P. Thamm
P. Thamm
P. Thamm
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UAV in der geographischen Feldforschung<br />
Dr. Hans-Peter <strong>Thamm</strong><br />
Freie Universität Berlin<br />
FB Geowissenschaften<br />
Fernerkundung, GIS und Kartographie<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Einleitung<br />
Gliederung<br />
• Einsatzgebiete von UAS in Geographie<br />
• Warum werden UAS eingesetzt<br />
• Unterschiedliche UAS<br />
• Ausgewählte Anwendungsbeispiele<br />
• Notwendige Forschungen<br />
• Interessante Projekte im Rahmen von UAS<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Motivation sich mit UAS zu beschäftigen<br />
LANDSAT ETM 7 11.12.1999<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Einordnung in den Kontext<br />
Siedlungsdynamik<br />
Botanik<br />
Besucher<br />
verhalten<br />
Geomorphologie<br />
Landbedeckung /<br />
Landnutzung / LUCC<br />
Bedarf an räumlich<br />
hoch auflösenden<br />
flächenhafter<br />
Information<br />
Forst<br />
Ressourcen<br />
Management<br />
Hydrologie<br />
Archäologie<br />
Landwirtschaft<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Gewinnung von räumlicher Information<br />
Wie kann räumliche Information gewonnen werden<br />
Luftbilder<br />
Teuer, oft nicht<br />
verfügbar, keine<br />
Zeitreihen<br />
Hochauflösende<br />
Satelliten Bilder<br />
Räumliche Auflösung<br />
nicht ausreichend,<br />
Wolken, teuer, nicht<br />
immer erhältlich<br />
Feldkampagnen<br />
Subjektiv, keine<br />
räumliche Abdeckung,<br />
teuer, anstrengend<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Warum Einsatz UAS I<br />
Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft I<br />
Räumliche hoch auflösende Information von<br />
UAS:<br />
• In extrem hoher räumlicher Auflösung<br />
• Kann erhoben werden wenn sie gebraucht wird<br />
• Gewisse Unabhängigkeit von Witterungseinflüssen (Wolken,<br />
Dunst)<br />
• Information steht sehr zeitnah zur Verfügung (eventuell kann<br />
sofort nochmals beflogen werden)<br />
• Bei häufigen Einsatz kostengünstiger als andere Verfahren<br />
• Oft geringerer Organisationsaufwand<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Vergleich Satelliten und Dronenbilder<br />
QUICKBIRD Aufnahme UAV Aufnahme<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Warum Einsatz UAS II<br />
Workflow Untersuchung von Prozess Dynamik<br />
Status<br />
Erfassung des<br />
Zustandes für<br />
einzelne<br />
Zeitschritte<br />
Modell<br />
Implementierung<br />
der funktionalen<br />
Beziehungen in<br />
Modelle<br />
Veränderung<br />
Ableitung der<br />
Raummuster<br />
der<br />
Veränderung<br />
zwischen<br />
Zeitschritten<br />
Szenarios<br />
Erstellung von<br />
entsprechenden<br />
Szenarien<br />
Prozess<br />
Analyse der<br />
Raummuster und<br />
Integration von<br />
anderer Information<br />
zur Erklärung der<br />
Veränderung<br />
Entscheidung<br />
Unterschiedliche<br />
Handlungsoptionen<br />
(legislativ,<br />
technisch,…)<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Untersuchung von Prozessdynamik UAS<br />
Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft II<br />
Prozessuntersuchung / Prozesse<br />
Geomorphologie<br />
• Gully Erosion (vor und nach<br />
Regen / Regenzeit)<br />
• Massenbewegung …<br />
Botanik<br />
• Sukzession von Vegetation<br />
nach Bränden<br />
• Austrocknen von Vegetation<br />
nach Regenzeit<br />
Ressourcen Management<br />
• Landbedeckungs- /<br />
Landnutzungsveränderung<br />
• Evaluation von Maßnahmen<br />
Siedlungsdynamik in extrem<br />
hoher Auflösung<br />
• Veränderung von Häusern<br />
