1 Technische Innovation

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2 ANDROMEDA steht für die automatisierte Erstellung von Geoinformationenprodukten mit Hilfe eines unbemannten selbstständig fliegenden Kleinflugzeuges (Drohne). Im Verbundforschungsprojekt wurde eine Prozesskette entwickelt, welche erlaubt, automatisch georeferenzierte Bildmosaike und Geoinformationsprodukte innerhalb einer komplexen und integrierten Prozesskette aus Luftbildern herzustellen, die von einem selbstständig fliegenden Kleinflugzeug (Drohne) aufgenommen werden. Die Prozesskette umfasst alle Schritte von der Planung der Mission über die Befliegung und die automatisierte Bildprozessierung bis zur Erstellung spezieller Geoinformationsprodukte, die sich an den Bedürfnissen der Datennutzer orientieren. Dabei ist der Nutzerkreis weit gefächert und erstreckt sich über alle Bereiche, für die Geoinformationen genutzt werden. Durch diese Prozesskette wird erreicht, dass die Geoinformationsprodukte innerhalb weniger Werktage nach der Befliegung dem Datennutzer zur Verfügung stehen. 1 Technische Innovation Für diese Prozesskette waren unfangreiche Neuentwicklungen in den Bereichen Flugtechnik, Missionsdurchführung, Bildaufbereitung und Erstellung von Geoinformationsprodukten erforderlich. 1.1 Fluggerät Das eingesetzte Drohnensystem ist mit einem leichten Autopilotensystem und einer Funkverbindung zur Bodenstation ausgerüstet. Mittels hochpräziser mikromechanischer Sensoren und Satellitennavigation findet das Fluggerät selbstständig seinen Weg am Himmel. Diese Informationen werden gespeichert und für die Lagebestimmung der erfassten Bilddaten verwendet. Flugdrohne Carolo P 200 Länge: 1,2 m; Spannweite 2,0m maximales Abfluggewicht: 6 kg, davon 1 kg Nutzlast maximale Flugzeit: ca. 1 Stunde bei einer Reisegeschwindigkeit von km/h und einer Steigleistung von über 2000 Metern

3 MINC Autopilotensystem Bordrechner und Sensoren, Abmaßen von 80 x 40 x 15 mm, Gesamtgewicht 45g, Mavionics GmbH 1.2 Bodenstation An eine erfolgreiche Befliegung sind erhebliche Ansprüche zu stellen (ausreichende Überdeckung auch zwischen den Flugstreifen, Einhaltung der Flughöhe, usw.). Für die Missionsvorbereitung und -Steuerung dient die Bodenstation. Die Bodenstation, bestehend aus einem Laptop mit einer eigens entwickelten PC-Software sowie einem Funkmodem, stellt die Schnittstelle des Gesamtsystems zum Benutzer dar. Auf einer entsprechenden Grundlage (digitale Landkarte, Satellitenbild, Luftbild) wird durch wenige Mausklicks die Mission geplant und anschließend zum Fluggerät übertragen. Während des gesamten Fluges ist die Bodenstation mit der Drohne per Funk verbunden, so dass einerseits die wichtigsten Flugparameter Position, Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Systemstatus in Echtzeit am Boden verfolgt werden können, andererseits kann jederzeit von der Bodenstation aus in die Mission eingegriffen werden. Durch eine spline-basierte Bahnführung wird sichergestellt, dass eine Mission wie geplant durchgeführt wird. Im Gegensatz zu punkt-basierten Verfahren, bei denen der genaue Flugweg zwischen den Wegpunkten nicht festgelegt wird, wird bei diesem Verfahren exakt auf einer vorgegebenen Flugbahn geflogen. Erst diese Art der Bahnführung macht eine Auswertung nach photogrammetrischen Voraussetzungen (parallele Flugbahnen) überhaupt möglich.

