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Dissertation of Chief Fire Officer Dipl.-Ing. M. Sc. Dirk Schneider for achieving the academic degree of Dr.-Ing. of the Faculty of Forestry, Geo and Hydro Sciences of the Technical University of Dresden with the title: “Early Detection of Fires in Areas of Forests and other Vegetation” Fires threaten and destroy extensive forest and vegetation areas every year, endangering people and its settlements, leading to significant pressures on the environment and destroying considerable high value resources. The expenditures in manpower, logistics and finance for safety in general and fire suppression in particular are considerable. To minimize these varied and extensive consequences of fires, early detection is desirable, making an effective firefighting strategy possible. This early detection is particularly of importance in remote, large-scale areas and territories not under observation by the population, especially if they are subject to an increased or high vulnerability. After investigating and considering the causes, that repeatedly lead to forest fires not only in the Federal Republic of Germany but worldwide, the author describes different traditional and modern methods for early detection of fires in areas of forests and other vegetation. Furthermore the author develops a performance item catalog, basing on practical and economic experience, by which not only novel early warning systems can be developed, but the systems and methods described in the present study also are assessed and compared. The comparison of various early warning systems is guided not only by means of technical features, but also from an economic perspective. Financial calculation methods, staff costs and the peculiarities in public administration are particularly noted. The author also shows the different parameters that influence the selection of an appropriate early warning system for the detection of forest and vegetation areas. It becomes clear that it is the scene of the incident with its specific parameters that determines the most useful early warning system.:Vorwort 3 Abstract 6 Inhaltsverzeichnis 7 1 Einleitung 12 2 Ziel- und Aufgabenstellung 17 3 Vorbetrachtungen und Stand des Wissens 18 3.1 Die Waldbrandsituation 18 3.2 Brandursachen in Wäldern und Vegetationsgebieten 21 3.3 Methoden der Waldbrandfrüherkennung 27 3.3.1 Herkömmliche Methoden der Waldbrandfrüherkennung 27 3.3.1.1 Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit 27 3.3.1.2 Feuerwachtürme 29 3.3.1.3 Luftbeobachtung 35 3.3.1.3.1 Feuerwehrflugdienst Niedersachsen 39 3.3.1.3.2 Luftrettungsstaffel Bayern 44 3.3.1.3.3 Avialesookhrana 47 3.3.2 Moderne Systeme 50 3.3.2.1 Terrestrische Systeme 51 3.3.2.1.1 Firewatch 53 3.3.2.1.2 Firehawk Forestwatch 69 3.3.2.1.3 Integriertes Waldbrand-Beobachtungssystem (IPNAS) 72 3.3.2.1.4 FireALERT 76 3.3.2.1.5 Fire Wall 83 3.3.2.1.6 Radio-Akustisches-Sondierungssystem (RASS) 87 3.3.2.1.7 Mobile Biological Sensors (MBS) 93 3.3.2.1.8 Light Detection And Ranging (LIDAR) 101 3.3.2.1.9 Golden Eye 104 3.3.2.2 Aeronautische Systeme 108 3.3.2.2.1 National Infrared Operations Program (NIROPS) 108 3.3.2.2.2 Wildfire Airborne Sensor Program (WASP) 116 3.3.2.2.3 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 121 3.3.2.2.4 Luftschiffe 130 3.3.2.3 Orbitale Systeme 135 3.3.2.3.1 Nomos 137 3.3.2.3.2 Bispectral Infrared Detection (BIRD) 141 3.3.2.3.3 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 146 3.3.2.3.4 Polar Operational Environmental Satellite Project (POES) 151 4 Material und Methoden 154 4.1 Material 155 4.1.1 Fachliteratur und Forschungsberichte 155 4.1.2 Fachberichte internationaler staatlicher Dienststellen 155 4.1.3 Technische Betriebsunterlagen von Herstellern 155 4.2 Methoden 156 4.2.1 Gespräche und Interviews 156 4.2.2 Praxisorientiertes Erfahrungs- und Anwenderwissen 156 4.2.3 Vergleich zur Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit 