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Um die Ausbreitungsmechanismen von Vegetationsbränden und besonders bei Bodenbränden besser zu verstehen, wurden die Einflussfaktoren auf die Brandausbreitung näher untersucht. Da die Brandausbreitung auch in starkem Maße von der lokalen Vegetation abhängt, war eine Charakterisierung der lokalen Vegetation und der Bodenverhältnisse wichtig. Die Wetterverhältnisse spielen einerseits im Vorfeld des Brandes durch längere Dürreperioden als auch während des Brandes, z.B. durch den Windeinfluss, zusätzlich eine große Rolle.
Durch die numerische Simulation kann eine größere Variation der Einflussgrößen abgebildet werden als durch die zeitlich und finanziell begrenzten experimentellen Möglichkeiten. Für die Berechnungen wird der Fire Dynamic Simulators (FDS) mit dem Paket WFDS verwendet. Dadurch kann mit einem vereinfachten 3-Phasen-Reaktionskinetikmodell, bestehend aus Dehydrierung, Pyrolyse, Kohleoxidation, die Ausbreitung von Vegetationsbränden verschiedener Waldbodenarten untersucht werden. Es wurden dazu 6 typische Pflanzenarten und Bodenproben aus Kiefern-, Buchen und Eichenbeständen ausgewählt.
Die gesammelten Waldbodenproben wurden alle hinsichtlich des Wassergehalts, des organischen Gehalts, der Packungsdichte, der Dichte und der statistisch ermittelten Pflanzenartenverteilung charakterisiert. Das kinetische Abbrandverhalten wurde durch Thermogravimetrische Analyse (TGA) untersucht. Alle diese Daten wurden als Eingabeparameter für die Simulation verwendet. Die numerischen Simulationen werden mit Experimenten im kleinen, mittleren und Real-Maßstab validiert.
Das EU Projekt TREEADS „A Holistic Fire Management Ecosystem for Prevention, Detection and Restoration of Environmental
Desasters” beschäftigt sich mit der Erforschung der drei Phasen „Prävention und Bereitschaft“, „Detektion und Reaktion“ und
„Aufforsten und Anpassen“ der Waldbrandverhütung. Im Projekt gibt es acht ausgewiesene Pilotregionen, in denen Deutschland
auch mit einer Pilotregion in Sachsen-Anhalt bzw. in Brandenburg vertreten ist. Unsere Arbeit auf Charakterisierung des Waldbodens und numerische Simulation wird vorgestellt.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.
Die Präsentation gibt einen Überblick über die Arbeiten im German Pilot des EU-Projekts TREEADS. Es werden klein-, mittel- und großskalige Versuche an Waldboden mit einheimischer Vegetation durchgeführt. Begleitend werden numerische Untersuchungen durchgeführt, die eine Variation der Parameter, wie Bodenfeuchte, Temperaturen und Wind über die Experimente hinaus erlauben. Die gemessenen Materialparameter dienen als Input für die numerischen Berechnungen. Die numerischen Modelle werden mit den mittel- und großskaligen Experimenten validiert.