Far-ming)
Eike Stefan Dobers
ag-geodata, Nikolausberger Weg 63, 37073 Göttingen Email: info@ag-geodata.de
Zusammenfassung: Unmanned aerial systems (UAS) können im Precision Farming ein-gesetzt werden. In 2011 und 2012 wurden 46 Flüge mit einem MicroPilot-UAS in Höhen von 300-600 m realisiert. Die Flugzeit lag zwischen 10-20 Minuten, je Flug wurde inkl.
Rüstzeiten insgesamt ca. 1 Stunde benötigt. Die mit einem Flug abgedeckte Fläche betrug ca. 220 ha. Die spektrale und räumliche Auflösung war ausreichend. Entscheidend für gute Bilder war die Terminwahl hinsichtlich Pflanzenentwicklung oder Bodenzustand.
Deskriptoren: UAV, Precision Farming, GIS, Luftbild-Interpretation, TBM
Summary: Unmanned aerial systems (UAS) can be used for Precision Farming. 46 flights with a MicroPilot UAS were realized in 2011 and 2012. The UAS was operated in heights of 300-600m with a flying time of 10-20 minutes. Total time needed for assembly, flight and disassembly was ~1 hour. Maximum coverage with one flight was ~220 ha. The spec-tral and spatial resolution of RGB images was satisfying, crucial for successful flights was the timing with regard to crop development and soil conditions, respectively.
Keywords: UAS, Precision Farming, GIS, airphoto interpretation, TBM
1 Einleitung
Die Standort-spezifische Landbewirtschaftung (engl. Precision Farming) benötigt räumlich hochaufgelöste Informationen, um die Intensität der Landnutzung kleinräumig zu optimie-ren. Hierfür sind Luftbilder eine wertvolle Primärdatenquelle (TROLL 1939, STRANDBERG 1967, PHILIPSON 1997), deren spektrale Information jedoch meist noch einer Aufbereitung und Interpretation unterzogen werden muss (JÜRSCHIK et al. 1998, DOBERS 2002).
Durch Fortschritte in der Akkumulator-, Sensor- und allgemeinen Computertechnologie seit etwa 1990 ist es zunehmend möglich, kleine, unbemannte Flugzeuge (unmanned ae-rial systems (UAS), Drohnen) mit Sensoren auszustatten und für die flexible Datengewin-nung zu nutzen (WATTS et al. 2012). Es existieren verschiedene kommerzielle Anbieter von UAS-Flächen- oder Kopter-Modellen, die sich hinsichtlich technischer Eigenschaften, Anforderungen an den Nutzer bis hin zu den Einsatzmöglichkeiten der erstellten Bilder unterscheiden. Daneben gibt es auch eine aktive OpenSource- und
do-it-yourself-Bornimer Agrartechnische Berichte Heft 81
haftigkeit eines UAS gegenüber einer bemannten Mission hinsichtlich der Kosten, der Ein-satz-Flexibilität, der Bildqualität, usw., wird von verschiedenen Faktoren bedingt, welche ohne eigene Erfahrungen im Vorfeld nur schwer ausreichend präzise abgeschätzt werden können. Zielsetzung dieses Beitrags ist es, die Erfahrungen aus 2 Jahren vorzustellen, welche bei der UAS-Nutzung eines kommerziellen Systems im Rahmen der Standort-spezifischen Landwirtschaft gewonnen wurden. Der Schwerpunkt wird v.a. auf die Opera-tionalität des UAS im praktischen Einsatz gelegt. Notwendige Verarbeitungsschritte und mögliche Nutzungsrichtungen der gewonnenen Luftbilder werden abschließend beispiel-haft vorgestellt.
2 Material und Methoden
In den Jahren 2011 und 2012 wurden insgesamt 46 Flüge mit der CropCam des kanadi-schen Autopilot-Herstellers MicroPilot® (MICROPILOT 2013) durchgeführt. Die CropCam ist als elektrisch angetriebener Motorsegler konzipiert. Das UAS mit der Autopilot-Version mp2028 wurde in der vom Hersteller bereitgestellten Bauweise betrieben. Der Autopilot ist dabei in einen einfachen Modellflugzeug-Rumpf aus Plastik eingebaut (Länge: 1.27 m, Spannweite: 2.55 m, Abfluggewicht ca. 2.6 kg). Bis zu 4 Akkus mit je 2100 mAh dienen als Energiequelle. Die RGB-Kamera (Pentax Optio A40, 12 MPixel) ist vibrationsfrei unterhalb der linken Tragfläche montiert und wird über eine LED per Infrarot-Fernauslösung vom Autopilot angesteuert (Bild 1). Eine vorher programmierte Flugdatei mit Wegpunkten und weiteren Steuerbefehlen ermöglicht die individuelle Gestaltung des Flugplans, die gezielte Auslösung der Kamera sowie spezielle Sicherheitsroutinen etc.. Während des Fluges werden die Fluglagedaten und Servostellungen intern aufgezeichnet und können nach dem Flug vom Autopilot heruntergeladen werden. Die auf einem Laptop installierte Soft-ware HORIZONmp dient zur Kommunikation mit dem Autopilot während des Fluges und für Änderungen an grundsätzlichen Autopilot-Einstellungen (Servo-Nullstellung, PID-Schleifen, etc.). Die während des Fluges an HORIZONmp übertragenen Daten werden auf der Festplatte der Bodenstation gespeichert. Für die Mosaikierung der Einzelbilder dient die Software ENSO Mosaic UAV (MOSAICMILL 2013). Das Ergebnis liegt als GeoTIFF vor und wird mit einer GIS-Software bei Bedarf auf Feldgrenzen oder weitere Passpunkte noch genauer georeferenziert. Die manuelle oder halbautomatische Interpretation und Kombination mit weiteren Datenquellen geschieht im GIS und unter Verwendung des Transferable Belief Models (TBM, SMETS &KENNES 1994, DOBERS 2006).
