Neue Drohnenforschung treibt Waldbrandüberwachung voran

Typischerweise ist der Hauptindikator für einen aufkeimenden Waldbrand in Kalifornien eine dunstige, graue Rauchwolke, die durch die Luft weht und von Satelliten oder Kameras gesehen wird. Das kalifornische Ministerium für Forstwirtschaft und Brandschutz (CalFire) wird alarmiert und es werden Maßnahmen zur Eindämmung und Eindämmung ergriffen.

Aber Zhaodan Kong, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of California, Davis, ist der Meinung, dass die Feuerwehrleute nach dem Motto „Wo Rauch ist, ist auch Feuer“ das Problem zu spät erkennen, nachdem es sich bereits ausgebreitet hat und ist schwer einzudämmen.

„Im Moment funktioniert es so, dass man ein Feuer sieht und dann reagiert“, sagte Kong. „Es ist sehr passiv, sehr reaktiv.“

Stattdessen glaubt Kong, zu dessen Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz und Autonomie auch unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) gehören, dass ein integriertes Technologiesystem zur Erkennung von Bränden, bevor sie ihren Höhepunkt erreichen, bahnbrechend sein und möglicherweise großflächige Schäden durch Waldbrände verhindern könnte.

Die Erkennung würde am Boden mit mit dem Internet verbundenen Sensoren beginnen, die an strategischen Orten platziert werden, an denen Waldbrände aufgetreten sind oder wahrscheinlich auftreten (bestimmt durch CalFire). Diese handtellergroßen Sensoren, die von Anthony Wexler, einem angesehenen Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Direktor des UC Davis Air Quality Research Center, entwickelt wurden, messen Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit, um festzustellen, in welchen Bereichen ein höheres Risiko bestehen könnte Waldbrandereignis.

„Die Faktoren, die ein hohes Waldbrandrisiko verursachen, sind hohe Temperaturen, niedrige Luftfeuchtigkeit und hohe Windgeschwindigkeit“, sagte Wexler, der seit fast einem Jahrzehnt an diesen Sensoren arbeitet. „Temperatur und Luftfeuchtigkeit sind in großen geografischen Gebieten relativ gleichmäßig, aber die Windgeschwindigkeit ändert sich aufgrund der Topographie von Ort zu Ort in Kalifornien dramatisch.“

Sobald die dreifache Bedrohung – supertrockener Boden, hohe Temperatur und starker Wind – erkannt wird, würden UAVs mit einer Ladung Kameras und chemischen Sensoren losgeschickt, um das Gebiet nach weiteren Hinweisen auf einen Brand abzusuchen, einschließlich erhöhter Feinstaub- und Kohlenstoffwerte Kohlendioxid in der Luft und melden Sie alle Ergebnisse dann CalFire.

„Chemische Sensorik ist empfindlicher als visuelle Sensorik“, sagte Wexler. „Wenn du durch deine Nachbarschaft gehst und jemand in seinem Kamin Holz verbrennt, siehst du nichts, aber du riechst es.“

Für diese Aufklärungsmissionen baut Kongs Labor Drehflügler, die mit Navigationssystemen, Sensoren und Kameras ausgestattet sind. Während einer der Vorteile des Einsatzes von Drehflüglern darin besteht, dass sie von überall aus landen und starten können, besteht eine der größten Herausforderungen in der maximalen Flugdauer von etwa 30 Minuten. Um dieses Problem zu bekämpfen, entwickelt Kongs Labor ein Hybridflugzeug, das wie ein Drehflügler vertikal landen und starten kann, aber auch über die Eigenschaften eines Starrflügelflugzeugs verfügt, das stundenlang in großen Höhen fliegen kann.

Während viele Feuerwehren Drohnen einsetzen, um Wasser und Feuerschutzmittel auf lodernde Brände abzuwerfen, zögern sie möglicherweise, den Einsatz von UAVs als Branderkennungsinstrument zu akzeptieren. Kameras, Satelliten und bemannte Flugzeuge sind bereits jetzt von entscheidender Bedeutung, um die Ausbreitung von Waldbränden zu verfolgen und die Richtung und Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie sich möglicherweise ausbreiten. Warum UAVs hinzufügen?

Kong und Wexler sagten, das aktuelle Erkennungssystem müsse Lücken schließen. Die 1.000 von AlertCalifornia betriebenen Kameras auf Türmen im ganzen Bundesstaat können ein Feuer nur erkennen, wenn es sich in ihrem Sichtfeld befindet. Darüber hinaus suchen die Branderkennungsalgorithmen der NASA nach Bränden von Satelliten, die sich mehr als 500 Meilen über der Erde befinden, was es schwierig macht, den genauen Ort und die Größe eines Feuers zu bestimmen.