157 4.2.4 Wirtschaftlichkeit 159 4.2.4.1 Wirtschaftlichkeit unter betriebs- und finanzwirtschaftlicher Betrachtung 160 4.2.4.1.1 Die Wirtschaftlichkeitsanalyse 161 4.2.4.1.1.1 Wirtschaftlichkeitsrechnung 161 4.2.4.1.1.1.1 Statische Verfahren 161 4.2.4.1.1.1.1.1 Kosten- und Gewinnvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.1.2 Rentabilitätsvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.1.3 Amortisationsvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.2 Dynamische Verfahren 163 4.2.4.1.1.1.2.1 Kapitalwertmethode 163 4.2.4.1.1.1.2.2 Internal Rate of Return 164 4.2.4.1.1.1.2.3 Annuitätenmethode 164 4.2.4.1.1.2 Kosten-Nutzen-Analyse 165 4.2.4.1.1.3 Nutzwertanalyse 165 4.2.4.2 Wirtschaftlichkeit in der öffentlichen Verwaltung 166 4.2.4.3 Personalkosten 170 4.2.4.4 Kostenvergleich verschiedener Früherkennungssysteme 172 5 Entwicklung eines Leistungspositionskataloges 174 5.1 Funktionale Anforderungen 176 5.1.1 Melde- und Dispositionszeiten 176 5.1.1.1 Frühzeitige Branderkennung 176 5.1.1.2 Schnelle Meldewege 177 5.1.1.3 Automatisierte Ortsbestimmung 177 5.1.2 Einsatzbereitschaft 177 5.2 Nicht-Funktionale Anforderungen 178 5.2.1 Zuverlässigkeit 178 5.2.1.1 Geringe Fehlalarm- und Detektionsverlustrate 178 5.2.1.2 Wetterunabhängigkeit 179 5.2.1.3 Temperaturunabhängigkeit 179 5.2.1.4 UV-Beständigkeit 179 5.2.1.5 Elektromagnetische Verträglichkeit 179 5.2.1.6 Reduktion von Täuschungsalarmen 180 5.2.1.7 Zwei-Linien-Abhängigkeit 180 5.2.2 Leistungsvermögen 181 5.2.2.1 Automatisches Wirken 181 5.2.2.2 Einsatzinformationsprojektion 181 5.2.3 Benutzbarkeit 181 5.2.3.1 Bedienbarkeit 181 5.2.3.2 Intuitive Erfassbarkeit 182 5.2.4 Portierung und Übertragung 182 5.2.4.1 Leitstellenaufschaltung 182 5.2.4.2 Geoinformationssystem 182 5.2.4.3 Schnittstelle für Wetterinformationen 183 5.2.4.4 Kommunikationsredundanz 183 5.2.4.5 Kompatibilität 183 5.2.4.6 Ergonomie, Design und Ästhetik 183 5.3 Sicherheitsanforderungen 184 5.3.1 Umweltsicherheit 184 5.3.1.1 Gesundheitsschutz 184 5.3.1.2 Umweltverträglichkeit 184 5.3.2 Technische Betriebssicherheit 185 5.3.2.1 Systemstabilität 185 5.3.2.2 Unabhängigkeit von Dritten 185 5.3.2.3 Zwei-Wege-Energieversorgung 185 5.3.2.4 Umweltresistenz 186 5.4 Wirtschaftlichkeit 186 5.4.1 Wartung und Instandsetzung 186 5.4.2 Erweiterbarkeit 186 5.5 Der Leistungspositionskatalog 187 6 Ergebnisse 188 6.1 Die Notwendigkeit des Einsatzes von Früherkennungssystemen 189 6.2 Grundlegende Bewertung der Leistungsfähigkeit 190 6.2.1 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit) 192 6.2.2 Feuerwachtürme 193 6.2.3 Luftbeobachtung 193 6.2.4 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 194 6.2.5 Luftschiffe 195 6.2.6 Terrestrische CCTV-Technik 196 6.2.7 Terrestrische OSS-Videotechnik 196 6.2.8 Erdgebundene Infrarotsysteme 197 6.2.9 Erdgebundene Temperatursensoren 197 6.2.10 Light Detection And Ranging (LIDAR) 198 6.2.11 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS) 199 6.2.12 Mobile biologische Sensoren (MBS) 200 6.2.13 Satellitentechnologie 201 6.2.14 Zusammenfassung der grundlegenden Bewertung 201 6.3 Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog 204 6.3.1 Erfüllung der funktionalen Anforderungen 205 6.3.2 Erfüllung der nicht-funktionalen Anforderungen 206 6.3.3 Erfüllung der Sicherheitsanforderungen 206 6.3.4 Betrachtung der Wirtschaftlichkeit 207 6.3.5 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit) 207 6.3.6 Feuerwachturm 209 6.3.7 Luftbeobachtung 212 6.3.8 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 213 6.3.9 Luftschiffe 216 6.3.10 CCTV-Technik 218 6.3.11 OSS-Videotechnik 220 6.3.12 Erdgebundene Infrarotsysteme 222 6.3.13 Erdgebundene Temperatursysteme 224 6.3.14 Light Detection And Ranging (LIDAR) 226 6.3.15 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS) 228 6.3.16 Mobile biologische Sensoren (MBS) 229 6.3.17 Satellitentechnologie 232 6.3.18 Zusammenfassung der Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog 235 6.4 Bewertung anhand komplexer Kriterien 243 6.5 Die Vulnerabilität von Ökosystemen 244 6.6 Kostenvergleich ausgewählter Früherkennungssysteme 246 6.7 Bewertung der betriebs- und finanzwirtschaftlichen Methoden 257 6.8 Wirtschaftlichkeit und beeinflussende Nebenaspekte 258 6.9 Die Anwendung von Analysemethoden 261 7 Diskussion 263 7.1 Grundlagen und Methoden der Waldbrandfrüherkennung 263 7.2 Die Komplexität der Findung eines geeigneten Früherkennungssystems 276 7.3 Der Kostenvergleich von Früherkennungssystemen 276 7.4 Allgemeine Wirtschaftlichkeit 278 7.5 Technische Wirtschaftlichkeit 278 7.6 Finanz- und betriebswirtschaftliche Methoden 279 8 Schlussfolgerungen 280 8.1 Lehre zur Bedeutung von Wald- und Vegetationsgebieten 280 8.2 Prävention und Aufklärung 281 8.3 Schutzbedarf feuerunabhängiger Ökosysteme 282 8.4 Notwendigkeit des Einsatzes von Früherkennungssystemen 282 8.5 Der Einfluss der Empfindlichkeit eines Ökosystems 283 8.6 Technische Weiterentwicklung des Systems Feuerwachturm 284 8.7 Erfüllung funktionaler und nicht-funktionaler Anforderungen 285 8.8 Die Gewährleistung der Umweltsicherheit 286 8.9 Unzulässigkeit der Verwendung von Tieren als Früherkennungssystem 286 8.10 Die Wirtschaftlichkeit von Früherkennungssystemen 287 8.11 Die interdisziplinäre Nutzung zur Senkung von Kosten 288 8.12 Der Leistungspositionskatalog als Werkzeug 288 8.13 Orbitaler Systemverbund für den globalen Umweltschutz 289 8.14 Minimierung von Fehlalarmen durch Zwei-Linien-Abhängigkeit 290 8.15 Kombination unterschiedlicher Methoden zum Erhalt eines Idealsystems 291 8.16 Örtliche Bedingungen bestimmen das Früherkennungssystem 292 9 Zusammenfassung 293 10 Quellen- und Literaturverzeichnis (numerisch) 296 11 Quellen- und Literaturverzeichnis (alphabetisch) 338 Anhang I: Abkürzungsverzeichnis 344 Anhang II: Bilderverzeichnis 348 Anhang III: Tabellenverzeichnis 353 Anhang IV: Index 354

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Aspekte auf die Infrastrukturentwicklung im Abwasserbereich und insbesondere die Verbreitung alternativer Technologien auf Haushaltsebene Einfluss nehmen. Dabei werden technische, ökologische, ökonomische und soziale Wechselwirkungen zwischen der dezentralen und der zentralen Entsorgung berücksichtigt. Der Fokus liegt dabei auf dem ländlichen Raum der neuen Bundesländer. Es wird ein Simulationsmodell entwickelt, das das Verständnis über die Relevanz von Unsicherheiten in der Abwasserbeseitigung verbessern und eine Bewertung möglicher Maßnahmen hinsichtlich der Wirkung auf Gewässerschutz und Wirtschaftlichkeit erlauben soll. Zu diesem Zweck werden verschiedene Szenarien analysiert. Es zeigt sich zum einen, dass eine Verringerung der Ablauffrachten aus dezentralen Anlagen durch eine Reihe von Maßnahmen möglich ist, die in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen (Einsparpotenziale, Eigenkapitalausstattung, Umweltbewusstsein etc.) unterschiedlich wirken und daher auch situationsabhängig einzusetzen sind. Dazu gehören etwa die Entwicklung von Förderinstrumenten und Finanzierungsmodellen, ökologische Kampagnen, die Bekanntmachung von Investitionstätigkeiten, die frühzeitige Information über rechtliche Veränderungen und der gezielte Einsatz von Sanierungsanordnungen. Zum anderen können bei der zentralen Entsorgung gerade im ländlichen Raum Auslastungs- und Finanzierungsprobleme entstehen, die den weiteren Ausbau der zentralen Infrastruktur gefährden. Die Szenarien zeigen, dass daher bei der Infrastrukturplanung Unsicherheiten der Bevölkerungsentwicklung und insbesondere des spezifischen Abwasseranfalls berücksichtigt werden müssen. Eine zentrale Entsorgung ist im ländlichen Raum zu sozialverträglichen Gebühren nur unter erheblichem Fördermitteleinsatz möglich. Wichtigste Maßnahme zur Abschwächung der positiven Rückkopplung aus steigenden Gebühren und sinkendem Abwasseranfall ist die Erhebung von Grundgebühren.

