Drohnenbefliegung

Drohnenbefliegungen 5GLa

Im Projekt 5GLa wurden die Testflächen regelmäßig mit einer Drohne und Multispektralkameras überflogen. Anschließend wurden die Bilddaten zu großen Orthofotos zusammengesetzt, damit diese weiterverarbeitet werden können. Dieser Vorgang wurde in dem Projekt automatisiert. Mithilfe des 5G-Campusnetzwerks werden die Daten an den zentralen Server gesendet, gespeichert und automatisiert weiterverarbeitet.

Befliegungen und Bildverarbeitung

Die im Projekt 5GLa untersuchten Flächen wurden mithilfe von Drohnen des Herstellers DJI betrachtet. Für die verschiedenen Versuchsflächen wurden Flugrouten programmiert, so dass die Drohne autonom fliegen kann und die benötigte Überlappung zwischen den einzelnen Bildern gegeben ist. Für die Bildaufnahmen wurden zwei verschiedene Multispektralkameras eingesetzt. Neben einem Micasense RedEdge MX mit 5 Bändern kam auch ein Micasense RedEdge Pdual zum Einsatz, der über 10 Bänder für die Aufnahmen verfügt. Hierbei sind die ersten 5 Bänder ähnlich denen der Rededge MX. Diese werden noch um 5 Bänder in jedem Farbspektrum erweitert dem Flug werden die Bilder von der Speicherkarte kopiert und weiterverarbeitet.

Band	Micasense RedEdge MX	Micasense RedEdge P dual
Küstenblau	—	444(28)
Blau	475(32)	475(32)
Grün	—	531(14)
Grün	560(27)	560(27)
Verrotten	—	650(16)
Verrotten	668(16)	668(14)
Rote Kante	—	705(10)
Rote Kante	717(12)	717(12)
Nahinfrarot	—	740(18)
Nahinfrarot	842(57)	842(57)

Tabelle 1: Bandkonfiguration Multispektralkameras in nm. Mitte (Bandbreite)

Mithilfe verschiedener Programme ist es möglich, Orthofotos zu erstellen. Im 5GLa wurden verschiedene ausgetestet. Für die Anwendung im Rechenzentrum und auf verteilten Systemen eignet sich Open Drone Maps (ODM) am besten, da es unter anderem Open Source ist. Nachdem das Orthofoto zusammengestellt wurde, kann für die gesamte Fläche Vegetationsindizes berechnet werden. Bei der Berechnung muss die Bodenbedeckung der Pflanzen berücksichtigt werden und sichtbarer Boden muss rausgerechnet werden, damit dieses Ergebnis nicht verfälscht wird. Nun kann das Bild analysiert werden. Ein Vegetationsindex kann verschiedene Mängel und Stresssituationen anzeigen. Hier sind teilweise noch weitere Analysen notwendig, mehrere Indizes müssen betrachtet werden. An dieser Stelle setzt der im Projekt beschriebene KI-Use-Case an. Das multispektrale Erscheinungsbild der Pflanzen in Relation zum Bodenwasserhaushalt setzt ganz ohne Index.

5G-Anbindung

Der Prozess der Bildverarbeitung nach der Befliegung nimmt viel Zeit in Anspruch. Die Datensätze einer Befliegung sind mehrere Gigabyte groß. Diese müssen auf einen Computer übertragen werden. Anschließend wird ein Projekt angelegt und die Verarbeitung angestoßen. Beide Prozesse müssen nicht durchgehend von einer Person betreut werden, der Prozess ist teilautomatisiert. Im Projekt 5G La wurde daran gearbeitet, den Prozess weiterführend zu automatisieren. Der größte Nutzen liegt hier in der Übertragung der Daten. Die Micasense Kameras stellen einen eigenen Webserver mit API bereit, über den die Bilder abgefragt werden können. Auf den Drohnen fliegt zusätzlich zu der Kamera noch ein Mini-PC mit, welcher die Daten von der Kamera abfragt und über das 5G-Campusnetz an den Server sendet. Hier werden die Bilddaten für einen Flug gesammelt, anschließend startet die Bildverarbeitung per ODM automatisch. In weiteren Entwicklungen kann dieser Prozess noch optimiert werden. Die Idealvorstellung ist, dass das Orthofoto vorliegt, sobald der Landwirt vom Feld wieder am Hof in seinem Büro ist.

