Die Daten-Feuerwehr

Seit Tagen brennt es in Brandenburg, 750 Hektar Wald standen am Donnerstag allein bei Jüterbog in Teltow-Fläming in Flammen. Durch drehende Winde und lange Trockenheit konnten sich Brandherde zu Flächenbränden ausbreiten. Wie Datenanalysen der Feuerwehr helfen können, zeigt ein Blick in die USA.

Je größer ein Feuer, desto unberechenbarer ist es. Waldbrände, die sich wie derzeit in Brandenburg über viele Quadratkilometer erstrecken, sind besonders unberechenbar. Wetter, Wind, die Bodenbeschaffenheit, die Vegetation und alles, was das Feuer sonst noch verschlingt, bestimmen seinen Weg und seine Ausbreitung, die sich innerhalb kurzer Zeit wieder ändern kann.

Seit vielen Jahren arbeiten deshalb nicht nur Feuerwehrleute daran, Waldbrände besser zu verstehen. Neue Löschmittel und mehr Einsatzkräfte helfen, flächendeckende Brände zu kontrollieren. Ebenso wichtig ist es aber, möglichst schnell viele Informationen über einen Brandherd zu erhalten, um das Feuer auf dieser Basis sinnvoll zu bekämpfen. Deshalb haben längst auch Start-ups, Informatikerinnen und Experten auf den Gebieten der künstlichen Intelligenz, virtueller Realität und Deep Learning damit begonnen, Technologien dafür zu entwickeln.

Dürre - Waldbrände in Brandenburg halten an Auf mehr als 550 Hektar erstrecken sich inzwischen die Waldbrände in Brandenburg. Behördenangaben zufolge ist es der größte Brand des Landes seit der Wende. © Foto: picture alliance/Julian Stähle/dpa

Gerade in den USA, wo es jedes Jahr zu großen Waldbränden – auch nahe von besiedelten Gebieten – kommt, wird die digitale Brandbekämpfung vorangetrieben. Solche Naturkatastrophen werden aber auch in Europa zunehmend zu einer Gefahr. Schon in den ersten Monaten dieses Jahres meldete das EU-Erdbeobachtungsprogramm Copernicus überdurchschnittlich viele Brände – in ganz Europa, aber auch in Deutschland. Darum könnten neue Technologien zu deren Bekämpfung auch hierzulande interessant werden.

Viele Daten ergeben ein besseres Bild

Wifire heißt ein interdisziplinäres Projekt der Universität von San Diego, das datengestützt erfassbar machen soll, wann ein Feuer entsteht und wie es sich wahrscheinlich ausbreiten wird. An mehreren Orten in Kalifornien wird es bereits getestet. Der Bedarf ist groß: In dem westlichen US-Bundesstaat brannten die Wälder allein im vergangenen Jahr insgesamt rund 8.500-mal. Es waren, gemessen an der zerstörten Fläche und dem entstandenen Schaden, die bisher schlimmsten Waldbrände in der Geschichte Kaliforniens.

Die Entwicklerinnen und Entwickler von Wifire beschreiben ihr Projekt als Cyberinfrastruktur. Es besteht nicht nur aus einer einzelnen Software, sondern umfasst ein komplexes Analysesystem, das Daten aus unterschiedlichen Quellen sammelt, zusammenführt und interpretiert.

Anfang des Jahres erläuterte Informatikerin und Wifire-Projektleiterin Ilkay Altintas vom San Diego Supercomputer Center in der Onlineausgabe des TIME Magazines das Konzept: "Während eines Feuers erreichen so viele Informationen die Einsatzkräfte", sagte Ilkay. Mit der von ihr und ihren Kollegen entwickelten Infrastruktur sei es möglich, einen Pin auf eine Landkarte zu setzen, Parameter einzugeben und dann den Verlauf des Feuers ziemlich genau angezeigt zu bekommen.

Das klingt einfacher als es ist. Bereits seit den Vierzigerjahren gibt es Forschung dazu, wie sich Brände mithilfe mathematisch-physikalischer Modelle berechnen lassen. Wildfire Modeling oder auch Fuel Modeling heißt das Verfahren (Progress in Energy and Combustion Science: Pastor et al., 2003). Doch während sich ein Feuer im Labor leicht analysieren lässt, ist das im Freien schwieriger. Für wirklich aussagekräftige Modelle müssen die Forscherinnen und Forscher viel mehr wissen, als aus welcher Richtung der Wind weht – auch wenn das nach wie vor ein wichtiger Faktor ist.

