandrisikobewertung vor einem Brand verwendet, um das Verhalten des Feuers in der nahen Zukunft vorherzusagen. Die Kartierung nach einem Brand umfasst Daten zur Gesamtbrandfläche, zur Schwere des Brandes und zum Nachwachsen der Vegetation.

Beispiele für eingesetzte Instrumente

Mit dem Kleinsatelliten BIRD und seiner zweikanaligen Infrarotsensorik in Kombination mit einer Drei-Zeilen-Stereokamera betrieb das DLR von 2001 bis 2006 ein weltweit einzigartiges System als Technologie-Demonstrator zur Erkennung, Georeferenzierung und geophysikalischen Charakterisierung von HTE (high temperature event) bezüglich Ausdehnung, Temperatur, Energie. Mit gleicher wissenschaftlicher Instrumentierung erprobte das DLR auch ein flugzeuggetragenes System (Advanced BIRD Airborne Simulator, ABAS) erfolgreich zur Beobachtung von Waldbränden. Der Mission BIRD folgte die inzwischen beendete Satellitenkonstellation FireBIRD.

International gibt es zahlreiche weitere Instrumente und Missionen zur Brandüberwachung, darunter MODIS, VIIRS und CALIOP. MODIS ist an Bord der NASA-Satelliten Terra und Aqua zu finden und nutzt sichtbare und infrarote elektromagnetische Strahlung, um Temperatur-Hotspots am Boden zu erkennen, bei denen die Temperatur an einem bestimmten Ort höher ist als die Hintergrundtemperatur des weiteren Umfelds. VIIRS ist an Bord der Satelliten SUOMI NPP und JPSS der NASA/NOAA zu finden und funktioniert ähnlich wie MODIS, jedoch mit einer feineren räumlichen Auflösung von 375 Metern. Diese feinere Auflösung ermöglicht die Erkennung kleinerer Brände. MODIS und VIIRS können sowohl tagsüber als auch nachts Wärmesignaturen erkennen.

Das Instrument CALIOP befindet sich an Bord des Satelliten CALIPSO und beobachtet die Höhe der Rauchwolken sowie die vertikale Verteilung von Aerosolen in der Atmosphäre. CALIOP ist in einzigartiger Weise in der Lage, optisch dünne Rauchschichten mit einer feinen vertikalen Auflösung zu erkennen, wodurch ausgedehnte Rauchwolken ohne klare Grenzen beobachtet werden können. CALIOP-Daten können mit Modellen kombiniert werden, um Rauchflüsse ihren Ursprungsbränden zuzuordnen und die Entwicklung der Höhe der Rauchwolken im Laufe der Zeit zu überwachen, was Auswirkungen auf das Klima, die Luftqualität und die menschliche Gesundheit hat.

Die Rolle von KI

KI spielt eine entscheidende Rolle bei der Vorhersage von Waldbrandrisiken und der Verbesserung der Notfallplanung. Durch die Analyse großer Datensätze, darunter Temperatur, Luftfeuchte, Vegetation und Windgeschwindigkeit, können maschinelle Lernmodelle

• brandgefährdete Regionen prognostizieren
• die Ausbreitung von Bränden anhand des Geländes und des Wetters abschätzen
• Feuerwehrteams bei der Ressourcenzuteilung unterstützen

1. KI-gestützte Modelle zur Brandvorhersage

Forscher entwickeln KI-Systeme, die anhand von Wetter-, Topographie- und Vegetationsdaten die Wahrscheinlichkeit von Vegetationsbränden vorhersagen können. Diese Modelle verwenden Algorithmen für Maschinelles Lernen, die auf historischen Brandmustern trainiert wurden, um Risikozonen vorherzusagen.

Beispielsweise integrieren die KI-gestützten Waldbrandmodelle von IBMs Weather Company Wettervorhersagen und Umweltdaten, um vorherzusagen, wann und wo Brände wahrscheinlich auftreten werden.

Darüber hinaus arbeitet CAL FIRE (Kalifornische Behörde für Forstwesen und Brandschutz) mit Technologieunternehmen zusammen, um KI in ihre Vorhersagedienste zu integrieren. Diese Tools helfen dabei, Gebiete für die Reduzierung von Brennstoffen und die Evakuierungsplanung zu priorisieren.

2. Drohnen und KI zur Früherkennung

KI-gesteuerte Drohnen, die mit Infrarotkameras ausgestattet sind, patrouillieren autonom in Wäldern. Diese Drohnen können winzige Wärmesignaturen erkennen, bevor ein Feuer für menschliche Beobachter sichtbar wird.

In Kalifornien werden im Rahmen von Pilotprogrammen KI-Drohnen getestet, die während der Feuersaison Hochrisikogebiete patrouillieren und die Reaktionszeit im Vergleich zu herkömmlichen Aussichtstürmen oder Luftbildern drastisch verbessern.