3 Ergebnisse und Diskussion
Die aus den Bildflügen und der anschließenden Bildnutzung gewonnenen Erfahrungen werden im folgenden getrennt nach den Aspekten "Allgemeiner Betrieb", "Einsatz-Flexibilität" und "Bildqualität und Bildnutzung" vorgestellt und diskutiert.
Allgemeine Aspekte
Für den gewerblichen Betrieb eines UAS in Deutschland sind Bundesland-spezifische Genehmigungen für den Aufstieg sowie eine Versicherung, z.B. über den MFSD (www.mfsd.de), notwendig. Die Genehmigungen werden i.d.R. als allgemeine Aufstiegser-laubnis bis zu 100 m erteilt. Wenn das UAS in größeren Höhen betrieben werden soll, sind gesonderte Genehmigungen zu beantragen und ggfs. noch weitere Auflagen zu berück-sichtigen (Anwesenheit eines Beobachters des Luftraums, An- und Abmeldung bei der örtlichen Rettungsleitstelle, etc.). In einzelnen Bundesländern ist der Betrieb von UAS oberhalb von 100 m nicht erlaubt. Zusätzlich notwendig ist die Berücksichtigung der Infor-mationen von Luftverkehrskarten im Befliegungsgebiet (v.a. Beginn des kontrollierten Luft-raums, Überflugverbote (z.B. Auto-Teststrecken zu bestimmten Terminen)). Bei Nähe des Befliegungsortes zu militärischen Stützpunkten empfiehlt sich ein vorheriger Kontakt mit der Luftwaffe in Köln bzw. dem lokalen Tower, um Komplikationen zu vermeiden.
Bild 1: Handstart des UAS mit einer unter der Tragfläche montierten Kamera (Pfeil)
Einsatz-Flexibilität
Die Einsatz-Flexibilität eines UAS lässt sich nebst der rein technischen Eigenschaften (Gewicht, Maße, Kameragröße, Flugdauer) v.a. anhand der insgesamt benötigten Zeit für einen erfolgreichen Bildflug beschreiben. Aufgrund der Maße des UAS stellten der Trans-port und der flexible Einsatz vor Ort am Feldrand kein Problem dar. Das Karten-unterstützte Programmieren und Anpassen einer Wegpunkte-Datei für den Bildflug erfor-dert bei entsprechender Übung etwa 15 Minuten, wenn v.a. die örtlichen Gegebenheiten der Feldgestaltung bei großen Flächen und gleichzeitig die Auflage des Sichtflug-Bereichs zu berücksichtigen sind. Aufgrund des UAS-Betriebs im Sichtflug muss ein ständiger Blickkontakt zwischen Pilot am Boden und UAS in der Luft bestehen, um ein sicheres
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ergibt sich unter Berücksichtigung der UAS-Größe und der jeweiligen Flughöhe ein Ein-satzradius von etwa 800-1000 m um den Aufstiegspunkt. Eine Simulation der Wegpunkt-Datei vor dem Flug in der HORIZONmp-Software wird vom Hersteller empfohlen und ver-hindert ein unerwartetes Abstürzen des Autopiloten während des Fluges aufgrund von Programmierfehlern.
Die konkrete Einsatzplanung richtete sich nach angestrebter phänologischer Entwicklung der Pflanzenbestände bzw. zu erfassenden Phänomenen (unbedeckte Bodenoberfläche, Wildschaden, etc.). Für die Terminierung erwies sich die 7-Tage-Wetterprognose des In-ternet-Portals agrarheute.com als sehr hilfreich. V.a. während der rasch wechselnden Wit-terungsbedingungen im Sommer 2012 konnten Wolkenlücken, die generelle Wolkenhöhe sowie Windrichtung und -stärke ausreichend gut im Vorfeld abgeschätzt werden und er-leichterten bei langen Anfahrten die zeitliche Feinplanung.
