Matthias Oelze, Falk Schmidsberger, Frieder Stolzenburg Hochschule Harz, Fachbereich Automatisierung und Informatik Friedrichstr. 57-59, 38855 Wernigerode
E-Mail: {moelze,fschmidsberger,fstolzenburg}@hs-harz.de
Zusammenfassung: Infrarottechnologie kann gewinnbringend in diversen Anwendun-gen wie der Landwirtschaft, aber auch in anderen Bereichen, wie der Archäologie, ein-gesetzt werden. Das Labor Mobile Systeme der Hochschule Harz beschäftigt sich seit einigen Jahren mit dem Einsatz von Flugrobotern (Multikopter) in verschiedenen Szena-rien. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte wurden unter anderem die Fähigkeiten von Kameras untersucht, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen operieren. Neben dem sichtbaren Licht ist dies der Nah- und Ferninfrarotbereich.
Hierbei wurden einerseits mehrere Langzeitversuche zu unterschiedlichen Tages- und Nachtzeiten durchgeführt, bei denen im Ferninfrarotbereich mit Wärmebildern das Er-wärmungs- und Abkühlungsverhalten verschiedener Materialen (Steine, Gräser usw.) gemessen wurde, um den Einsatz bei archäologischen Anwendungen zu evaluieren. In einem anderen Kontext wurden andererseits Serien von Nahinfrarotaufnahmen zur Be-stimmung von Vegetationsindizes (z.B. NDVI) erstellt, die direkten Nutzen in der Land-wirtschaft haben. Eine andere, klassische Anwendung für eine Kamera mit zwei Kame-raköpfen ist das Stereosehen und damit verbunden eine optische Distanzmessung, welche hier ebenfalls vorgestellt wird. Ziel des Gesamtvorhabens ist es, die verschiede-nen Bildinformatioverschiede-nen zusammenzufassen. Das sind zum eiverschiede-nen Bildaufnahmen in ver-schiedenen Frequenzbereichen und zum anderen 3D-Informationen aus der Distanz-messung per Stereokamera.
Deskriptoren: Multikopter; Infrarottechnologie; Stereosehen; Distanzmessung.
Abstract: Infrared technology can be profitably used in various applications such as agriculture, but also in other fields, such as archeology. The mobile systems laboratory at the Harz University of Applied Sciences has spent several years with using flying ro-bots (multicopters) in different scenarios. As part of several research projects, among others, the capabilities of cameras that operate in different frequency ranges have been investigated. In addition to the visible light, these are near and far infrared.
Several long-term tests were conducted at different times of day and night in which the warming and cooling behavior of different materials (stones, grass, etc.) has been
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measured with far-infrared thermal images to evaluate their usability in archaeological applications. In another context, series of near-infrared images have been taken for the determination of of vegetation indices (e.g. NDVI), which have direct benefits in agricul-ture. Another classic application for a camera with two camera heads is stereo vision and – associated with this – optical distance measurement. The aim of the overall pro-ject is to combine the different information. On the one hand there are the images in different frequency ranges and on the other hand there is 3D information from the dis-tance measurement by the stereo camera.
Keywords: multicopter; infrared technology; stereo vision; distance measuring
1 Einleitung
Infrarottechnologie kann gewinnbringend in diversen Anwendungen wie der Landwirt-schaft, aber auch in anderen Bereichen, wie der Archäologie, eingesetzt werden. Im Folgenden sollen daher verschiedene Einsatzmöglichkeiten der Infrarottechnologie so-wie des Stereosehens vorgestellt werden. In der Regel werden von Multikoptern Luft-aufnahmen gemacht mit mehreren Kameras in verschiedenen Spektralbereichen des Lichts (sichtbares Licht, Nah- und Ferninfrarot etc.). Die gleichzeitige Verwendung meh-rerer Kameras ermöglicht außerdem Stereosehen und damit verbunden eine optische Distanzmessung. Letzteres kann unter anderem dazu genutzt werden, um in einem de-finierten Abstand an einem zu untersuchenden Objekt entlang zu fliegen (sogenanntes Visual Docking). Hierbei wird der Abstand laufend gemessen und gegebenenfalls korri-giert.