Beispielprodukte

ZKI Fire Monitoring System

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bietet seit 2022 einen neuen Service an, mit dem die Entwicklungen von Brandereignissen tagesaktuell und im zeitlichen Verlauf beobachtet werden können. Die Satellitendaten werden automatisch ausgewertet und in eine Karte übertragen. Das ZKI Fire Monitoring System  ist kostenfrei nutzbar.

Die Daten stammen von den beiden Sentinel-3 Satelliten, die mit unterschiedlichen Instrumenten zur Beobachtung der Land- und Ozeanoberflächen ausgestattet sind. Das Satelliten-Duo gehört zum europäischen Copernicus-Programm. Über ihre optischen Systeme erfassen die Sentinel-3 Satelliten die Erdoberfläche mit einer Bodenauflösung von etwa 300 Metern. Die Sentinel-3 Satelliten überqueren auf ihren polaren Umlaufbahnen in etwa 800 Kilometern Höhe Europa jeden Tag. Auch mit den amerikanischen Satelliten Aqua und Terra (Flughöhe rund 700 Kilometer) können Vegetationsbrände mehrmals am Tag beobachtet werden. Sie senden täglich ihre Daten, sobald sie die DLR-Empfangsstationen in Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern) oder Oberpfaffenhofen (Bayern) überfliegen. Die Ergebnisse sind schon etwa 20 Minuten nach dem Satellitenüberflug verfügbar.

Um die Qualität der Aussagen zu verbessern, werden die Daten über mehrere Tage hinweg kontinuierlich verfeinert. Das heißt, die Daten werden nachträglich noch einmal abgeglichen, neu berechnet und überprüft. Das läuft ebenfalls automatisch. Die Nachprozessierung ist wichtig, weil Satelliten mit optischen Sensoren – anders als etwa Radarsatelliten – nicht durch eine Wolkendecke schauen können.

Die DLR-Wissenschaftler haben alle Brände in Europa seit 2016 analysiert. Die Karten zeigen, dass viele Brände – vor allem in Süd- und Osteuropa – nicht im Wald, sondern auf landwirtschaftlich genutzten Flächen vorkommen. Im vergangenen Jahr wurden zum Beispiel Brände mit einer Größenordnung von 3,7 Millionen Hektar erkannt. Davon handelte es sich bei rund 1 Million Hektar um Waldbrände. 2017 war das Jahr mit den stärksten Bränden im Beobachtungszeitraum: 5,2 Millionen Hektar standen in Flammen, davon entfielen 1,3 Millionen Hektar auf Wälder.

Global Wildfire Information System (GWIS)

Das Global Wildfire Information System (GWIS), eine gemeinsame Initiative der Group on Earth Observations (GEO) und der Copernicus-Arbeitsprogramme, führt bestehende nationale und regionale Informationen über Brandereignisse zusammen, um eine umfassende Datenquelle zu Brandverläufen und Brandauswirkungen rund um den Globus bereitzustellen, die als Hilfsmittel für das operative Brandmanagement auf verschiedenen Ebenen genutzt werden kann. Das System basiert auf Daten des Europäischen Waldbrandinformationssystems (EFFIS), des Global Terrestrial Observing System (GTOS), der Globalen Beobachtung der Waldbedeckung – Globalen Beobachtung der Landdynamik (GOFC-GOLD), des Fire Implementation Team (GOFC Fire IT) und der damit verbundenen regionalen Netzwerke. Innerhalb des GWIS gibt es fünf Anwendungen:

• Viewer zur aktuellen Lage,
• Portal für aktuelle Statistiken,
• Länderprofile,
• langfristige Brandwettervorhersage sowie
• Daten und Dienste.

Die Daten zu Waldbränden aus dem GWIS sind global und frei zugänglich, sodass jeder auf Informationen zum Brandrisiko zugreifen und diese bewerten kann.

Die Echtzeitinformationen (NRT) des GWIS basieren auf kombinierten Daten zu thermischen Anomalien der Sensoren MODIS und VIIRS. Das Produkt nutzt Daten aus dem Fire Information for Resource Management System (FIRMS) der NASA.

Beispielraum: Vegetationsbrände in den USA

Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums haben Anzahl, Schwere und Gesamtgröße von Vegetationsbränden (wildfires) zugenommen, was auf Faktoren wie anhaltende Trockenheit, die Anhäufung von Brennstoffen, frühere Brandbekämpfungsstrategien, invasive Arten, die auf bestimmte Baumarten abzielen, und die Ausbreitung von Wohngebieten in ehemals natürliche Gebiete zurückzuführen ist. Laut dem Jahresbericht 2021 des National Interagency Coordination Center (NICC), das die Mobilisierung von Ressourcen für Waldbrände und andere Vorfälle in den USA koordiniert, wurden im Jahr 2021 in den gesamten USA 58.985 Vegetationsbrände gemeldet, die eine Fläche von 7.125.643 Hektar verbrannten. Der NICC-Bericht stellt fest, dass im Jahr 2021 fast 6.000 Gebäude durch Vegetationsbrände zerstört wurden, darunter 3.577 Wohnhäuser, 2.225 kleinere Gebäude und 237 gewerbliche oder gemischte Wohngebäude.