Der Aufbau des UAS, die Montage der Kamera sowie die notwendigen technischen Checks vor dem Start benötigten etwa 10-15 Minuten und waren v.a. durch die Konstruk-tion des UAS bedingt. Die Initialisierung des Autopiloten und des GPS benötigt nur ca.
1 Minute. Es war uns – entgegen der Angaben des Herstellers – nicht möglich, alle 4 Ak-kus im Rumpf zu platzieren. Nebst genereller, Modell-bedingter Platzprobleme war dies zusätzlich z.T. durch die Verwendung eines relativ großen RC-Empfängers bedingt. Somit standen nur 4200 mAh je Flug zur Verfügung. Das Flugzeug wurde nach Aktivierung der Startroutine im Autopilot-Modus abgeworfen, stieg auf die gewünschte Flughöhe und flog dann die Wegpunkte ab. Die Flugzeit (Start, Bildflug, Landung) lag in der Regel zwischen 10 und 20 Minuten. Ein Bildintervall von 2-3 Sekunden und eine Quer- und Längsüberlap-pung von 30% bzw. 60% ermöglichte eine sichere Mosaikierung. Während der Wendun-gen wurden keine Aufnahmen gemacht. Die praktizierten Aufstiegshöhen laWendun-gen meist zwi-schen 400 und 500 m, selten bei 300 m (Luftraum-Beschränkungen) bzw. 600 m (Beflie-gung großer Flächen). Die maximal beflogene Fläche lag bei ca. 220 ha im fertigen Mosa-ik, je nach Windbedingungen konnte dies mit ca. 3000 bis 3500 mAh erzielt werden. Ob-wohl eine Autopilot-gesteuerte Landung möglich ist und bei vorhandenem Pflanzenbe-wuchs eine sehr fein gesteuerte und sanfte Landung ermöglicht, wurde in der Mehrzahl der Einsätze aufgrund vorhandener Hecken, Gebäude, Leitungsmasten oder sonstiger Hindernisse in Kombination mit der am Flugtag vorherrschenden Windrichtung manuell gelandet. Meist wurde nach erfolgreichem Abarbeiten der Wegpunkte durch den Autopilo-ten das UAS autonom in reduzierter Höhe (z.B. 200 m) zum Startpunkt zurückgeflogen und dort vom Piloten übernommen. Nach dem Flug waren je nach Flugdauer ca. 10-15 Minuten für das Herunterladen der Fluglagedaten vom Autopiloten erforderlich. Während dieser Zeit konnte ein Großteil des UAS bereits demontiert und verpackt werden. Insge-samt ergab sich am Befliegungsort aus den verschiedenen Anteilen eine GeInsge-samtzeit von etwa einer Stunde je Bildflug. Mit dem vorgestellten Ablauf und 6 Reserve-Akkus sowie einem Gleichstrom-/Wechselstrom-Wandler für die Autobatterie ist es möglich, an einem Tag 4-6 Bildflüge für einen großen landwirtschaftlichen Betrieb mit arrondierten Flächen
durchzuführen und dabei ggfs. kurzzeitige, ungünstige Flugbedingungen (Wolken, Wind) abzuwarten.
Als die beiden größten Nachteile des verwendeten UAS erwiesen sich die aerodynamisch sehr ungünstig wirkende Aufhängung der Kamera unter der Tragfläche und außerhalb des Rumpfs verlegte Schläuche/Kabel sowie die generell geringe Bruchstabilität des Flug-zeugkörpers. Die verringerte Aerodynamik erschwerte die Steuerbarkeit v.a. bei den Lan-deanflügen oder böigen Windbedingungen und erforderte einen erfahrenen Piloten. Zu-dem wird dadurch unnötig viel Akkustrom verbraucht. Die geringe Bruchstabilität des Mo-dellkörpers verbunden mit nicht immer ganz sanft durchzuführenden Landungen beding-ten diverse Brüche des Modells nach "harbeding-ten" Landungen. Diese konnbeding-ten zwar immer wieder mit entsprechenden Werkstoffen und ausreichender Kenntnis repariert werden, hätten jedoch einen weiteren Bildflug am selben Tag verhindert. Dies ist v.a. von Bedeu-tung, wenn eine lange Anfahrt zum Befliegungsort notwendig ist, das Befliegungsfenster aufgrund der phänologischen Entwicklung der Pflanzen sehr eng ist oder sehr instabile Witterungsbedingungen herrschen und daher nur sehr kurzfristig vorhandene, optimale Flugbedingungen (maximale Windgeschwindigkeiten, fehlende Wolken, etc.) genutzt wer-den müssen. Die außen angebrachte Kamera wurde nur 1x durch bei der Landung auf-gewirbelten Staub so beschädigt, dass sie ersetzt werden musste. Aufgrund dieser Erfah-rungen wurde im Winter 2012/2013 ein neues UAS aufgebaut. Dieses basiert auf einem aerodynamisch optimierten Flugkörper aus mechanisch hochbelastbaren Kohlefaser-Verbundwerkstoffen und Tragflächen aus dem F3B-Wettkampfbereich. Der Rumpf bietet genügend Platz für die UAS-Technik sowie weitere, innen angebrachte Sensoren (RGB-Kamera, ggfs. Hyperspektral- oder Thermal-Sensor) und zusätzliche Akkus für längere Flugzeiten.