4 Flugbahnplanung in der Bodenstation Links: Liste der zu fliegenden Missionen, künstlicher Horizont mit relevanten Drohnendaten sowie der Flugrecorder Mitte: Karten- bzw. Bildansicht des zu befliegenden Gebietes mit geplanter Mission Rechts: Liste der anzufliegenden Wegpunkte 1.3 Bildaufbereitung Während eines Fluges werden einige Tausend Bilder erfasst. Auf Grund dieser großen Datenmenge muss die Bildaufbereitung automatisiert erfolgen. Aus den Einzelbildern wird automatisiert ein Bildmosaik erstellt. Dabei kommt das System ohne terrestrische Passpunkte aus. Hundert mal in einer Sekunde werden während des Fluges die Lage des Flugzeuges und die Flugparameter hochpräzise bestimmt. Mit Hilfe dieser Daten und in den benachbarten Bildern automatisch gesuchten identischen Punkte werden die Einzelbilder automatisch zusammengefügt. Dabei wird eine Lagegenauigkeit von unter 5 m erreicht. Erst den fertigen Bildmosaiken werden Koordinaten zugewiesen.

5 Verfahren der Bildmosaikierung Oben: durch den Rechner ermittelte markante Bildpunkte Mitte: automatische Verknüpfung der Bildpunkte eines benachbarten Bildpaares. Unten: Erstelltes Bildmosaik

6 Mosaik des Leinakanals bei Gotha, einem Baudenkmal aus dem Jahr 1396 Nord-Süd-Ausdehnung 7 km Ost-West-Ausdehnung 5 km Das Mosaik ist aus insgesamt 20 Bildflügen und mehreren Tausend Bilder zusammengesetzt. Bodenauflösung 10 cm 1.4 Geoinformationsprodukte Die Geoinformationen umfassen sowohl Bildprodukte wie auch weitgehend automatisierte Auswertungen. Die Auswertungen sind speziell auf die fachlichen Anforderungen verschiedener Datennutzer ausgerichtet. Auf Grund der großen Datenmengen und hohen Bildauflösungen waren hierfür Neu- und Weiterentwicklungen erforderlich. Insbesondere wurden Methoden zur automatisierten Klassifizierung komplexer Objekte (z.b. Baum als Teilobjekt vom Wald, Baumallee oder Gartenland) sowie zum Aufbau von selbstlernenden Klassifizierungssystem entwickelt.

7 Automatisierte Datenerfassung Oben: Bildung finiter Elemente Vergleichsweise homogene Flächen im Bild lassen sich zu Elementen mit definierten Merkmalen zusammenfassen. Durch Kombination solcher Elemente lassen sich Objekte abstrakt beschreiben. Mitte: Selbstorganisation Bildelemente mit gemeinsamen Eigenschaften werden durch Selbstorganisation zu Clustern zusammengefasst. Objekte der realen Welt sind aus unterschiedlichen Bildelementen zusammengesetzt. Ein bestimmtes Element kann je nach Kontext zu unterschiedlichen Klassen gehören. Unten: Klassenbildung Durch Selbstorganisation gebildete Cluster sind durch eine gezielte Auswahl zu vier Klassen (Wald/Gehölz) kombiniert. Die räumliche Kombination verschiedener Cluster besitzt eine hohe Selektivität für einzelne Klassen. Die Klassen können durch einfache Vorbilder trainiert werden.

8 Methode zur Baumkronenzählung Oben links: Originalbild Oben rechts: Mit einer Mischung aus Kontrast- und Helligkeits-Analyse kann eine Maske der optisch sichtbaren Baumkronen-Grenzen erzeugt werden. Unten links: Unterstellt man, das Bäume kreisförmige Kronen haben, lässt sich aus der Maske ein Baumkronen- Modell ableiten. Unten rechts: Baumkronen-Mittelpunkte ("Kronenanzahl") und Kreissymbole um die Baumkonen ("Kronensymbol").

