3.000 Messpunkte pro Quadratmeter aus der Luft

Die Firma Aeroscout ist ein Pionier im UAV-Bereich. Mit ihren benzingetriebenen Drohnen stießen die Schweizer in die Lücke der höheren UAV-Gewichtsklassen mit signifikanter Traglast. So waren sie die ersten, die auch 3D-Laserscanner einsetzten, etwa bei der Dokumentation von Stromleitungen. Nun gibt es ein neues Geschäftsfeld: Die exakte Bestimmung der Biomasse eines Waldes per hochaufgelöstem Laserscanning.

Unbemannte Flugsysteme (UAV) gehören heute bereits zur Standardausrüstung für Vermesser. In letzter Zeit werden auch Drohnen eingesetzt, die mit immer kompakteren 3D-Laserscannern ausgestattet sind, um hochgenaue 3D-Modelle zu generieren. Doch die batteriegetriebenen Multikopter und Starrflügler stoßen gelegentlich auch an ihre Grenzen, vor allem aus zweierlei Gründen: Zum einen haben sie eine beschränkte Flugzeit, meist liegt sie bei maximalem Abfluggewicht im Bereich weniger Minuten. Vor allem in Gebieten, die weder Start- noch Landepunkte aufweisen, kann das zum Problem werden. Denn: Die An- und Abreise in ein solches Landstück muss von der reinen Flugzeit abgezogen werden. Das Gewicht der auf den Drohnen installierten Laserscanner vergrößert diese Problematik zusätzlich.

Zum anderen stellt die für eine exakte 3D-Darstellung erforderliche Punktdichte die drohnenbasierte Vermessung vor große Herausforderungen. Zwar ist es technisch möglich, ein Gebiet mit einer extrem hohen Punktdichte zu scannen, indem die Drohne dieses gleich mehrfach befliegt, wirtschaftlich sinnvoll ist das jedoch in den seltensten Fällen. Genau diese Schwächen überwindet das schweizerische Unternehmen Aeroscout. In Zusammenarbeit mit dem Laserscanner-Hersteller RIEGL aus Österreich hat Aeroscout eine Lösung entwickelt, bei der UAV und Laserscanner eine Einheit bilden. Als Fluggerät wird mit dem Scout B1-100 eine Helikopterdrohne genutzt, die bis zu anderthalb Stunden am Stück fliegen kann – rund dreimal so lang wie herkömmliche UAVs. Integriert ist ein RIEGL VUX-1-Laserscanner, der mit einer hochpräzisen GPS/IMU-Einheit ausgestattet ist. Dieser wurde extra zur drohnenbasierten Vermessung entwickelt und zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise sowie eine Genauigkeit im Millimeterbereich aus.

Kalibrierungsfläche für Satelliten-Laser

In einem neuen Projekt des Unternehmens zeigt sich, welche neuartigen Datenprodukte sich damit erzeugen lassen. Im Zuge eines Forschungsvorhabens wurde ein genau definiertes Waldstück erfasst. Primärer Hintergrund des Projektes war die Einmessung einer Kalibrationsfläche von einem Quadratkilometer Größe für das groß angelegte NASA-Forschungsprojekt GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation). Ziel von GEDI ist die Erfassung der Erdoberfläche mit satellitengestützten NASA-Laserscannern, um daraus die Ausweitung, Ausbreitung und den Einfluss des Klimawandels auf das globale Ökosystem abzuleiten.

Durch die exakte Vermessungsmethode können Bäume, Sträucher und Äste genau dargestellt werden. Foto: Aeroscout GmbH

Damit das Waldstück als Kalibrationsfläche für NASA-Satelliten dienen kann, musste diese eine Genauigkeit besitzen, die mit Flugzeugen oder elektrischen Drohnen – wenn überhaupt – nur mit außerordentlich hohem Aufwand erreicht werden könnte. Das Waldstück wurde mit einer Punktdichte von über 3.000 Laserpunkten pro Quadratmeter gescannt. Während mit bemannten Flugsystemen aufgrund von Flughöhe und Reisegeschwindigkeit die Punktdichte am Boden oftmals nur bei 40 bis 100 Punkten pro Quadratmeter liegt, erzielen elektrische Drohnen nach Angaben von Aeroscout- Geschäftsführer Christoph Eck typischerweise eine Punktdichte zwischen 400 und 600 Punkten pro Quadratmeter: „Elektrische Drohnen vermessen ein Gebiet nur mit 600 Laserpunkten, unsere benzingetriebenen Helikopterdrohnen kommen aber auf über 3.000 Punkte – und sind damit beinahe im terrestrischen Bereich”, sagt Eck. Dies ist möglich, da der Scout B1-100 eine sehr lange Flugzeit bietet und so die hohe Punktdichte auch mit vertretbarem Aufwand bei langsamem Flug erreicht werden konnte.

Nebenprodukt: Ermittlung der genauen Biomasse

Doch das Projekt zeigte noch weiteren Anwendungsnutzen. Die detaillierten Daten der hochauflösenden Punktwolke geben außerdem die Möglichkeit, die exakte Biomasse des gescannten Forstgebiets zu ermitteln. Denn sie bildet einzelne Bäume, deren Äste sowie Sträucher derart genau ab, dass neben ihrem Volumen und Stammdurchmesser auch Holzstruktur und -volumen bestimmt werden können.

Somit ist das Verfahren unter anderem für Forstunternehmen und -verwaltungen interessant, die bei vergleichsweise geringem Kosten- und Zeitaufwand eine sehr genaue Bestimmung der Biomasse ihres Gebiets oder einzelner Abschnitte als Testreferenz vornehmen wollen.

GEDI: Das fehlende Puzzlestück der NASA

Mit dem Projekt GEDI (Global Ecosystem Dynamics Investigation) will die amerikanische Weltraumbehörde NASA die ersten hochauflösenden 3D-Bilder der Erdstruktur liefern. Dafür werden an der Internationalen Raumstation (ISS) LIDAR-Sensoren angebracht, die eine exakte Darstellung der vertikalen Struktur auch eines extrem engmaschigen Gebiets ermöglichen. Die daraus gewonnenen Daten sollen Forschern Aufschluss über die Biomasse, den Lebensraum und darauf aufbauend über den Kohlenstoff- sowie den Wasserstoffkreislauf der Erde geben. Darüber hinaus sind die im Rahmen des GEDI-Projekts gewonnenen Daten auch für die Wettervorhersage, die Waldbewirtschaftung, die Überwachung von Gletschern sowie Schneedecken und die Erzeugung von genaueren digitalen Höhenmodellen von Bedeutung. GEDI wird voraussichtlich Ende 2018 auf der ISS installiert und komplettiert die NASA-Beobachtungsdaten während der 24-monatigen Einsatzzeit mit 3D-Bildern der Erdstruktur. www.science.nasa.gov/missions/gedi

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