Die Biodiversitätskrise des Anthropozäns wird vor allem durch vom Menschen bedingte Umweltveränderungen verursacht. Naturschutzgebiete sind ein globaler Eckpfeiler des Umweltschutzes und besonders wichtig für den Erhalt von Großsäugern. Fortschreitender menschlicher Einfluss sowie zunehmender Verlust und die Zerteilung von Lebensräumen innerhalb und außerhalb von Naturschutzgebieten beeinflussen deren Effektivität und Wert für den Umweltschutz stark, besonders in Zeiten sozioökonomischer und institutioneller Schocks mit reduzierten Ressourcen für den Umweltschutz. Der Zusammenbruch der Sowjetunion im Jahr 1991 war solch ein Schock und das Ziel dieser Doktorarbeit war es, besser zu verstehen, wie dieser Schock die Landnutzung, die Effektivität von Naturschutzgebieten und die Populationsdynamik von Wildtieren beeinflusst hat. Der europäische Teil Russlands bot sich deshalb als Untersuchungsgebiet an, da es eine vom Menschen stark beeinflusste Region ist, welche Lebensraum für Großsäuger aufweist sowie ein Netzwerk von Naturschutzgebieten besitzt, die über Langzeitdaten zur Biodiversität verfügen. Diese Doktorarbeit verwendete umfassende Datensätze und interdisziplinäre Ansätze, um die Veränderungen in Landnutzung, Jagddruck, Naturschutzgebieten, Lebensräumen und Populationsdynamiken von Wildtieren in post-sowjetischer Zeit zu beobachten und auszuwerten. Die Ergebnisse zeigen, dass der sozioökonomische und institutionelle Schock nach 1991 einen verringerten Landnutzungsdruck zur Folge hatte, bedingt durch die weit verbreitete Aufgabe von Landwirtschaft und generell abnehmende Raten von Waldeinschlag. Naturschutzgebiete spielten eine wichtige Rolle beim Schutz der Biodiversität und profitierten von vergrößerten Lebensräumen für Großsäuger. Wildtierpopulationsdynamiken waren in post-sowjetischer Zeit wesentlich beeinflusst von Landnutzungswandel und Jagddruck. Diese Forschungsergebnisse leisten einen wertvollen Beitrag zur Unterstützung des Biodiversitätsmonitorings. / The biodiversity crisis of the Anthropocene era is mainly caused by human-induced environmental changes such as land-use change and the overexploitation of wildlife. Protected areas are a cornerstone of the global conservation efforts and particularly important for preserving large mammals. Increasing human impact and continued loss and fragmentation of wildlife habitats inside and outside protected areas strongly affect their effectiveness and conservation value, especially during times of socio-economic and institutional shocks with reduced resources for nature conservation. The breakdown of the Soviet Union in 1991 was such a shock and the overall aim of this thesis was to contribute to a better understanding of how this shock affected land use, protected area effectiveness, and wildlife dynamics in European Russia. European Russia served as a representative area for such a study as it is a human-dominated region, which harbors large mammal species and a long-established network of scientific protected areas providing long-term biodiversity data. The overall aim of this thesis was assessed by using a broad range of data and interdisciplinary approaches to monitor and evaluate changes in land use and hunting pressure, protected areas, wildlife habitats, and species population dynamics in post-Soviet times. The results of this thesis revealed that the socio-economic and institutional shock after 1991 resulted in reduced land-use pressure due to widespread farmland abandonment and overall lowered rates of forest logging in European Russia. Protected areas played an important role in halting threats to biodiversity and benefitted from increased large mammals’ habitat within their zone of interaction. Wildlife dynamics were significantly affected by land-use change and hunting pressure in post-Soviet times. The findings of this thesis provide a valuable contribution to support biodiversity monitoring and overcome knowledge gaps on biodiversity conservation.