Bildqualität und Bildnutzung
Die Qualität der erstellten RGB-Bilder war mit Blick auf die spektrale und räumliche Auflö-sung grundsätzlich ausreichend für die angestrebte Nutzung der Bilder für die Kartierung von landwirtschaftlich relevanten Standortunterschieden. Das Bild 2 zeigt ein Einzelbild, aufgenommen aus 550 m Flughöhe. Das Bild 3 zeigt vergrößerte Details des Bildes 4 das aus 154 Einzelbildern erstellte Mosaik. Wichtig ist die Anpassung des Weißabgleichs in der Kamera um deutliche Belichtungsunterschiede bei unterschiedlicher Bildzusam-mensetzung (z.B. helle Getreide- und dunkle Waldflächen) zu vermeiden. In einzelnen Fällen und mit meist weniger als 5% der Bilder traten Unschärfen durch Verwackelung auf. Diese sind wahrscheinlich durch plötzliche, Wind-bedingte Lageänderungen und Steuerungsbewegungen des Flugzeuges während des Auslösens verursacht. In seltenen Fällen fehlten Bilder, die gemäß Autopilot-Log-Datei eigentlich existieren müssten. Dies hatte entweder mit einer fehlerhaften Kameraeinstellung zu tun (aktivierte Vermeidung von Verwackelung) oder war durch ein zu kurzes Bildspeicher-Intervall bedingt. Aufgrund der hohen Längsüberlappung war die Mosaikerstellung aber trotzdem stets möglich.
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Bild 2: Luftbild aus 550 m Höhe als Gesamtbild (Details vom linken Rand siehe Bild 3)
Bild 3: Details eines Luftbildes aufgenommen aus 550 m Höhe (Übersicht siehe Bild 2)
Bild 4: Mosaik aus 154 Einzelbildern (Flughöhe 550m, erfasste Fläche ca. 220 ha)
Die Fluglagedaten und zeitlichen Bildabstände wurden mit den Aufnahme-Zeitpunkten der Bilder in Übereinstimmung gebracht. Dadurch erhielt jedes Bild die jeweilige Flughöhe und Mittpunktskoordinate, welche in der Mosaikierungs-Software für die automatische Aerotri-angulation und die anschließende Bündel-Blockausgleichsrechnung verwendet wird. Die maximal beobachtete Lageungenauigkeit des generierten Mosaiks betrug 3-5 m, wenn keine weiteren Passpunkt im Mosaikierungs-Prozess verwendet wurden. Durch die In-tegration von einigen, mit einem GPS mit submeter-Genauigkeit am Befliegungsort ein-gemessenen Passpunkten in die Mosaikierung war anschließend keine weitere Korrektur der Lage des GeoTIFFs notwendig.
Die RGB-Daten wurden mit Hilfe von lokalem Wissen und Literaturangaben (z.B. WEISE
1987, DOBERS 2002) in landwirtschaftlich relevante Einheiten klassifiziert. Diese Klassen werden mit Bodenkarten und Ertragsdaten unter Verwendung des TBM verrechnet (Ta-belle 1). Das Ergebnis der Kombination ist eine neue Karte der Produktivität, welche die Luftbild-Interpretation integriert und Widersprüche zwischen den Datenquellen ausweist.
Tabelle 1: Übersetzung der Datenquellen in landwirtschaftliche Produktivitätsklassen
Klasse der landwirtschaftlichen Produktivität
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Aufgrund der gewonnenen Erfahrungen sind UAS hinsichtlich der Einsatzflexibilität und der erzielbaren Bildqualität für die Erstellung von landwirtschaftlichen Standortkarten sehr gut geeignet. Erfolgsbestimmend sind nebst technischer Eigenschaften des UAS die rich-tige Terminwahl und eine fachlich fundierte Interpretation der Bildinformation.
Bild 5: RGB-Luftbild eines Feldes (links), Klasse der landwirtschaftlichen Produktivität nach TBM-Kombination von Ertragsdaten, Bodenkarte und Luftbild-Interpretation (Mitte) sowie Konflikte
zwi-schen den Datenquellen (rechts)
Literaturverzeichnis
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