9 2 Gesellschaftliche Bedeutung Das Befliegungssystem ist ausschließlich für den zivilen Bereich konzipiert. Es ist flexibel einsetzbar und bietet eine sehr kostengünstige Möglichkeit, effektive Fotoaufklärung zu betreiben. Dabei schließt das Verfahren eine Marktlücke für relativ kleine Gebiete, für die eine klassische Luftbildbefliegung unwirtschaftlich ist. Da die eingesetzte Drohne elektrisch betrieben wird, ist das eingesetzte System fast geräuschlos und sehr umweltfreundlich. Es kann daher auch für Gebiete eingesetzt werden, zu den der Zugang schwierig ist (Naturschutzgebiete). Durch die niedrige Flughöhe sind auch bei Wolkenbedeckung Befliegungen möglich. Durch die Verwendung von relativ preiswerten unbemannten Flugzeugen ist der Einsatz auch in den für Mensch und Technik gefährlichen Gebieten, insbesondere bei Katastropheneinsätzen, möglich. 3 Weiterentwicklung des Berufsbildes Mit der Entwicklung der neuen Technologie ergibt sich insbesondere für kleine GIS-Dienstleister die Möglichkeit, die gesamte Dienstleistungskette von der Erfassung der Billdaten bis zur Erstellung der Geoprodukte in einer Hand anzubieten. 4 Erschließung neuer Anwendungsfelder Die Anwendungsfelder erstrecken sich über alle Bereiche, für die Luftbilder eingesetzt werden können. Es können deshalb hier nur Beispiele exemplarisch vorgestellt werden. Für die Renaturierung eines Teilstückes des Leinakanals bei Gotha war eine entsprechende Dokumentation des Verlaufes sowie des aktuellen Uferbewuchses erforderlich.

10 Einsatz im Bereich Vermessung Vorbereitung und Kontrolle einer Vermessung für eine Umgehungsstrasse Im Vorfeld der Vermessung wurden alle zu vermessenden Punkte im Luftbild bestimmt. Da keine aktuellen Luftbilder vorhanden waren, konnte ANDROMEDA seine Stärken ausspielen. Oben: Ausschnitt aus Konrollkarte Unten: Detailausschnitt Erreichte Lagegenauigkeit <1m

11 Einsatz im Bereich Forstwirtschaft Oben: Originalbild Mitte: Erfassung von Baumkronen Unten: Erfassung von Lücken

12 Durch die schnelle Prozesskette ist der Einsatz von ANDROMEDA auch in Katastrophenfällen sinnvoll. Auswertung der Sturmschäden (infolge des Orkantiefs Xynthia ) Um eine Ausbreitung des Borkenkäfers im Bruchholz zu verhindern, war es nötig, die Schäden (auch lokale Einzelbrüche bzw. würfe) zu lokalisieren, um die entsprechenden Holzmassen rechtzeitig bergen zu können. Roter Punkt: betroffener Baum Nach ersten Prognosen beträgt die Höhe des vermiedenen Schadens etwa ,-. Wie Untersuchungen gezeigt haben, sind die Bilddaten auch für photogrammetrische Auswertungen geeignet. Neben der hohen Lagegenauigkeit der Bilddaten ist hierfür auch von Bedeutung, dass die Geometrien der eingesetzten Kameras vermessen sind. 5 Besondere Medienwirksamkeit Die Ergebnisse des ANDROMEDA-Vorhabens wurden auf Messen, in der Tages- und Fachpresse sowie im Fernsehen vorgestellt. Messen: Messe des Kuratoriums für Waldarbeit und Forsttechnik in Schmallenberg vom 4. bis 8. Juni 2008 Innovationstag Mittelstand des BMWI in Berlin am 1. Juli 2009 Hannover Messe 2009 (am Stand der Friedrich-Schiller-Universität Jena) Hannover Messe 2010 (am Stand der Friedrich-Schiller-Universität Jena) Tages- und Fachpresse: Das fliegende Auge, Artikel in der Thüringer Allgemeine Zeitung vom (Anlage 1) ANDROMEDA Drohnenbasierte Erfassung von Forstkalamitäten von der Vision zum produktiven Verfahren, Artikel in der Forst und Holz, Ausgabe 12/2008 (Anlage 2) Drohne kämpft mit dem Wind, Artikel in der Südthüringer Landeszeitung vom (Anlage 3) Drohnenbasierte Anfertigung von Bestands- und Planungsunterlagen. Das Verbundforschungsprojekt ANDROMEDA., Artikel im Deutschen Ingenieurblatt DIB Thüringen, Ausgabe 4/2010 (Anlage 4)

13 Fliegende Förster, Artikel in der National Geographic, Ausgabe April 2010 (Anlage 5) Fernsehen: Thüringen Journal, MDR Nano Die Welt von morgen, 3sat (demnächst)