Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

"Fernerkundung als Werkzeug für Umwelterkundung"
Maximilian Pircher
Vortrag am 15. Februar 2016 im Institut Dr. Flad

Am 15. Februar sprach Maximilian Pircher im Institut Dr. Flad über den Einsatz unbemannter Flugfahrzeuge im Rahmen der Fernerkundung als Werkzeug für die Umwelterkundung. Zunächst klärte Herr Pircher ein paar Begriffe und stellte klar, dass der umgangssprachlich oft genutzte Begriff "Drohne" in Fachkreisen nicht verwendet wird. Hier spricht man in der Regel von UAVs (unmanned aerial vehicles) bzw. neuer von UAs (unmanned aircrafts). Ähnliche, autark durch einen Computer oder über eine Fernsteuerung betriebene und navigierte Fahrzeuge gibt es auch für den Boden sowie auf oder unter Wasser. Bei den Flugfahrzeugen unterscheidet man im Wesentlichen zwei Formen, den Multicopter und das Flächenflugzeug. Erster ist genauer im Raum zu steuern und kann näher an Objekte heranfliegen. Zweites ist besser zum Überfliegen großer Flächen geeignet, kann größere Lasten tragen und bietet außerdem längere Flugzeiten. Der gewerbliche Einsatz ist in jedem Fall an strenge gesetzliche Vorgaben geknüpft, wann und wo geflogen werden darf. So muss in den meisten Fällen eine behördliche Aufstiegsgenehmigung eingeholt werden. Außerdem muss in Deutschland beispielsweise immer eine Sichtverbindung zum Fluggerät bestehen und fast immer die maximale Flughöhe von 100 Metern über Grund eingehalten werden.

Entsprechend ihrer geplanten Einsatzzwecke können die UAs mit ganz unterschiedlichen Nutzlasten, z.B. Kameras und Sensoren für Kontroll- und Überwachungsaufgaben, ausgestattet werden. Hierzu zählen hochauflösende Kameras, Multispektral- oder Wärmebildkameras genauso wie Laserscanner und Sensoren zum Messen von Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Gas oder Strahlung. Zusätzlich sind die meisten Fluggeräte mit GPS sowie Lage-, Beschleunigung- und Belichtungssensoren ausgerüstet. Diese Vielfalt an Ausstattungsmerkmalen spiegelt sich in den Einsatzmöglichkeiten der UAs wieder. Wo früher beispielsweise Wetterballons zum Einsatz kamen, steigen heute "Meteodrones" bis in 1,5 Kilometer Höhe auf und erfassen über Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren wesentliche Daten für die Wetterforschung. Etwas ausgefallener ist der "SnotBot", ein Multicopter der mit Hilfe von Schwämmen Walrotz einsammelt. Die Analyse der über das Blasloch abgegebenen Atemkondensate der Meeressäuger erlaubt Erkenntnisse über deren Gesundheitszustand. Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten finden sich auch im Bereich der Thermografie. Durch die Ausstattung der UAs mit Wärmebildkameras lassen sich z.B. gefahrlos verschüttete Menschen orten, Wärmebrücken an Fassaden identifizieren oder auch Defekte an Solarpanelen erkennen. Im Bereich Tierschutz können sie dabei helfen, Wildtiere, insbesondere Rehe, auf Wiesen und Feldern aufzuspüren, bevor diese von großen Erntemaschinen getötet werden. In Fukushima wurden UAs nach dem Reaktorunglück zur Strahlungsmessung eingesetzt. Zusätzliche Laser- und Ultraschallsensoren zur Kollisionsvermeidung erlaubten einen autonomen Indoor-Flug. Diese Geräte konnten sogar ihren Akku eigenständig wechseln. Nicht zuletzt verschafft man sich auch bei archäologischen Ausgrabungen gerne aus der Luft einen Überblick über große Flächen. So lassen sich Umrisse besser erkennen und gleichzeitig hochauflösende Bilder machen ohne dazu einen teuren Hubschrauber einsetzen zu müssen.

Ein besonderer Fokus des Vortrags von Herrn Pircher lag auf der Photogrammetrie, einer Gruppe von Messmethoden und Auswertungsverfahren der Fernerkundung. Sie befasst sich mit der Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit der Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum. Ziele der Photogrammetrie sind beispielsweise die Erstellung von 3D-Modellen, von Orthofotos (verzerrungsfreie und maßstabsgetreue Abbildungen der Erdoberfläche) und Höhenmodellen oder Volumenberechnungen. Am Beispiel der Befliegung der Grabkapelle auf dem Rotenberg in Stuttgart verdeutlichte Herr Pircher sehr anschaulich ein typisches Vorgehen, angefangen von der Flugplanung und -durchführung, über die Datensammlung und Georeferenzierung (Verknüpfung von GPS- und Lagedaten mit den aufgenommenen Bildern) bis hin zur eigentlichen Photogrammetrie-"Arbeit", der Berechnung der sogenannten Punktewolken aus den gesammelten Daten und daraus eines 3D-Modells. Dabei sind zahlreiche Aspekte zu beachten, z.B. die optimale Flugroute, Winkel der Aufnahmen, Wetter- und Lichtverhältnisse sowie die Vermeidung unnötiger Informationen auf den Bildern. Die Berechnung eines 3D-Modells ist sehr aufwendig und kann, abhängig vom Objekt und der Leistungsfähigkeit des Rechners, Tage bis Wochen dauern. An einem zweiten Beispiel, der Befliegung eines Fußballplatzes, zeigte Herr Pircher anhand eines Höhenmodells auf, wie mit Hilfe dieser Methode das Gefälle eines Geländes sichtbar gemacht werden kann. Durch die Erweiterung um eine Nahinfrarot-Indexkarte ließen sich darüber hinaus sogar Aussagen über den Zustand des Rasens treffen. Solche Daten lassen sich natürlich auch für andere, z.B. landwirtschaftlich genutzte Flächen erheben, aus denen anschließend Erkenntnisse über die Pflanzengesundheit gewonnen werden können.

Die genannten Beispiele zeigten, dass UAs bereits heute regelmäßig für die Umwelterkundung aus der Ferne eingesetzt werden. Sie vereinfachen die Datenerhebung, reduzieren die Gefahr für den Menschen und sparen damit meist auch Kosten. Die zunehmende Verknüpfung und Kombination verschiedener Sensordaten wird zukünftig zu noch mehr Analysemöglichkeiten und Erkenntnissen führen.

D. Blosat