Beim Parameter „Druscheignung“ eines Bestandes wird gemeinhin angenommen, dass dieses Kriterium durch die Genetik der Sorte und den Witterungsverlauf, weitgehend unbeeinflusst von Landwirt, festgelegt ist. Und dennoch verändert der Landwirt mit all seinen Entscheidungen von der Auswahl der Sorten, über die Düngung, den Pflanzenschutz bis hin zum Erntemanagement die Druscheignung stetig. Zur Ernte, als letzten Abschnitt der Verfahrenskette, entfaltet die Druscheignung dann außerordentlich große ökonomische Auswirkungen. Anhand verschiedener Beispiele aus Züchtung, Pflanzenernährung, Pflanzenschutz und Erntetechnologie wurde dargestellt, wie auf die Druscheignung Einfluss genommen werden kann und wie diese Auswirkungen monetär zu bewerten sind. Aus dem Bereich der Züchtung wurde die Entwicklung eines neuen Wuchstyps bei den Rapshalbzwergen ausgewählt, der mit weniger Biomasse konkurrenzfähige Erträge erzielt. Die Abreife ist einheitlicher, der Erntetermin kann problemloser fixiert werden, der Drusch ist leistungsstark und verlustarm. Späte und intensiv geführte Sorten sind mit Hilfe einer Sikkation zeitlich früher und leichter zu beernten. Das schafft Erntesicherheit bei geringeren Verlusten, höheren Mähdrescherleistungen und sinkendem Kraftstoffverbrauch. Die bedarfsgerechte Ausbringung des Stickstoffs in Art, Menge und Zeit, entsprechend der kleinräumigen Heterogenität eines Schlages, führt zu einer Homogenisierung der Bestände. Die Bestände reifen gleichmäßiger ab und führen zu etwa 20 Prozent höherer Mähdrescherleistung sowie geringerem Kraftstoffverbrauch. Am Beispiel des Hochschnitts wurde verdeutlicht, wie sich die bessere Beerntbarkeit auf Maschinenkosten, Gesamternteverluste, Qualität und Trocknung auswirkt. Hebt man die Stoppellänge um 10 Zentimeter an, lässt sich die Mähdrescherleistung um ca. 15 bis 20 Prozent steigern. Diese Beispiele unterstreichen zugleich die Forderung, dass die Druscheignung nicht erst zur Ernte diese Führungsrolle übernimmt, sondern auch in den vorgelagerten Verfahrensabschnitten als ein starkes Entscheidungskriterium gelten muss. / The parameter “threshability” of a stand is commonly assumed to be a criterion defined by the genetics of the strain and the weather conditions which is mainly not influenced by the farmer. Nevertheless, the farmer continuously changes the “threshability” with all his decisions, from the selection of the strains, via the use of fertilizers to the harvest management. For harvest, as the last stage of the process chain, the threshability develops extraordinarily high economic effects. On the basis of several examples from cultivation, plant nutrition, plant protection and harvest technology it was described, how the threshability can be influenced and how this effect is to be assessed monetarily. In the field of cultivation, the development of a new growth type of semi-dwarf rape has been selected, which yields competitive returns with less bio mass. Ripeness is more homogeneous, the harvest date can be fixed without problems, threshing is efficient and with low loss. Using the method of siccation, late and intensively controlled strains can be harvested earlier and easier. This offers harvest safety with low loss, higher combine harvester performance and reduced fuel consumption.The need-based spreading of nitrogen referring to type, quantity and time according to the small-scale spatial heterogeneity of a field leads to a homogenisation of the stands. The stands ripen more evenly and this fact causes about 20 percent higher combine harvester performance, as well as reduced fuel consumption. Using the example of high-cut top harvest it was clarified how the better harvestability influences the machine costs, the total harvest losses, the quality, and the drying process. If the length of the stubbles is extended by 10 centimetres, the combine harvester performance can be increased by 15 to 20 percent. These examples also emphasize the requirement that the threshability does not just take over the leading role for the harvest but has also to be considered as a strong decision criterion within the prior stages of the process.

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