Drohnen Photogrammetrie

Das Thema Umweltmonitoring mit Drohnen erobert zusehends die heimischen Fakultäten. Ein innovatives Feld, das auch an Karl Reiter von der Uni Wien nicht vorbei geht. Professor Reiter gehört zu den führenden Köpfen des Department of Conservation Biology, Vegetation - and Landscape Ecology und ist damit auf die Bereiche Botanik und Biodiversitätsforschung spezialisiert. In Karls Vorlesungen geht es dabei auch um Themen wie Vegetations-, Landschafts- oder auch Restaurationsökologie. Welche tragende Rolle nun auch Drohnen in Sachen Umweltschutz und Nachhaltigkeit übernehmen und in Zukunft noch übernehmen werden - darüber dürften wir mit Dr. Karl Reiter sprechen:

Karl, seit wann bist Du am Thema Umweltmonitoring mit Drohnen dran?

Bei der Planung eines Forschungsvorhabens an der Donau hab ich mich mit dem Thema Drohne bereits 2013 beschäftigt. Damals war ich in Sachen Umweltmonitoring mit Drohnen noch sehr naiv und ich hab mir eine Drohne (GAUI 500X) besorgt. Schlussendlich habe ich diese nicht einmal wirklich zum Fliegen gebracht. Das alles natürlich auch noch ohne moderne Fly-controller, GPS und Software zur Flugplanung.

Umweltmonitoring mit Drohnen: Was hat sich hier in den letzten Jahren getan?

Die ersten negativen Erfahrungen haben mich dann sehnsüchtig auf die zunehmend hohe Anzahl an Consumer-Drohnen blicken lassen. Aber eine Kaufentscheidung in Richtung dem Segment mit Drohnen um die € 1.500 habe ich hinausgezögert. Schließlich haben jene Kameras, die unsere Ansprüche nicht erfüllen. Auch ist es schwierig im universitären Umfeld Geräte finanziert zu bekommen, die in einem Preissegment von bis zu 20.000€ angesiedelt sind. So wäre eine DJI Inspire 2 schon überlegenswert gewesen. Schlussendlich wäre sie aber zu billig gewesen, um diese von der Uni finanziert zu bekommen, und zu teuer, um aus den eigenen Forschungsmitteln zu finanzieren. Und so bewirbt man sich um ein sogenanntes Investitionsprojekt. Und sofern die Argumente für ein professionelles Gerät einer sehr strengen Prüfung durch die Verantwortlichen standhalten, bekommt man den Zuschlag für die Umsetzung eines solchen Investitionsprojektes zum Umweltmonitoring mit Drohnen. Eine wesentliche Vorgabe für die Auswahl, war auch eine weitgehend offene Plattform. Durch diese soll ein späteres Nach- und Umrüsten ermöglicht und auch eine individuelle Anpassung an bestimmte Forschungsfragen erlaubt werden. Ausschlaggebend ist dabei auch, dass man selbst einfache Drohnen Reparaturen durchführen kann.

Wie lief das Umweltmonitoring aus der Luft früher ab?

Im Bereich des vegetationsökologischen bzw. landschaftsökologischen Umweltmonitorings werden durch wiederholte Beobachtung bestimmte Vorgänge bzw. Parameter in einem definierten Ausschnitt der Landschaft unter dem Gesichtspunkt einer festen Zielsetzung (z.B. Grenzwerte, Pflegeziele) überwacht. Ursprünglich waren die einzigen Medien bei dieser Arbeit eine Karte und ein Bleistift und das Wissen über Vegetation und Landschaftsentwicklung. Dies gefolgt von der Verwendung von Orthophotos und einer Digitalisierung der Arbeit durch Einsatz eines Geo-Informationssystems(GIS). Orthophotsos werden aber in der Regel mit einer extrem geringen Frequenz zur Verfügung gestellt, manchmal mit zeitlichen Abständen von bis zu 10 Jahren. Alternativ dazu konnte man natürlich immer neue Flüge für bestimmte Landschaftsausschnitte beauftragen. Dies aber zu Preisen, die dauerhaft die finanziellen Möglichkeiten universitärer Forschungsvorhaben überstiegen!

Aus digitalen Höhenmodellen werden wesentliche Parameter betreffend vegetationsökologische und landschaftsökologische Untersuchen abgeleitet. Dazu gehören Faktoren (Höhe, Exposition, Steilheit, Grundwasserabstände und Landschaftsmorphologie), die für das Werden der Landbedeckung entscheidend sind. Die Photogrammetrische Auswertung von Luftbildern besteht dabei in einer Simulation des dreidimensionalen menschlichen Sehens durch Betrachten von sich räumlich überschneidenden Luftbildern, die von unterschiedlichen Punkten aufgenommen wurden. Diese sowie das Abtasten durch Laser-Scans, liefern in den letzten Jahren Daten mit in einer sich ständig verbessernden räumlichen Auflösung. Aber die Generierung derartiger Daten war bisher immer auch mit Geräten verbunden, die als Trägerplattform bemannte Flugzeuge nutzten.

Wo liegen die wesentlichen Vorteile beim Umweltmonitoring mit Drohnen?

