Wie Satelliten Brände erkennen und was sie übersehen
Karten wie NASA FIRMS und das europäische EFFIS zeigen Brände als rote Punkte. Die Karten sind kostenlos und nützlich, aber leicht falsch zu lesen. Hier steht kurz, was ein solcher Punkt bedeutet und was nicht.
Der Satellit misst Wärme, er sieht keine Flammen
Sensoren auf Satelliten fotografieren kein Feuer. Sie messen Infrarotstrahlung in zwei Kanälen, bei etwa 4 und etwa 11 Mikrometern. Boden, Gestein und Dächer, die von der Sonne erwärmt sind, strahlen am stärksten bei etwa 11 µm. Flammen sind einige hundert Grad heißer und strahlen am stärksten bei etwa 4 µm.
Der Unterschied ist groß. Eine Fläche von etwa 700 °C strahlt bei 4 µm rund 4.500-mal mehr als Boden mit 27 °C, bei 11 µm aber nur etwa 30-mal mehr. Deshalb hebt schon ein kleines Feuer den Messwert bei 4 µm deutlich an, während es bei 11 µm kaum auffällt. Die Software vergleicht dann jeden Bildausschnitt mit seiner Umgebung und markiert ihn als Brand, wenn er bei 4 µm deutlich wärmer ist.
Ein Punkt ist die Mitte eines Pixels
Der Sensor teilt den Boden in Quadrate, die Pixel. Bei VIIRS ist ein Pixel etwa 375 × 375 m groß, beim älteren Sensor MODIS etwa 1 × 1 km. Zum Bildrand hin werden die Pixel größer: bei VIIRS bis etwa 800 m, bei MODIS bis etwa 2 × 5 km.
Ein Punkt auf der Karte ist die Mitte eines Pixels, in dem mindestens ein Feuer gefunden wurde. Er zeigt weder, wo im Pixel das Feuer liegt, noch wie groß es ist. MODIS erkennt regelmäßig Feuer von etwa 1.000 m². Das ist ein Zehntel Hektar und nur 0,1 % seines Pixels. VIIRS hat in einem nächtlichen Versuch ein Lagerfeuer von etwa 5 m² erkannt.
Daraus folgen drei Regeln:
- Ein Punkt heißt nicht, dass das ganze Quadrat brennt.
- Ein größerer Brand kann mehrere benachbarte Pixel auslösen. Die Zahl der Punkte ist also nicht die Zahl der Brände.
- Die Summe der Pixelflächen ist nicht die verbrannte Fläche. Diese wird mit anderen Verfahren gemessen, aus Aufnahmen nach dem Brand.
Die Lage eines Pixels stimmt meist auf weniger als 100 m, kann in seltenen Fällen aber mehrere Kilometer abweichen. Am Bildrand kann ein MODIS-Punkt mehr als zwei Kilometer vom eigentlichen Feuer entfernt liegen. Im Gebirge kann das die andere Seite eines Grats sein.
Wann der Satellit vorbeikommt
Die meisten Punkte stammen von Satelliten auf polaren Umlaufbahnen, die denselben Ort nur wenige Male am Tag überfliegen. Die wichtigsten sind NOAA-20 und NOAA-21 mit dem Sensor VIIRS. Sie überfliegen jeden Ort um etwa 13:30 und 1:30 Uhr mittlerer Ortszeit. Die Uhrzeit unterscheidet sich daher von Ort zu Ort und von Überflug zu Überflug um eine Stunde oder mehr. Suomi NPP liefert ab dem 1. November 2026 keine Daten mehr, und die Satelliten Terra und Aqua mit dem Sensor MODIS beenden ihren Betrieb im Laufe des Jahres 2027.
Zwischen zwei Überflügen sieht der Satellit nichts. Ein Brand, der um 15 Uhr ausbricht und bis 20 Uhr gelöscht ist, erscheint unter Umständen nie auf der Karte.
Für den größten Teil der Welt werden die Daten bis zu drei Stunden nach dem Überflug veröffentlicht. Schnellere Daten, in weniger als einer halben Stunde, gibt es nur für die USA und Teile Kanadas und Mexikos. Die Zeit am Punkt ist in UTC angegeben und bezeichnet den Aufnahmezeitpunkt, nicht die Veröffentlichung. Ein Punkt mit 11:35 UTC wurde bei Ortszeit UTC+2 um 13:35 Uhr aufgenommen und erschien unter Umständen erst gegen 16:35 Uhr auf der Karte.
Geostationäre Satelliten (GOES, Meteosat, Himawari) erfassen denselben Teil der Erde alle 10 bis 15 Minuten, allerdings mit Pixeln von 2 bis 3 km direkt unter dem Satelliten und größeren weiter entfernt. Sie sehen daher nur größere Brände und irren sich häufiger.
Konfidenz und FRP
Zu jedem Punkt gehören zwei Zahlen, die oft falsch verstanden werden.
| Angabe | Bedeutung |
|---|---|
| Konfidenz, VIIRS | niedrig: schwacher Wärmekontrast oder Sonnenreflexion; nominal: deutlicher Kontrast ohne Reflexion; hoch: das Pixel ist so heiß, dass der Sensor sättigt |
| Konfidenz, MODIS | 0 bis 100 %; unter 30 niedrig, 30 bis 79 nominal, ab 80 hoch |
| FRP | Strahlungsleistung aller Feuer im Pixel, in Megawatt |
Hohe Konfidenz bei VIIRS bedeutet, dass das Pixel sehr heiß ist, nicht dass es sicher ein Vegetationsbrand ist. Die FRP zeigt, wie intensiv etwas brennt, nicht wie groß die Fläche ist. Ihre Unsicherheit liegt bei etwa 50 %, und sie sagt nichts über Flammenlänge oder Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Falsche Punkte und übersehene Brände
Der Algorithmus meldet selten Wärme, die nicht vorhanden ist: tagsüber in etwa 1 % der Fälle, nachts fast nie. Doch nicht jede echte Wärmequelle ist ein Vegetationsbrand. Auch Stahlwerke, Zementwerke, Raffinerien und Gasfackeln erzeugen Punkte, ebenso das Abbrennen von Stoppelfeldern und Pflanzenresten. FIRMS kennzeichnet dauerhafte Wärmequellen in einer eigenen Kartenebene. EFFIS zeigt gefilterte Punkte, weist aber selbst darauf hin, dass nicht jeder Punkt ein Brand ist.
Das umgekehrte Problem ist viel häufiger. In einer großen Validierungsstudie übersah MODIS 86 % der Brände, die ein höher auflösender Satellit erfasst hatte, meist kleine. Von den großen Bränden übersah es weniger als 10 %. Satelliten sehen nicht durch Wolken oder dichten Rauch, und ein Bodenfeuer unter Baumkronen erkennen sie selten.
Kein Punkt auf der Karte heißt nicht, dass es nicht brennt.
Wofür die Daten taugen
Satellitendaten eignen sich für den Überblick über ein größeres Gebiet und die Nachbarregionen, um einen großen Brand über mehrere Tage zu verfolgen, um zu prüfen, ob nachts noch etwas brennt, und für die Nachbereitung eines Einsatzes. Besonders nützlich ist der nächtliche Überflug, weil der Sensor dann am empfindlichsten ist und falsche Punkte fast ausbleiben.
Sie ersetzen keinen Notruf. Sie sagen nicht, wo Einsatzkräfte stehen sollen, und sie können nicht bestätigen, dass ein Brand gelöscht ist.