Gefüttert mit Kameras und Satellitenbildern

Wie die Entwicklerinnen und Entwickler von Wifire in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung erklären (Procedia Computer Science: Altintas et al., 2015), nutzen sie für ihre Berechnungen Daten aus drei Gruppen: erstens Wetterdaten über Wind, Temperatur und Luftdruck. Zweitens Aufnahmen von Hunderten Feuer und Rauch erkennenden Kameras, die in Gebieten platziert wurden, die gefährdet sind. Die Daten mehrerer dieser Kameras können so zusammengefasst werden, dass daraus eine Art dreidimensionales Bild entsteht. Und als Drittes werden in die Wifire-Berechnungen Satellitenbilder eingespeist, die nicht nur Veränderungen an der Oberfläche aufzeichnen, sondern die elektromagnetische Strahlung und andere wichtige Faktoren messen können.

Kombiniert mit Daten aus Archiven, etwa über die im betroffenen Gebiet vorherrschende Vegetation, landen all diese Daten im Supercomputer der Universität von San Diego, wo die Modelle daraus berechnet werden. Hier kommen auch neue Entwicklungen im Bereich der künstlichen Intelligenz oder genauer gesagt dem Deep Learning zum Einsatz, berichtet Projektleiterin Altintas. Algorithmen können aus vorherigen Szenarien lernen und die Erfahrung auf aktuelle Szenarien anwenden. Je mehr Daten in Wifire eingefüttert werden, desto besser werden also die Vorhersagen.

Feuerwehren in den USA können auf die Berechnungen von Wifire zugreifen und anhand der Informationen ihren Einsatz planen. Für alle Menschen einsehbar ist außerdem die Firemap auf der Website der Universität von San Diego, die Informationen der Wetterstationen, Kameras und Bodenbeschaffenheit sowie Orte früherer Waldbrände enthält.

Solche Karten sind nicht neu. Die Europäische Union betreibt das Global Wildfire Information System, um aktuelle Brände zu verfolgen. Auch die Website von Global Forest Watch bietet eine interaktive Karte, um nur zwei Projekte zu nennen. Beide nutzen, wie auch Wifire, Instrumente wie die von der Nasa betriebene Messung elektromagnetischer Strahlung (Modis) oder das neuere System VIIRS, das Infrarotaufnahmen der Erde macht. Die Kameras und Sensoren erkennen, wenn ein Ort deutlich heißer ist im Vergleich zu seiner Umgebung – das könnte auf ein Feuer hindeuten. Wifire allerdings baut auf diesem Ansatz auf und ergänzt die Karten um die erwähnten zusätzlichen Daten.

Ein System in Deutschland zu etablieren ist schwierig

So nützlich die Satellitendaten für die Erkennung und Bekämpfung von Bränden sind, haben sie einen Nachteil: Sie erreichen die Einsatzkräfte meist nur mit Verzögerung, weil die Spezialsatelliten immer erst einmal um die Welt kreisen müssen, bevor sie neue Aufnahmen machen können. Deshalb ist es für die Verantwortlichen von Wifire auch so wichtig, zusätzliche Sensoren auf dem Boden zu haben, die sekundenschnell Informationen liefern: Breitet ein Feuer sich plötzlich in eine andere Richtung aus? Dreht der Wind? Verändert sich die Farbe des Rauchs, was andere Brennstoffe vermuten lässt? Allein im Testgebiet rund um San Diego sind Hunderte Stationen, Kameras und Sensoren an das System angeschlossen.

Genau darin liegt der größte Nachteil des Systems. In Gegenden wie Kalifornien, wo bereits ein dichtes Glasfasernetz mit Hunderten vernetzten Stationen besteht, sind solche Bodendaten leicht zu bekommen. In den spanischen Bergen oder in der brandenburgischen Provinz nicht. Ein System wie Wifire rechnet sich deshalb vor allem für Regionen, die sowohl dauerhaft gefährdet sind als auch eine entsprechende technische Infrastruktur vorweisen können, also schnelles Internet und Zugang zu entsprechend leistungsfähigen Computern.

Trotzdem: Von der Forschung, die Projekte wie Wifire, aber auch anderen Hightech-Lösungen zur Brandbekämpfung wie das an Strommasten angeschlossene Kamerasystem Enview oder Nasas KI-gestütztes System Audrey liefern, können Einsatzkräfte weltweit profitieren. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus den Datenanalysen im Ausland helfen Feuerwehren auch hierzulande, Brände besser zu verstehen.

Werkzeuge wie Wifire seien keine magische Lösung, sagte Jonathan Sury vom amerikanischen National Center for Disaster Preparedness im Gespräch mit time.com. "Es sind Werkzeuge, die bei Entscheidungen helfen, und sollten deshalb nur als eine Information unter vielen angesehen werden." Womit er recht hat: Neue Technologie kann beim Eindämmen und Löschen von Feuern helfen. Am Ende aber sind es immer noch Menschen am Boden, die sich den Flammen stellen. Oft noch wie vor mehr als hundert Jahren: mit Wasserschläuchen.