• Änderungen Infrastruktur<br />
Parkmanagement<br />
• Besucher Verteilung<br />
• Veränderung von Wegen ect.<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Warum Einsatz UAS II<br />
Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft II<br />
Untersuchung von Veränderungen für<br />
Untersuchung von Prozessdynamik sowie<br />
Modellparametrisierung und Modell Validierung<br />
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Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Problem: „scale gap“ / Regionaliserung<br />
Punkt<br />
Messungen<br />
Hohe zeitliche<br />
Auflösung<br />
Schlechte<br />
räumliche<br />
Relevanz<br />
Hoch räumliche<br />
Auflösungen<br />
(e.g. IKONOS)<br />
Hohe räumliche<br />
Relevanz<br />
Schlechte zeitliche<br />
Auflösung<br />
Hohe zeitliche Aufösung<br />
von Satelliten Bilder (e.g.<br />
MODIS)<br />
Mittlere räumliche<br />
Relevanz<br />
Mittlere zeitliche<br />
Auflösung<br />
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Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Warum Einsatz UAS III<br />
Gründe für den Einsatz von UAS in der Geowissenschaft III<br />
Mit UAS kann der „Scale Gap“ geschlossen<br />
werden / Regionalisierung<br />
Beispiel:<br />
• Erfassung von Verdunstung in Bewässerungslandwirtschaft<br />
zur Steigerung der Wassernutzungseffizienz<br />
• Veränderung von Zusammensetzung von Vegetation auf<br />
Weiden<br />
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Anforderung an das perfekte UAS<br />
Leicht zu<br />
fliegen<br />
„out of<br />
the box“<br />
Sehr gute<br />
Bildqualität<br />
robust<br />
sicher<br />
Anforderungen<br />
an das perfekte<br />
UAV für<br />
Geowissenschaften<br />
Zuverlässiger<br />
Autopilot<br />
Billig<br />
wartungsarm<br />
Abdeckung<br />
großer<br />
Gebiete<br />
Unterschiedliche<br />
Sensoren<br />
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Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Different UAV types<br />
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Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Eigenschaften von Starrflügel UAS<br />
Starrflügel UAS<br />
+ Schnell – Abdeckung von<br />
größeren Gebieten<br />
+ Schnell – recht unabhängig von<br />
Wetterbedingungen<br />
+ Kann gute Sensoren tragen<br />
+ Gute Auto Piloten verfügbar<br />
+ Keine Startbahnen nötig<br />
• Schnell – schlechte Bildqualität<br />
• Braucht Landebahn<br />
• Empfindlich – eine harte<br />
Landung kann Gerät zersören<br />
• Operator muss Experte sein<br />
• Gefährlich im Falle eines Unfalls<br />
Quelle Eisenbeis:<br />
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Hubschrauber UAS<br />
Hubschrauber (2-Takt)<br />
+ Braucht keine Startbahn<br />
+ Teilweise hohe Zuladung<br />
+ Mit Kreiselkompanten gut zu<br />
managen<br />
+ Recht unabhängig von<br />
Witterung<br />
+ Gute Autopiloten<br />
+ Lange Flugzeit < 30 min<br />
http://www.airfoilhelicams.coml<br />
• Sehr komplexe Technik – hoher Wartungsaufwand<br />
• Kann nur von Experten geflogen werden<br />
• Sehr gefährlich im Falle eines Absturzes<br />
• Laut<br />
• Kann Probleme mit Vibrationen haben<br />
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Properties of different UAVs<br />
Quattrocopter - Octocopter<br />
+ Braucht keine Startbahn<br />
+ Sehr leicht<br />
+ Einfache Bedienung<br />
+ Gute Autopiloten verfügbar<br />
+ Geringer<br />
Genehmigungsaufwand<br />
- Sehr beschränkte Nutzlast- kleine Kamera –<br />
schlechte Bildqualität<br />
- Geringe Flugzeit / Reichweite / Flughöhe<br />
- Probleme mit Vibrationen<br />
- Bei Defekten sehr kompliziert zu reparieren<br />