Bis ein Feuer von diesen visuellen Sensoren erfasst und die Informationen an die zuständigen Behörden weitergeleitet werden, hat es sich wahrscheinlich so weit ausgebreitet, dass es möglicherweise nur schwer einzudämmen ist. Noch muss ein bemanntes Flugzeug über das Feuer fliegen und die Situation beurteilen, bevor Maßnahmen ergriffen werden.

Wenn UAVs zum Überfliegen von Waldbränden eingesetzt würden, müssten Feuerwehrleute in dieser Funktion ihr Leben nicht aufs Spiel setzen, sagte Kong. Wenn die Drohne vom Rauch eines Waldbrandes überholt wird und gegen einen Baum oder Berg prallt, handelt es sich lediglich um ein Stück Technologie und nicht um ein Menschenleben.

„Einige dieser Waldbrände ereignen sich in sehr anspruchsvollem Gelände. Wenn sie sich beispielsweise in einem sehr tiefen Tal befinden und man das Flugzeug hineinfliegen muss, kann das ziemlich gefährlich sein“, sagte Kong. „Wir hoffen zu zeigen, dass der Einsatz von UAVs ihre Sicherheit erheblich verbessern kann.“

Der Einsatz von UAVs zur Erkennung von Bränden könnte auch die Gesundheit von Feuerwehrleuten und Menschen in betroffenen Gebieten erheblich verbessern. Zahlreiche medizinische Studien bringen Waldbrandrauch, der aus Feinstaub, flüchtigen organischen Verbindungen, Kohlenmonoxid und anderen schädlichen Chemikalien besteht, mit gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Verbindung, darunter einer Verschlechterung der Lungenfunktion, Entzündungen und Herz-Kreislauf-Problemen bei Feuerwehrleuten. Es wurde auch mit verringertem Geburtsgewicht und Frühgeburten, häufigeren Besuchen in der Notaufnahme wegen Lungenentzündung und akuter Bronchitis sowie einem höheren Sterberisiko durch COVID-19 und Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Gemeinden in Verbindung gebracht, in denen Waldbrandrauch vorherrscht.

Auch extreme Waldbrände können außerordentlich große Schäden anrichten. In einem Papier aus dem Jahr 2020, in dem die wirtschaftlichen Auswirkungen der Waldbrände in Kalifornien im Jahr 2018 analysiert wurden, die Berichten zufolge „die tödlichsten und zerstörerischsten aller Jahre in der Geschichte Kaliforniens bis zu diesem Zeitpunkt“ waren, wurde ein Schaden in Höhe von 148,5 Milliarden US-Dollar festgestellt, darunter 22.582 zerstörte Gebäude, die durch die 8.527 Brände verursacht wurden brannten in diesem Jahr 1,9 Millionen Acres nieder.

Auch Waldbrände sind Teil einer Rückkopplungsschleife zur Klimaerwärmung. Umweltveränderungen wie zunehmende Dürre, höhere Temperaturen und geringere Luftfeuchtigkeit sind der Nährboden für eine größere Zahl von Bränden, die länger andauern und intensiver sind. Diese Brände verursachen Treibhausgasemissionen und Luftverschmutzung und tragen so zum Klimawandel bei, und der Kreislauf beginnt von vorne.

Kong, Wexler und andere Forscher wissen, dass der durch Waldbrände verursachte Schaden weder rückgängig gemacht noch vollständig verhindert werden kann. Aber da wir wissen, dass wir mit Waldbränden leben müssen, könnte die Schaffung dieses Netzwerks zur Früherkennung CalFire und andere Feuerwehren früher auf Brände aufmerksam machen, sodass sie Eindämmungsmaßnahmen ergreifen können, bevor die Brände außer Kontrolle geraten, und so hoffentlich die durch sie verursachten Schäden und Todesfälle reduzieren.

Die beiden Forscher haben zusammen mit Jiawei Zhang, Assistenzprofessor am Department of Computer Science der UC Davis, und Avesta Sasan, außerordentlicher Professor am Department of Electric and Computer Engineering, kürzlich ihre Ideen zur Früherkennung von Waldbränden der National Science Foundation und Kalifornien vorgelegt Klimainvestitionen zur Finanzierung.

„Wir werden das Bodensensornetzwerk nutzen, um das hohe Risiko vorherzusagen, und dann die UAVs, um das Gebiet zu patrouillieren, um das Feuer zu finden, und dann werden wir die Behörden alarmieren und losfliegen“, sagte Kong. „Es müssen Satelliten, Wachtürme, UAVs, bemannte Flugzeuge, Bodensensoren und alle Mechanismen zusammenarbeiten, um ein System zur Vorhersage und Erkennung von Waldbränden zu haben.“

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