Daten, die von Sensoren an Bord von Satelliten in der Umlaufbahn, an Bord von Flugzeugen oder am Boden gesammelt werden, liefern eine Fülle von Daten, mit denen sich die Bedingungen vor einem Brand beurteilen, die Bewegung eines Waldbrandes nahezu in Echtzeit verfolgen und die Umweltauswirkungen eines historischen Brandes bewerten lassen. Die NASA stellt hierzu zahlreiche Datensätze, Werkzeuge und andere Ressourcen zur Verfügung.

Die NASA bietet auch Einblicke in Brände und thermische Anomalien, die täglich auf der ganzen Welt auftreten. Die in Worldview verfügbaren satellitengestützten Branddaten und -bilder stammen vom MODIS-Instrument an Bord der Satelliten Terra und Aqua sowie vom VIIRS-Instrument an Bord der gemeinsamen NASA/NOAA-Satelliten Suomi NPP und NOAA-20. Terra überfliegt den Äquator um ca. 10:30 Uhr (Tag) und 10:30 Uhr (Nacht) Ortszeit, NOAA-20 überfliegt den Äquator um ca. 12:40 Uhr (Tag) und 12:40 Uhr (Nacht) Ortszeit, und Aqua und Suomi NPP überfliegen den Äquator um ca. 1:30 Uhr (Tag) und 1:30 Uhr (Nacht) Ortszeit. Die Feuerinformationen sind in Worldview etwa 3 Stunden nach dem Überflug des Satelliten verfügbar.

Die für die folgende Abbildung von den Satelliten gesammelten Daten nutzen einen Algorithmus, der die starke Emission von Strahlung im mittleren Infrarot von Bränden und thermischen Anomalien ausnutzt - diese Brände und thermischen Anomalien werden hier als orange (MODIS) oder rote (VIIRS) Punkte dargestellt. Die Punkte stellen das Zentrum eines Pixels dar, in dem ein oder mehrere Brände aufgetreten sind. Für das MODIS-Instrument stellt der Punkt das Zentrum eines 1km-Pixels dar, für das VIIRS-Instrument das Zentrum eines 375m-Pixels.

Im Januar 2025 wurden Teile von Los Angeles, von außer Kontrolle geratenen Wildfeuern verwüstet, die mehrere Vororte in einen urbanen Brandherd verwandelten. Satellitenbilder, die vor, während und nach den Bränden aufgenommen wurden, wurden verwendet, um den Behörden zu helfen und das Ausmaß der Zerstörung zu veranschaulichen.

Das folgende, am 8. Januar 2025 aufgenommene Falschfarbenbild zeigt vegetationsreiche Gebiete in Rot und macht so die vom Feuer betroffenen Gebiete – sowohl in den Vororten als auch in den bewaldeten Gebieten – deutlich erkennbar. Das Falschfarbenbild zeigt das für das menschliche Auge unsichtbare nahes Infrarot in Rot. Da Pflanzen Infrarotlicht stark reflektieren, erscheinen mit Vegetation bedeckte Flächen tiefrot. Dichteres Pflanzenwachstum erscheint dunkler rot, sodass solche Bilder hilfreich sind, um den Gesundheitszustand der Vegetation zu zeigen – oder um zu erkennen, wo sie durch Wildfeuer vollständig zerstört wurde.

Relevante Satellitenmissionen im Überblick

Weitere Informationen:

• Global fire monitoring (Copernicus)
• The Global Fire Monitoring Center (GFMC)
• 2005 Fire Patterns Across Africa
• Global Wildfire Information System (GWIS) - Startseite
• Remote Sensing Products (ISDR)
• Global Fires (NASA)
• Wildfires Data Pathfinder (NASA EarthData)
• Southern Europe battles inreases in major wildfires (Eumetsat 2022)
• Satellite Detections of Fire (NASA WorldView)
• Zählen von Waldbränden auf der ganzen Welt (ESA 2023)
• Fire Monitoring (eoPortal 2023)
• 2024 Fires in the Northern Hemisphere (NASA)
• Commercial and international data for fire monitoring (ESA)
• Tracking Wildfire: Monitoring with Satellites and AI (Planet 2025)
• Fire Information for Resource Management System (NASA 2024)
• European Forest Fire Information System - EFFIS (Copernicus)