- Nur kleine Gebiete können abgedeckt werden<br />
http://www.airrobot-uk.com<br />
Freie Universität Berlin<br />
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Gleitschirm UAS<br />
Gleitschirm UVS<br />
+ Sehr einfach zu fliegen<br />
+ Einfach zu reparieren / robust<br />
+ Gut zu transportieren<br />
+ Lange Flugzeit > 1 h<br />
+ Große Flughöhe (>4000 m)<br />
+ Grosse Nutzlast (up to 8 kg)<br />
+ Gleichzeitige Verwendung<br />
unterschiedlicher Sensoren möglich<br />
+ Sehr gute Bildqualität<br />
- Braucht Startbahn (ca. 25 m)<br />
- Bis jetzt noch kein Autopilot<br />
SUSI 62: Geo-Technic<br />
- Braucht Erlaubnis / Lärm<br />
- Kann nur bei Windstärken unter 35 km/h geflogen werden<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Räumliche Skale und Nutzlast UAS<br />
Zuladung (exklusive Batterien)<br />
10000 g<br />
5000 g<br />
3000 g<br />
1000 g<br />
500 g<br />
300 g<br />
100 g<br />
Octocopter<br />
Quattrocopter<br />
Helicopter 2<br />
stroke<br />
Parachute UAV<br />
Fixed wing<br />
Fixed wing<br />
1 ha 10 ha 100 ha 1000 ha 10000 ha<br />
Einsatzgebiet<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Räumliche Skale und Nutzlast UAS<br />
Einfache<br />
Bedienung<br />
Normalfall<br />
Quadrocopter /<br />
Octocopter<br />
Einfache<br />
Bedienung<br />
Systemausfall<br />
Bildqualität<br />
Gleitschirm 2-Takt<br />
Hubschrauber<br />
Gleitschirm Starrflügel Gleitschirm<br />
UAS<br />
Starrflügel 2-Takt<br />
Hubschrauber<br />
2-Takt<br />
Hubschrauber<br />
Quadrocopter /<br />
Octocopter<br />
Starrflügel<br />
UAS<br />
Quadrocopter /<br />
Octocopter<br />
Besser<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Herausforderungen<br />
Kalibrierte<br />
optische Kamera<br />
mit GPS Link<br />
Sensoren<br />
Thermale Kamera Multi-spektrale<br />
Kamera<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Transport von Gleitschirm UAS<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Vorbereitung der Startbahn<br />
Benötigte<br />
Länge der<br />
Startbahn<br />
Bei<br />
Gegenwind:<br />
3m - 8m<br />
Ohne<br />
Gegenwind:<br />
up to 25m<br />
Abhänging<br />
auch von<br />
Untergrund<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Startvorbereitung<br />
Assembeling the parachute<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Startvorbereitung<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Anwendungen: Aufnahme von Vegetation und<br />
Geomorphologie<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
UAV 2004-10<br />
Freie Aufnahme Universität Berlin von Siedlungsstrukturen und Wegenetze<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Unterschung Siedlungsdynamik<br />
UAV 2006-03<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Unterschung Siedlungsdynamik<br />
5 Principal component<br />
Quantifing the development of river beds<br />
Freie Universität Berlin<br />
Veränderung zwischen 2004-10 und 2006-03<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Detaillierte Siedlungsstrukturen<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Erfassung von Landwirtschaft und<br />
Bodenbedeckung<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Beobachtung von Lysimetern<br />
test plots<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Freie Untersuchung Universität Berlin von Weideverhalten und Degradation<br />
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Erfassung von uferbegleitender Vegetation<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Erfassung von Gully Erosion / Flussbett<br />
Satellit: Quickbird<br />
UAS<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Beispiele unterschiedlicher Sensoren<br />
