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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Potentialstudie über die Verwendung von drohnengestützter, optischer Sensorik zur Untersuchung von Gewässern und deren Umland"

Drohnen werden aktuell für verschiedene Einsatzgebiete genutzt. Neben dem militärischen Bereich, finden sie auch bei Polizei und Feuerwehr Anwendung. Im zivilen Bereich werden sie für wissenschaftliche Untersuchungen sowie für die Freizeitgestaltung eingesetzt. Dabei unterliegen sie je nach Land verschiedenen rechtlichen Richtlinien. In Deutschland erhält man für die gewerbliche Nutzung einer Drohne, welche ein Startgewicht unter 5 kg besitzt, in der Regel eine Flugerlaubnis für 2 Jahre. Wird das maximale Startgewicht von 5 kg überschritten, so muss eine gesonderte Flugerlaubnis eingeholt werden. Die Klassifizierung von zivil genutzten UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) kann anhand unterschiedlicher Eigenschaften durchgeführt werden. So kann eine Klassifizierung z.B. über die Einteilung in „leichter oder schwerer als Luft“, sowie „unmotorisiert oder motorisiert“, oder über die Flugeigenschaften, wie Reichweite, Flughöhe, Flugdauer und Startgewicht, erfolgen. Je nach Einsatzgebiet und Bedingungen müssen passende Drohnen ausgewählt werden. Dies geschieht anhand von Flugeigenschaften, wie Reichweite, Nutzungsdauer, Wetterabhängigkeit und Manövrierbarkeit. Wissenschaftlich genutzte Drohnen sind oft als Multikopter ausgeführt. Deren Aufbau wird in dieser Arbeit näher beschrieben. Terrestrische und luftgestütze Messverfahren, die für die Untersuchung eines Gewässers und dessen Umland in der Wissenschaft Anwendung finden, bilden die Grundlage für einen Vergleich unterschiedlicher Untersuchungseigenschaften. So werden in dieser Arbeit die klassische Luftbilderstellung und -auswertung, die drohnengestützte Erstellung von Bildern für photogrammetrische Anwendungen (Structure from Motion), die luftgestützte Laserabtastung von Land- und Wasserböden, Punktmessverfahren wie Tachymetermessung und Vermessung mit hoch genauem GPS, sowie die Echolotmessung zur Abtastung der Bathymetrie miteinander verglichen und bewertet. Dabei wird auf Eigenschaften der Verfahren, wie die räumliche Genauigkeit, zeitliche Auflösung, Flexibilität, Aufwand sowie Kosten eingegangen. Als Referenzgebiet wird ein kleines Gewässer, wie z.B ein kleiner See, angenommen. Dabei zeigt sich, dass die höchste Genauigkeit zwar von Tachymetern erreicht wird, diese aber in der Praxis nur einzelne Punkte erfassen können, deren Anzahl von der Dauer des Messeinsatzes abhängt. Um eine flächendeckende Punktwolke zu erhalten, muss entweder mit drohnengestützter Photogrammetrie oder flugzeuggestütztem Laserscanning gearbeitet werden. Dabei erreicht die Photogrammetrie eine Raumgenauigkeit von 10-15 cm, wobei die Laserabtastung einer Genauigkeit von 10-20 cm in der Höhe und 0,1-1 m in der horizontalen Lage erreicht. Jedoch hat die Laserabtastung, unter Verwendung eines speziellen Lasers der Firma Riegel, die Möglichkeit, die Bathymetrie ebenfalls abzutasten. Allerdings muss dieser Laser aufgrund seines Gewichts und des hohen Energiebedarfs von einem Flugzeug getragen werden, was den Einsatz sehr aufwendig und kostenintensiv macht. Der Vorteil der Photogrammetrie und klassischen Luftbildaufnahme ist, dass nicht nur Lageinformationen einzelner Punkte gemessen, sondern auch Farb- und Texturinformationen gewonnen werden. Diese können z.B zur automatischen Pixelklassifizierung genutzt werden. Dies führt dazu, dass vor jeder Untersuchung abgewägt werden muss, welche Informationen gewonnen werden sollen. Auch spielt die Größe des Untersuchungsgebiets eine Rolle. Da die Untersuchung mit Hilfe eines Flugzeugs oder Helikopters eine größere Flächenleistung als die einer Drohne hat, ändert sich das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand, was den Preis relativieren kann. In Zukunft ist zu erwarten, dass die Messverfahren, welche mit einer Drohne anwendbar sind, verbessert werden. Dabei ist auch auf das Gewicht der Messinstrumente zu achten, um in den rechtlichen Rahmenbedingungen zu bleiben. Eine denkbar gute Drohnen-Messgerät-Kombination wäre der Einsatz eines wasserdurchdringenden Laserscanners, welcher an einer Drohne angebracht werden kann.