Will man nun die zuvor angesprochen Daten in einer hohen zeitlichen Frequenz (multitemporal), in einer hervorragenden räumlichen Auflösung sowie in einem unschlagbaren Preis-Leistungsverhältnis gewinnen, so gibt es eigentlich nur das Umweltmonitoring mit Drohnen als Alternative. Liefern Muticopter doch eine effiziente Möglichkeit zur Generierung von räumlichen Informationen. Das gilt jedenfalls bis zu dem Tag, an dem uns auch Satellitenbilder mit einer 1cm Auflösung frei verfügbar angeboten werden.

Umweltmonitoring mit Drohnen: Welche Geräte sind bei Euch aktuell im Einsatz?

Wir betreiben unser Umweltmonitoring mit Drohnen über einen Air6–Hexacopter von Air6-Systems (Klagenfurt) mit einem Gewicht von 6,5 kg Abfluggewicht. Bewilligt ist die Drohne in Kategorie C mit der Option temporär für Kategorie D anzusuchen. Der Copter verfügt also auch über die dementsprechende Redundanz. Als Kameras haben wir eine Sony Alpha 6000 und eine RedEdge für IR-Bilder im Einsatz.

Für meine KollegInnen und mich war es als unerfahrene Drohnenpiloten wichtig, einen österreichischen Anbieter für professionelle Drohen zu finden. Die Kennwerte des Produkts Air6 und der einfache Kontakt - auch vor Ort - mit den Drohnenentwicklern, haben uns schließlich überzeugt. Vor allem war das das einzige Produkt, das alle unseren sehr strengen Vorgaben erfüllte. Auch wenn wir etwas an „Lehrgeld“ durch Bedienungsfehler anfangs noch zahlen mussten, konnte uns rasch und effizient geholfen werden. Und da die Bauteile der Drohne allesamt sehr gut dokumentiert sind, kann man sich als Nutzer bei kleineren Problemen selbst sehr schnell helfen.

Was empfiehlst Du beim Umweltmonitoring mit Drohnen als Einstieg?

Aber ich muss auch künftigen Nutzen von professionellen und folglich auch teuren Drohnen empfehlen, mit einer Übungsdrohne zu beginnen. Also einer Drohne, die bezogen auf die Bedienung (gleiche RC und gleicher Fly-controller) gleich wie die große Drohne ist, aber viel schwächer und vor allem billig und leicht zu reparieren ist.
Irgendwann ist man dann soweit, dass man ohne Angst vor einem Crash eine große Drohne bedienen kann. Ab einem gewissen Punkt beherrscht man dann den Ardu-Pilot in Kombination den Pixhawk-Derivaten so, dass man aus dieser offenen Plattform ein Maximum an Leistungsmöglichkeiten herausholen kann. Solche offenen Systeme erlauben die Entwicklung von Flugmöglichkeiten, die man auf der Übungsdrohne testet und bei einem fehlerlosen Testflug dann auf die Air6 überträgt. Und zur Sicherheit hat man alle wesentlichen Bauteile der Übungsdrohne im Köfferchen.

Welche Software nützt Ihr beim Umweltmonitoring mit Drohnen

Als Software haben wir als Flugplanungssoftware den Mission-Planner und als einfache zu bedienende Analysesoftware Pix4D im Einsatz. Daneben arbeiten wir aber weiter mit dem Klassiker Imagine von ERDAS und ecognition und über all diesen Produkten steht die Nutzung des GIS ArcGIS.

Wo warten die größten Herausforderungen beim Umweltmonitoring mit Drohnen?

Eine der großen Herausforderungen beim Umweltmonitoring mit Drohnen ist die Tatsache, dass durch den Masseneinsatz von sogenannten Spiel-Drohnen man von Besuchern sensibler Gebiete (z.B. Naturschutzgebiete) argwöhnisch beäugt wird. Dabei muss man sich immer wieder rechtfertigen, dass man da eben nicht spielt, sondern wesentliche Beiträge für die Umweltbeobachtung liefert. Darüber hinaus liefert gerade das Umweltmonitoring mit Drohnen auch Daten, die  in einem sehr frühen Stadium negative Entwicklungstendenzen in der Landschaft sichtbar machen können.
Leider sind auch die Bedingungen der Austro-Control eine große Herausforderung. Primär ist es natürlich das jährlich notwendige Prüf- und Genehmigungsverfahren, das für uns als ständig unter Geldmangel leidende Universität eine finanzielle Belastung darstellt. Aber auch die sehr komplexen Genehmigungsverfahren für Flüge in Flugverbotszonen schränken den erwähnten Wunsch nach hoher zeitlicher Auflösung der Flüge massiv ein.

Wie verändern Drohnen die universitären Ausbildung?

Ob in der Ausbildung eine Drohne zum Einsatz kommt, weiß ich noch nicht – sofern ja, dann aber nur in einer Demonstration. Was aber ganz klar Verwendung finden wird, sind die von der Drohne gelieferten Luftbilder und die aus diesen Luftbildern abgeleiteten Höhenmodelle.

Karl, wir danken für Deine informativen Ausführungen!

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