Thermal Bilder Mulitspektrale Bilder<br />
Bewässerte Felder<br />
(Wagga Wagga, Aus.)<br />
Courtesy: M. Haafez<br />
Reis Felder (Collembally,<br />
Australia)<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Auswertung der Bilder<br />
Ableitung von räumlich hochaufösenden DOMs und<br />
Orthophotos<br />
Kadolassi, Benin<br />
10 m<br />
Whitton, <strong>Thamm</strong><br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Realer Flugpfad für archäologische Anwendungen<br />
Octocopter in Pietrele (Rumänien)<br />
Freie Universität Berlin<br />
K. Schele, V. Henrich<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Ableitung von extrem hochauflösenden DGM<br />
Siedlungshügel in Pietrele, Rumänien, mit Octokopter<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Forschungsbedarf<br />
Herausforderungen I<br />
Sensoren<br />
• Leichte und lichtempfindliche optische Kameras mit<br />
großer Auflösung<br />
• Multispektral – hyperspektrale Kameras<br />
• Leichte hoch auflösende Thermalkameras<br />
• Radar (Erosion, Rauhigkeit)<br />
• Lidar (DGM, Strukturen unter Wald)<br />
• Geophysikalische Instrumente (für archäologische<br />
Anwendungen)<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Forschungsbedarf<br />
Herausforderungen II<br />
Sonstige Technik<br />
• Gute Funkstrecken zwischen Bodenstation und UAS<br />
im Rahmen der gesetzlichen Bestimmungen<br />
• Evaluation von Ausfallsicherheit<br />
• Hohe Ausfallsicherheit auch bei Hitze, Staub,<br />
Vibration, Feuchte<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Forschungsbedarf<br />
Herausforderungen III<br />
Bildaufnahme / Autopilot<br />
• Autopilot für Gleitschirm UAS<br />
• Überprüfung der Bilder „on board“ auf<br />
- Vollständigkeit des Mosaiks<br />
- Bildschärfe<br />
- Bildwinkel<br />
• Intelligentes Verhalten im Ausnahmefall<br />
- Autonomes Überprüfen von Sensoren<br />
- Autonomes Niederkommen in geeigneten Gebiet /<br />
Vermeidung von Kollisionen<br />
- Auslösen von Fallschirm oder Selbstzerlegung<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Forschungsbedarf<br />
Herausforderungen IV<br />
Bildverarbeitung / Informationsextraktion<br />
• Weitgehend automatisches Erstellen des<br />
Bildverbandes / Orthophotos<br />
• Automatisches Ableiten von DGMs<br />
• Einbinden in die Geodatenbanken<br />
• Informationsextraktion (Häuser, Tiere,<br />
Veränderungen…)<br />
Geographen / andere Fachwissenschaftler sollten so<br />
wenig mit möglich mit fachfremden Prozessierungsschritten<br />
belastet werden<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Forschungsbedarf<br />
Mögliche Forschungsprojekte<br />
• Erforschung der Anforderungen für Regionalisierung<br />
/ Evaluation der Steigerung der Genauigkeit beim<br />
Einsatz von UAS<br />
• Wie Verbessern sich die Aussagen von LUCC<br />
Modellen bei der Verwendung von UAS<br />
• Ableitung von Gerinne Parameter mit UAS<br />
• Untersuchung von Sukzession nach Brandflächen<br />
• Möglichkeiten des Einsatzes von UAS im<br />
Katastrophenfall<br />
• Evaluation von Maßnahmen zum Ressourcenschutz<br />
in Entwicklungsländern<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Further questions??<br />
Dr. Hans-Peter <strong>Thamm</strong><br />
Tel. +49 / (0)151 / 581 65421<br />
hp.thamm@gmail.com<br />
Zukunft der UAS<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
Autopilot; Realer<br />
Octocopter (ASCENT), Rumänia, Pietele<br />
K. Schele, V. Henrich<br />
Freie Universität Berlin<br />
Institut für Geographische Wissenschaften Dr. H.-P. <strong>Thamm</strong>
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