Agreement between Sentinel-1 C-band backscatter change and Sentinel-2 burn severity indices across land-cover types in a low-biomass transitional eco-region

Waldbrände sind nicht mehr nur eine sommerliche Bedrohung, die auf dichte Kiefernwälder beschränkt ist. Da sich das Klima erwärmt, dehnen sich die Feuersaisonen immer weiter aus und breiten sich in neue Gebiete aus, einschließlich der sanften Ebenen und Buschlandschaften des amerikanischen Südens. In diesen Übergangslandschaften, in denen Gräser mit verstreuten Eichenbäumen und Sträuchern vermischt sind, ist es überraschend schwierig, den Schaden nach einem Feuer zu messen. Traditionelle Methoden verlassen sich auf optische Satelliten, die Bilder der Erde in sichtbarem und infrarotem Licht aufnehmen. Diese Bilder funktionieren gut in Wäldern, da sie den Unterschied zwischen gesunden grünen Blättern und geschwärzten, abgestorbenen Blättern erkennen können. In offenen Gebieten mit geringer Vegetation ist jedoch der Boden selbst oft hell und reflektierend, und Gräser können so schnell nachwachsen, dass der Satellit innerhalb weniger Wochen wieder Grün sieht, was das wahre Ausmaß der Zerstörung verbirgt. Um dies zu lösen, wenden sich Wissenschaftler einer anderen Art von Auge zu: dem Radar. Im Gegensatz zu Kameras, die auf Sonnenlicht warten, senden Radar-Satelliten ihre eigenen Mikrowellensignale aus, die von der Erde und der Vegetation abprallen, wodurch sie durch Rauch und Wolken sehen und Veränderungen in der physischen Struktur des Landes erkennen können, selbst wenn die Pflanzen noch grün sind.

Im März 2022 fegte ein massiver Brandkomplex durch Zentral-Texas und verbrannte dabei mehr als 62.000 Acre Land, was vier verschiedene Brände einschloss: die Kidd-, Wheatfield-, Ramsey- und Oak-Mott-Feuer. Dieses Ereignis bot eine perfekte Gelegenheit, um zu testen, ob Radar das sehen konnte, was optische Kameras übersahen. Ein Forscher der University of Texas at Dallas setzte sich zum Ziel, zwei Arten von Satellitendaten für diesen spezifischen Brand zu vergleichen: die standardmäßigen optischen Brandkarten und eine neue Analyse unter Verwendung von Radarsignalen. Das Ziel war zu verstehen, wie gut das Radar den Verlust der Vegetationsstruktur und der Feuchtigkeit in einer Landschaft verfolgen kann, die von Sträuchern und Gräsern statt von hohen Bäumen dominiert wird. Die Studie konzentrierte sich auf eine Region, in der die Vegetation niedrig und der Boden oft sichtbar ist – ein Setting, in dem traditionelle Brandkarten historisch gesehen Schwierigkeiten hatten, genau zu sein.

Die Forscher begannen damit, das Perimeter des Feuers zu kartieren, und betrachteten dann die Daten aus zwei verschiedenen Satellitensystemen. Ein System, Sentinel-2, erfasst Bilder in Lichtwellenlängen, die empfindlich auf die Pflanzengesundheit reagieren. Das andere, Sentinel-1, nutzt Radar, um zu messen, wie viel Energie von der Oberfläche zurückgestrahlt wird. Wenn Vegetation verbrennt, verliert sie ihre Struktur und ihren Wassergehalt. In einem Wald bedeutet dies meist, dass das Radarsignal sinkt, weil die Bäume, die das Signal streuen würden, verschwunden sind. Aber im offenen Texas-Buschland ist die Geschichte komplexer. Die Analyse ergab, dass sich das Radarsignal je nach Art der Pflanze unterschiedlich verhielt. In Gebieten mit höheren, holzigen Sträuchern sank das Radarsignal signifikant, was auf einen Verlust der Struktur hindeutete. In Grasflächen hingegen nahm das Signal manchmal zu. Dies geschah, weil das Feuer das Gras entfernte, das die Radarwellen gedämpft hatte, wodurch der raueren, trockeneren Boden darunter freigelegt wurde, der mehr Energie an den Satelliten reflektierte.

Als die Forscher die Radarveränderungen mit den optischen Brandkarten verglichen, stellten sie eine klare Diskrepanz darin fest, wie die beiden Sensoren das Feuer wahrnahmen. Die optischen Karten, die auf dem Unterschied in der Pflanzengesundheit vor und nach dem Feuer basieren, zeigten, dass ein Großteil des Feuerperimeters entweder unbeschädigt oder nur leicht verbrannt war. In Wirklichkeit hatte das Feuer viele Landparzellen übersprungen und ein fragmentiertes Muster von verbrannten und unverbrannten Flächen hinterlassen. Die optischen Karten hatten Schwierigkeiten, zwischen Gebieten, die tatsächlich geschädigt waren, und solchen, die sich nur schnell erholten, zu unterscheiden. Die Radardaten lieferten jedoch ein schärferes Bild. Sie zeigten, dass das kreuzpolarisierte Radarsignal, das besonders empfindlich auf die dreidimensionale Struktur von Pflanzen reagiert, ein wesentlich besserer Indikator für den Strukturverlust war als die standardmäßigen optischen Karten. Das Radar konnte die Entfernung von holzigen Sträuchern und das Austrocknen des Bodens erkennen, selbst wenn die optischen Sensoren durch das schnelle Nachwachsen des grünen Grases verwirrt wurden.

