UAV in der geographischen Feldforschung

Transkript

1 UAV in der geographischen Feldforschung Dr. Hans-Peter Thamm FB Geowissenschaften Fernerkundung, GIS und Kartographie

2 Einleitung Gliederung Einsatzgebiete von UAS in Geographie Warum werden UAS eingesetzt Unterschiedliche UAS Ausgewählte Anwendungsbeispiele Notwendige Forschungen Interessante Projekte im Rahmen von UAS

3 Motivation sich mit UAS zu beschäftigen LANDSAT ETM

4 Einordnung in den Kontext Siedlungsdynamik Botanik Besucher verhalten Landbedeckung / Landnutzung / LUCC Bedarf an räumlich hoch auflösenden flächenhafter Information Ressourcen Management Hydrologie Archäologie Geomorphologie Forst Landwirtschaft

5 Gewinnung von räumlicher Information Wie kann räumliche Information gewonnen werden Luftbilder Hochauflösende Satelliten Bilder Feldkampagnen Teuer, oft nicht verfügbar, keine Zeitreihen Räumliche Auflösung nicht ausreichend, Wolken, teuer, nicht immer erhältlich Subjektiv, keine räumliche Abdeckung, teuer, anstrengend

6 Warum Einsatz UAS I Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft I Räumliche hoch auflösende Information von UAS: In extrem hoher räumlicher Auflösung Kann erhoben werden wenn sie gebraucht wird Gewisse Unabhängigkeit von Witterungseinflüssen (Wolken, Dunst) Information steht sehr zeitnah zur Verfügung (eventuell kann sofort nochmals beflogen werden) Bei häufigen Einsatz kostengünstiger als andere Verfahren Oft geringerer Organisationsaufwand

7 Vergleich Satelliten und Dronenbilder QUICKBIRD Aufnahme UAV Aufnahme

8 Warum Einsatz UAS II Workflow Untersuchung von Prozess Dynamik Status Erfassung des Zustandes für einzelne Zeitschritte Modell Implementierung der funktionalen Beziehungen in Modelle Veränderung Ableitung der Raummuster der Veränderung zwischen Zeitschritten Szenarios Erstellung von entsprechenden Szenarien Prozess Analyse der Raummuster und Integration von anderer Information zur Erklärung der Veränderung Entscheidung Unterschiedliche Handlungsoptionen (legislativ, technisch, )

9 Untersuchung von Prozessdynamik UAS Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft II Prozessuntersuchung / Prozesse Geomorphologie Gully Erosion (vor und nach Regen / Regenzeit) Massenbewegung Ressourcen Management Landbedeckungs- / Landnutzungsveränderung Evaluation von Maßnahmen Botanik Sukzession von Vegetation nach Bränden Austrocknen von Vegetation nach Regenzeit Siedlungsdynamik in extrem hoher Auflösung Veränderung von Häusern Änderungen Infrastruktur Parkmanagement Besucher Verteilung Veränderung von Wegen ect.

10 Warum Einsatz UAS II Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft II Untersuchung von Veränderungen für Untersuchung von Prozessdynamik sowie Modellparametrisierung und Modell Validierung

11 Problem: scale gap / Regionaliserung Punkt Messungen Hoch räumliche Auflösungen (e.g. IKONOS) Hohe zeitliche Aufösung von Satelliten Bilder (e.g. MODIS) Hohe zeitliche Auflösung Schlechte räumliche Relevanz Hohe räumliche Relevanz Schlechte zeitliche Auflösung Mittlere räumliche Relevanz Mittlere zeitliche Auflösung

12 Warum Einsatz UAS III Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft III Mit UAS kann der Scale Gap geschlossen werden / Regionalisierung Beispiel: Erfassung von Verdunstung in Bewässerungslandwirtschaft zur Steigerung der Wassernutzungseffizienz Veränderung von Zusammensetzung von Vegetation auf Weiden

13 Anforderung an das perfekte UAS Leicht zu fliegen robust sicher wartungsarm out of the box Sehr gute Bildqualität Zuverlässiger Autopilot Billig Abdeckung großer Gebiete Anforderungen an das perfekte UAV für Geowissenschaften Unterschiedliche Sensoren

14 Different UAV types

15 Eigenschaften von Starrflügel UAS Starrflügel UAS + Schnell Abdeckung von größeren Gebieten + Schnell recht unabhängig von Wetterbedingungen + Kann gute Sensoren tragen + Gute Auto Piloten verfügbar + Keine Startbahnen nötig Schnell schlechte Bildqualität Braucht Landebahn Empfindlich eine harte Landung kann Gerät zersören Operator muss Experte sein Gefährlich im Falle eines Unfalls Quelle Eisenbeis:

16 Hubschrauber UAS Hubschrauber (2-Takt) + Braucht keine Startbahn + Teilweise hohe Zuladung + Mit Kreiselkompanten gut zu managen + Recht unabhängig von Witterung + Gute Autopiloten + Lange Flugzeit < 30 min Sehr komplexe Technik hoher Wartungsaufwand Kann nur von Experten geflogen werden Sehr gefährlich im Falle eines Absturzes Laut Kann Probleme mit Vibrationen haben

17 Properties of different UAVs Quattrocopter - Octocopter + Braucht keine Startbahn + Sehr leicht + Einfache Bedienung + Gute Autopiloten verfügbar + Geringer Genehmigungsaufwand - Sehr beschränkte Nutzlast- kleine Kamera schlechte Bildqualität - Geringe Flugzeit / Reichweite / Flughöhe - Probleme mit Vibrationen - Bei Defekten sehr kompliziert zu reparieren - Nur kleine Gebiete können abgedeckt werden

