Die Firma GeoFly hat massiv in Ressourcen für die Thermalbefliegung investiert. Im Mittelpunkt steht ein spezieller Sensortyp. Thermografie ist ein sehr altes Thema. Bereits in den 1920er Jahren gab es die ersten Geräte, die Wärmebilder erzeugen konnten. Das wurde zunächst militärisch genutzt und blieb es auch lange Zeit, bis die Technik billiger wurde. Günstiger heißt aber nicht immer gut genug, denn die Technik ist anspruchsvoll und das gilt erst recht für den Einsatz in der flugzeuggestützten Fernerkundung. Ein Vorreiter auf diesem Gebiet ist die Firma GeoFly GmbH aus Magdeburg, die seit vielen Jahren Thermografie-Befliegungen durchführt, aber im Jahr 2022 mit der Übernahme von Technologie und Personal der Firma SCANDAT einen wichtigen Entwicklungssprung gemacht hat. Das Berliner Unternehmen ist seit 1996 auf Thermografie spezialisiert und hat unter der Leitung des Physikers Hans-Jörg Krickau umfangreiche Erfahrungen gesammelt. „Die Technologie trägt zu einem Viertel zum Projekterfolg bei, der Rest ist Erfahrungssache“, resümiert Aicke Damrau, Geschäftsführer von GeoFly.
Flüssigkeitsgekühlt
Graphische Darstellung einer Schadstelle: Durch eine angepasste Farbskala wird diese deutlicher sichtbar, da im restlichen Bild weniger Farben vorhanden sind, die die Aufmerksamkeit ablenken.
Quelle: GeoFly GmbH
Und doch: Ohne Technik ist alles nichts. Das gilt leider besonders für die Fernerkundung, denn hier ist die Frage nach einem geeigneten Detektor vielleicht noch wichtiger als bei den üblichen optischen Kameras.
Im Bereich der Thermografie setzt GeoFly auf Sensoren der Firma Infratec, die zu den weltweit führenden Spezialisten auf dem Gebiet der Infrarottechnik zählt. Die Kamera gehört zur Gattung der Flächenkameras (FPA-System (Focal-Plane-Array-System)), die mit so genannten Quantendetektoren arbeiten. Das Besondere an diesen Sensoren ist, dass sie flüssigkeitsgekühlt bei etwa minus 190 Grad Celsius (70 Kelvin) arbeiten. „Die Sensoren ermöglichen zudem eine kürzere Flugzeit bei gleicher Fläche sowie variable Flughöhen bei hohem Flugaufkommen“, beschreibt Damrau.
Entscheidend ist dabei das Kühlsystem, das zwar aufwendig und damit teuer ist, aber entscheidende Eigenschaften für den Einsatz am Flugzeug erst ermöglicht. Die Grundidee: Je kälter der Sensor ist, desto feiner und genauer kann er die Infrarotstrahlung messen. Quantendetektoren erkennen Unterschiede von bis zu 10 Millikelvin.
Eine weitere Eigenschaft der gekühlten Detektoren ist die hohe Bildwiederholrate. Der Detektor ist sehr schnell, er kann also innerhalb kürzester Zeit neue „Aufnahmen“ machen und bewegte Objekte genauer erfassen. „Die Wärmebilder werden dadurch sehr scharf und ermöglichen die Datenerfassung bei hohen Geschwindigkeiten, wie sie beim Fliegen üblich sind“, sagt Damrau.
Mittel- und Langwellen
Ein weiteres wichtiges technisches Merkmal der GeoFly-Anlage ist die Verwendung von sogenannten Langwellen-Detektoren, die eine andere Qualität als die Mittelwellenvarianten haben. Die Mittelwelle-Geräte lösen Temperaturunterschiede nicht so fein auf und haben ihren Schwerpunkt auch bei höheren Temperaturen von 300° Celsius bis 1095° Celsius (2μm und 5μm Wellenlänge), etwa beim Erkennen von Waldbränden. Langwellen haben ihren Schwerpunkt bei niedrigeren Temperaturen (0° Celsius – 100° Celsius) und ermöglichen auch eine bessere Interpretation der Ergebnisse. Sie reagieren beispielsweise im Gegensatz zur Mittelwelle nicht auf die Einflüsse bezüglich der Infrarotstrahlung, die ein strahlender Körper naturbedingt hat.
Ein Beispiel hierfür ist Asphalt. Schwarzer und grauer Asphalt haben trotz gleicher Temperatur je nach Sensor unterschiedliche Emissionsgrade. Bei Langwelle gibt es nur einen Emissionsgrad für Asphalt, bei Mittelwelle müssen für schwarzen und grauen Asphalt unterschiedliche Emissionsgrade gewählt werden, um die gleiche Temperatur zu messen. „Theoretisch lässt sich das korrigieren, aber das ist sehr aufwendig, weil es für jeden Bereich manuell eingestellt werden muss und fehleranfällig ist“, erklärt Damrau. Langwellige Detektoren sind auch wesentlich unempfindlicher gegen Reflexionen, was bei Klimaflügen (wegen der Sonnenreflexion) sehr wichtig ist.
Zudem sind gekühlte Langwellen-Detektoren temperaturstabiler. Entscheidend ist die sogenannte Non Uniformity Correction (NUC), eine Art Kalibrierung des Detektors, die vor der ersten Messung durchgeführt werden muss. Bei ungekühlten Mikrobolometern ist dieser Abgleich innerhalb weniger Minuten notwendig und muss jeweils zu Beginn und erneut am Ende eines Flugstreifens durchgeführt werden, da sonst die Messergebnisse einer Temperaturdrift unterliegen. Bei gekühlten Quantendetektoren ist der erneute Abgleich erst nach Stunden notwendig. „Somit wird keine wertvolle Flugzeit vergeudet. Um Quantendetektoren kommen viele Anwendungen sowieso nicht herum, und meist wiegen die vielen Vorteile die höheren Kosten bei Weitem auf“, ist Damrau insgesamt überzeugt.
Beispiel Klimabefliegung. Hier wird die Temperaturentwicklung im Tagesverlauf ermittelt. Das Projektgebiet wurde zu drei verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen: links kurz vor Sonnenaufgang (Temperaturminimum), in der Mitte kurz nach Sonnenhöchststand (Maximum) und rechts nach Sonnenuntergang zur Ermittlung des Abkühlungsverhaltens.
Quelle: GeoFly GmbH
Einsatz von KI
GeoFly arbeitet an der Weiterentwicklung der Lösung. Ab dem kommenden Winter soll es etwa eine Online-Vorberechnung der Daten noch in der Luft geben, durch die Temperaturspitzen ersichtlich sind. KI spielt dafür die entscheidende Rolle, um die menschliche, subjektive Analyse der Daten zu unterstützen. „Unsere KI profitiert dabei vom extrem großen Datenbestand der Projekte von SCANDAT und GeoFly“, so Damrau.