Stereosehen und eine optische Distanzmessung können parallel auf einer Smart-Kamera durchgeführt werden, so dass auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet werden kann, was zu einer Gewichtsersparnis für das Multikopter-System führt. Durch einen an die Bildsensoren angebundenen Mikroprozessor ist die Smart-Kamera in der Lage, Bil-der direkt bei Bil-der Aufnahme zu analysieren. Damit ist es zusätzlich möglich, Differenz-bilder als Grundlage von Vegetationsindizes zu berechnen. Dies alles wollen wir im Fol-genden nun ausführlicher darstellen.
2 Ferninfrarot Kamera
Für Messungen im Ferninfrarotbereich kommt in verschiedenen Projekten an der Hoch-schule Harz eine Wärmebildkamera vom Typ FLIR TAU2 336 zum Einsatz, die mit einer Auflösung von 320 x 240 Pixeln arbeitet. Diese Kamera wurde u.a. während einer Be-fliegung eines Ackers in der Nähe von Oschersleben eingesetzt – einer Fläche, die vom Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt aufgrund von Vorunter-suchungen vorgeschlagen wurde. Motivation für diese Befliegung war die Analyse des Ackerbodens in Hinblick auf eine Erkennung archäologischer Strukturen. Es wurde eine
Serie von einzelnen Wärmebildern erstellt. In Abbildung 1 (rechts) lässt sich sehr gut die Struktur des Ackers erkennen; blaue Bereiche (kalt) liegen im Schatten, rote Berei-che (warm) werden von der Sonne angestrahlt. Leider sind diese Bilder wenig aussage-kräftig in Bezug auf mögliche archäologische Anwendungen.
Abbildung 1: Multikopter vor Befliegung der Ackerfläche (links) und Wärmebild der Ackerfläche (rechts)
Langzeitmessungen
Es wurde daraufhin ein Langzeitversuch durchgeführt, um die unterschiedlichen Er-wärmungs- und Abkühlungsverläufe von Stein und Gras zu analysieren. Abbildung 2 zeigt das Wärmebild der untersuchten Fläche, in Abbildung 3 werden die Temperatur-verläufe gezeigt.
Abbildung 2: Wärmebild Parkplatz und Wiese. Die Markierungen geben die Messbereiche an (blau = Stein, braun = Wiese).
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Abbildung 3: Temperaturverläufe der beiden Messbereiche aus Abbildung 2
Wie sich erkennen lässt, zeigen die beiden Verläufe grundsätzlich das gleiche Verhal-ten: Zur Nacht hin kühlen sich beide Bereiche deutlich ab. Interessant ist, dass die Dif-ferenz zwischen den Temperaturen geringer wird und die Oberfläche des Steins zeit-weilig sogar geringfügig kühler ist als die der Wiese. Durch Sonneneinstrahlung wäh-rend des Tages vergrößert sich die Differenz wieder zugunsten der Steintemperatur.
Hier sind weitere Untersuchungen nötig, um für spezifische Anwendungen in Archäolo-gie sowie Landwirtschaft genauere Analysen und Interpretationen von Wärmebildern zu ermöglichen.
3 Nahinfrarot Kamera
Als weiterer optischer Sensor kommt in Projekten mit agrarwissenschaftlichem Bezug eine Smart-Kamera der Firma Vision Components (VISION COMPONENTS 2016) mit zwei Kameraköpfen (Auflösung jeweils 2048 x 1088 Pixel) zum Einsatz, die aufgrund ver-schiedener Filter in der Lage ist, parallel Bilder im sichtbaren und im Nahinfrarotbereich aufzunehmen. Durch einen an die Bildsensoren angebundenen Mikroprozessor ist die Smart-Kamera zudem in der Lage, Bilder direkt bei der Aufnahme zu analysieren.
Die Kamera muss nach einem Objektiv- bzw. Filterwechsel kalibriert werden, damit die Bilder verzeichnungsfrei aufgenommen werden und die Bildausschnitte beider Senso-ren möglichst identisch sind. Für die Kalibrierung werden bis zu 40 Stereobilder
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