Begriffserklärungen Drohnen

Drohnen sind unbemannte Fluggeräte, die in der Regel von einem Piloten am Boden gesteuert werden. Weit verbreitet ist hier die Bauweise als Multikopter. Diese haben mehrere Rotoren (in der Regel 4, 6 oder 8), welche für den Auftrieb sorgen. Diese Bauweise ist sehr vielseitig einsetzbar, da sie wenig Platz zum Starten und Landen benötigen und in der Luft stehen können. Neben der Bedienung per Fernsteuerung können bei professionellen Geräten Flugrouten vorprogrammiert werden, welche dann automatisiert abgeflogen werden.

In der Landwirtschaft werden Drohen auf verschiedene Weise eingesetzt. Mit Thermalkameras ausgestattete Drohnen werden beispielsweise bei der Ernte eingesetzt, um Tiere im Bestand zu entdecken und zu retten. Mit Hilfe von Spezialdrohen können Dünger, Pflanzenschutzmittel und Saatgut ausgebracht werden. Drohen mit einer Multispektralkamera können mit den Bildern Erkenntnisse über die Pflanzengesundheit liefern. Hierfür werden die Felder systematisch und flächendeckend abgeflogen.

Multispektralkamera

Multispektralkameras nehmen Bilder in mehreren Spektralbereichen des elektromagnetischen Spektrums auf. Ein Spektralbereich ist ein bestimmter Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Dieses besteht aus verschiedenen Bereichen, Nanometer- (nm) und Mikrometerbereich (µm). Das menschlich sichtbare Licht liegt zwischen 400 und 700 nm. Multispektralkameras nehmen aber nicht nur Spektralbereiche des sichtbaren Lichts auf, sondern auch Bereiche im Nahinfrarot (NIR, 700 -2500 nm), in diesem Bereich reflektieren Pflanzen viel Licht. Multispektralkameras bestehen aus mehreren einzelnen Kameras, die genau auf einen bestimmten Bereich eingestellt sind. Gängige Bereiche im Farbspektrum sind Blau, Grün, Rot, Red Edge und NIR. Diese Kamera wird gleichzeitig ausgelöst, die einzelnen Bilder werden gespeichert. Aus diesen Bildern können Vegetationsindizes ermittelt werden.

Vegetationsindex

Vegetationsindizes werden berechnet, indem verschiedene Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums miteinander kombiniert werden. Mit ihrer Hilfe kann der Zustand und die Vitalität von Pflanzen begründet werden. Je nach Vitalität der Pflanzen unterscheidet sich die Reflexion des Lichts. Vor allem im NIR-Bereich werden Änderungen zeitnah sichtbar. Auf dieser Grundlage kann das Wachstum der Pflanzen beurteilt, Ernteprognosen erstellt, Nährstoffgehalt ermittelt oder Dürren erkannt werden. Dabei können Mängel bereits teilweise erkannt werden, bevor sie für das menschliche Auge sichtbar werden.

Orthofotos/Orthomosaik

Um ein ganzes Feld mit einem Vegitationsindex auszuwerten, werden sog. Orthofotos erstellt. Diese bestehen aus vielen Einzelbildern, welche eine Kamera an der Drohne aufnimmt. Die Bilder müssen mit einem bestimmten Maß an Überlappung aufgenommen werden, damit das Programm die Fotos richtig zusammenfügen kann. Die Einzelbilder werden dann zu einem großen Bild zusammengesetzt, was die Erdoberfläche maßstabgetreu und verzerrungsfrei darstellt. Zusätzlich wird ein Digitales Höhenmodell verwendet, um Höhenunterschiede in der Landschaft zu berücksichtigen. Die Bilder sind georeferenziert. Je nach Flughöhe und Kameraauflösung haben die Pixel im Orthofoto unterschiedliche Kantenlängen. Dabei gilt: Je niedriger die Flughöhe und je höher die Auflösung der Kamera, desto geringer die Kantenlänge.