18 Gleitschirm UAS Gleitschirm UVS + Sehr einfach zu fliegen + Einfach zu reparieren / robust + Gut zu transportieren + Lange Flugzeit > 1 h + Große Flughöhe (>4000 m) + Grosse Nutzlast (up to 8 kg) + Gleichzeitige Verwendung unterschiedlicher Sensoren möglich + Sehr gute Bildqualität - Braucht Startbahn (ca. 25 m) - Bis jetzt noch kein Autopilot SUSI 62: Geo-Technic - Braucht Erlaubnis / Lärm - Kann nur bei Windstärken unter 35 km/h geflogen werden

19 Räumliche Skale und Nutzlast UAS g 5000 g Parachute UAV Zuladung (exklusive Batterien) 3000 g 1000 g 500 g 300 g 100 g Octocopter Quattrocopter 1 ha 10 ha 100 ha 1000 ha ha Einsatzgebiet Helicopter 2 stroke Fixed wing Fixed wing

20 Räumliche Skale und Nutzlast UAS Einfache Bedienung Normalfall Einfache Bedienung Systemausfall Bildqualität Quadrocopter / Octocopter Gleitschirm 2-Takt Hubschrauber Gleitschirm Starrflügel Gleitschirm UAS Starrflügel 2-Takt Hubschrauber 2-Takt Hubschrauber Quadrocopter / Octocopter Starrflügel UAS Quadrocopter / Octocopter Besser

21 Herausforderungen Sensoren Kalibrierte optische Kamera mit GPS Link Thermale Kamera Multi-spektrale Kamera

22 Transport von Gleitschirm UAS

23 Vorbereitung der Startbahn Benötigte Länge der Startbahn Bei Gegenwind: 3m - 8m Ohne Gegenwind: up to 25m Abhänging auch von Untergrund

24 Startvorbereitung Assembeling the parachute

25 Startvorbereitung

26 Anwendungen: Aufnahme von Vegetation und Geomorphologie

27 UAV Aufnahme von Siedlungsstrukturen und Wegenetze

28 Unterschung Siedlungsdynamik UAV

29 Unterschung Siedlungsdynamik 5 Principal component Quantifing the development of river beds Veränderung zwischen und

30 Detaillierte Siedlungsstrukturen

31 Erfassung von Landwirtschaft und Bodenbedeckung

32 Beobachtung von Lysimetern test plots

33 Untersuchung von Weideverhalten und Degradation

34 Erfassung von uferbegleitender Vegetation

35 Erfassung von Gully Erosion / Flussbett Satellit: Quickbird UAS

36 Beispiele unterschiedlicher Sensoren Thermal Bilder Bewässerte Felder (Wagga Wagga, Aus.) Mulitspektrale Bilder Reis Felder (Collembally, Australia) Courtesy: M. Haafez

37 Auswertung der Bilder Ableitung von räumlich hochaufösenden DOMs und Orthophotos Kadolassi, Benin 10 m Whitton, Thamm

38 Realer Flugpfad für archäologische Anwendungen Octocopter in Pietrele (Rumänien) K. Schele, V. Henrich

39 Ableitung von extrem hochauflösenden DGM Siedlungshügel in Pietrele, Rumänien, mit Octokopter

40 Forschungsbedarf Herausforderungen I Sensoren Leichte und lichtempfindliche optische Kameras mit großer Auflösung Multispektral hyperspektrale Kameras Leichte hoch auflösende Thermalkameras Radar (Erosion, Rauhigkeit) Lidar (DGM, Strukturen unter Wald) Geophysikalische Instrumente (für archäologische Anwendungen)

41 Forschungsbedarf Herausforderungen II Sonstige Technik Gute Funkstrecken zwischen Bodenstation und UAS im Rahmen der gesetzlichen Bestimmungen Evaluation von Ausfallsicherheit Hohe Ausfallsicherheit auch bei Hitze, Staub, Vibration, Feuchte

42 Forschungsbedarf Herausforderungen III Bildaufnahme / Autopilot Autopilot für Gleitschirm UAS Überprüfung der Bilder on board auf - Vollständigkeit des Mosaiks - Bildschärfe - Bildwinkel Intelligentes Verhalten im Ausnahmefall - Autonomes Überprüfen von Sensoren - Autonomes Niederkommen in geeigneten Gebiet / Vermeidung von Kollisionen - Auslösen von Fallschirm oder Selbstzerlegung

43 Forschungsbedarf Herausforderungen IV Bildverarbeitung / Informationsextraktion Weitgehend automatisches Erstellen des Bildverbandes / Orthophotos Automatisches Ableiten von DGMs Einbinden in die Geodatenbanken Informationsextraktion (Häuser, Tiere, Veränderungen ) Geographen / andere Fachwissenschaftler sollten so wenig mit möglich mit fachfremden Prozessierungsschritten belastet werden

44 Forschungsbedarf Mögliche Forschungsprojekte Erforschung der Anforderungen für Regionalisierung / Evaluation der Steigerung der Genauigkeit beim Einsatz von UAS Wie Verbessern sich die Aussagen von LUCC Modellen bei der Verwendung von UAS Ableitung von Gerinne Parameter mit UAS Untersuchung von Sukzession nach Brandflächen Möglichkeiten des Einsatzes von UAS im Katastrophenfall Evaluation von Maßnahmen zum Ressourcenschutz in Entwicklungsländern

45 Further questions?? Dr. Hans-Peter Thamm Tel. +49 / (0)151 / hp.thamm@gmail.com Zukunft der UAS

46 Autopilot; Realer Octocopter (ASCENT), Rumänia, Pietele K. Schele, V. Henrich