Eine zentrale Erkenntnis der Studie war, dass die Art und Weise, wie Wissenschaftler die Brandintensität berechnen, in diesen Landschaften mit geringer Biomasse enorm wichtig ist. Die Standardmethode für optische Karten passt den Schweregrad-Score oft basierend darauf an, wie viel Vegetation vor dem Feuer vorhanden war. Die Forscher fanden heraus, dass diese Anpassung die Daten in den Texas-Buschlandschaften eher verschlechterte. Da die Vegetation vor dem Feuer bereits spärlich war, verstärkte die Anpassung eher zufälliges Rauschen als die Schäden zu klären. Stattdessen funktionierte ein einfacheres Maß der absoluten Änderung in den optischen Daten besser, wenn es mit dem Radar kombiniert wurde. Die Studie bestätigte, dass das Radarsignal und das einfache Maß der optischen Änderung miteinander verknüpft waren, aber nur in Gebieten mit genügend holziger Struktur, die die Radargwellen streuen konnten. In den Graslandschaften war die Verbindung schwach, was darauf hindeutete, dass Radar zwar leistungsstark ist, aber die optischen Daten in jeder Situation nicht vollständig ersetzen kann.

Die Studie untersuchte auch, was die Intensität des Feuers vorantrieb. Es wurde untersucht, ob die Steilheit des Geländes oder die Art der Vegetation eine größere Rolle bei der Schwere des Brandes spielte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Neigung des Geländes fast keinen Effekt auf die Brandintensität hatte. Stattdessen war die Art des Brennstoffs der entscheidende Faktor. Gebiete, die mit Sträuchern und holzigen Pflanzen bedeckt waren, brannten mit signifikant höherer Intensität als offene Graslandschaften. Dies stützt die These, dass das Vordringen von holzigen Pflanzen wie Mesquite und Wacholder in die Graslandschaften das Feuersystem verändert und Feuer intensiver und schädlicher macht. Die Radardaten konnten diese Unterschiede im Strukturverlust hervorheben und zeigten, dass die holzigen Gebiete eine tiefgreifendere Veränderung erfuhren als die Grasflächen.

Vielleicht die praktischste Entdeckung war die Fähigkeit des Radars, eine Karte des Feuchtigkeitsverlusts zu erstellen. Durch die Kombination der Radarsignale erzeugten die Forscher einen Index, der zeigte, wo das Land nach dem Feuer am stärksten ausgetrocknet war. Diese Karte stimmte gut mit den Gebieten überein, in denen das Feuer gewütet hatte, selbst an Orellen, an denen die optischen Karten mehrdeutig waren. Dies ist entscheidend, da Radar durch den Rauch und die Wolken sehen kann, die optische Satelliten unmittelbar nach einem Feuer oft blockieren. Es sieht zudem das physische Austrocknen des Bodens und der Pflanzen, bevor das grüne Gras die Chance hat, den Schaden zu verbergen. Dies bedeutet, dass Katastrophenmanager Radar nutzen könnten, um viel früher als mit herkömmlichen Methoden ein zuverlässiges Bild der Auswirkungen des Feuers und des daraus resultierenden Wasserdefizits im Boden zu erhalten.

Die Forscher merkten an, dass ihre Ergebnisse spezifisch für diesen Typ von Umgebung mit geringer Biomasse und Übergangscharakter sind und nicht ohne weitere Tests auf dichte Wälder oder andere Ökosysteme übertragen werden sollten. Sie wiesen auch darauf hin, dass die Radardaten zwar vielversprechend sind, aber noch durch Messungen vor Ort validiert werden müssen, um eine perfekte Skala zur Messung der Brandintensität zu erstellen. Für den Moment zeigt die Studie, dass die Kombination von Radar- und optischen Daten eine vollständigere Sicht auf die Brandschäden in den Southern Great Plains bietet. Sie offenbart, dass in diesen semiariden Landschaften, in denen der Boden sichtbar ist und die Pflanzen schnell nachwachsen, die physische Struktur der Vegetation eine andere Geschichte erzählt als die Farbe der Blätter. Indem die Wissenschaftler dem Echo des Radars lauschen, können sie schließlich die wahre Form der Brandnarbe sehen, selbst wenn das Land schon wieder grün aussieht.