Welche Ausrüstung wird zur Kitzsuche benötigt?

Welche Ausrüstung wird zur Kitzsuche benötigt?

Welche Ausrüstung wird zur Kitzsuche benötigt?

Das Gerät zur Kitzsuche vereinigt mehrere technische Untersysteme (Fluggerät, Kamera, etc.), die in ihren Funktionen einerseits für die Aufgabe optimiert und andererseits aufeinander abgestimmt sein müssen. Ferner sind Stand der Technik, kommerzielle Verfügbarkeit, Gewicht, etc. für die Realisierung von Bedeutung. Nachfolgend werden zunächst die wichtigsten Eigenschaften der Untersysteme erläutert, und im Anschluss werden die gängigsten verfügbaren  in einer Tabelle verglichen. Die Übersicht kann als Grundlage zur Konfiguration eines Suchsystems dienen.

Das Fluggerät

Grundsätzlich lassen sich sowohl Kopter als auch Flugzeuge mit Kameras ausrüsten und zur Beobachtung aus der Luft verwenden. Die spezielle Aufgabe, Kitze und andere Jungtiere zu finden, unterscheidet sich aber gravierend von der allgemeinen Erstellung von Flugaufnahmen. Es gilt hier ganz besonders, die Eigenschaften von Fluggerät und Kamera(s) und deren Wechselwirkung zu optimieren und an die Herausforderungen der Suche anzupassen. Besonderes Augenmerk dient der Wechselwirkung, die für Fluggerät, Kamera und das Objektiv an anderer Stelle dargestellt ist (Link).

Bei den Fluggeräten ist das Flugzeug dem Kopter hinsichtlich Flugdauer pro Akkuladung überlegen und damit effizienter: es kann eine größere Fläche je Akkuladung abgesucht werden. Bezüglich der Detektionssicherheit – und diese hat höchste Priorität –  ist aber der Kopter überlegen. Da er auf der Stelle schweben kann und dabei sogar die Flughöhe schnell ändern kann, ist es leicht möglich, verdächtige Funde zu bestätigen, oder auszuschließen.  Dadurch wird die Flächenleistung und Zuverlässigkeit bei der Sicherung der Kitze erhöht: verdächtige Funde müssen nicht aufwändig durch Suche am Boden kontrolliert werden. Für den Kopter spricht auch, dass seine Bedienung viel einfacher zu erlernen ist, als die des Flugzeugs. Schließlich gibt es bisher keine (Modell-) Flugzeuge am Markt, die so einfach für die Kitzsuche verwendbar wären, wie die vielen verschiedenen Kopter.

Wärmebildkamera
Ist nur die Wärmebildkamera zur Suche geeignet?

Größe, Gewicht und Preise von Wärmebildkameras haben bis vor einigen Jahren ihren Einsatz auf kleinen Fluggeräten für die Kitzsuche ausgeschlossen. Es wurden Versuche unternommen, mit Hilfe von drohnengetragenen Farbkameras Kitze zu finden. Die Kameras arbeiten im Spektralbereich des menschlichen Auges. In diesem Bereich ist die Tarnfärbung die Kitzes sehr wirksam. Die Erkennung wird zusätzlich erschwert, wenn das Kitzlager teilweise oder ganz von Gras überdeckt ist. Ähnlich wie bei der Suche mit Menschen zu Fuß, muß die Kamera nahe am Kitz sein und langsam fliegen. Die Ergebnisse sind entsprechend unbefriedigend: geringe Flächenleistung, übersehene Kitze und hohe Fehlerraten, die aufwändige Nachsuche zu Fuß erfordern. Nachdem der Einsatz von Infrarotkameras möglich war, wurden die Versuche mit Farbkameras aufgegeben. Im infraroten Spektralbereich ist das Kitz ungetarnt. Nur wenn es dicht mit Gras überdeckt ist, wird die Infrarotstrahlung abgeschirmt. Bei leichter Überdeckung gelangt die Strahlung überall da zwischen den Halmen zur Kamera, wo eine Sichtverbindung besteht.

Geometrische Auflösung

Ein wichtiger Parameter bei der Kitzsuche ist die Flächenleistung des Suchsystems, das ist die Fläche, die pro Zeiteinheit abgesucht werden kann. Den größten Einfluss auf die Flächenleistung hat die geometrische Auflösung der Wärmebildkamera. Übliche Auflösungen sind 160×120 Pixel, 320×256 und 640×512 Pixel. Je höher die Auflösung, desto größer die Flächenleistung.

Um ein lagerndes Rehkitz von ca. 30 cm Durchmesser unter günstigen Bedingungen (kühle Wiesenumgebung, z. B. im Morgengrauen) detektieren zu können, braucht man eine Bodenauflösung pro Bildpunkt von mindestens 10 cm. Die Bodenauflösung ist neben der geometrischen Auflösung von der Wahl des Objektivs und der Flughöhe abhängig. Das Objektiv entscheidet dann z. B., ob man in 80 m oder in 20 m Höhe über Grund fliegen kann. In 80 m kann man deutlich mehr Fläche auf einmal überblicken, als in 20 m Flughöhe.

Zeitliche Auflösung – Integrationszeit

Neben der geometrischen Auflösung spielt auch die zeitliche Auflösung eine wichtige Rolle für die Flächenleistung bei der Rehkitzsuche. Mit der zeitlichen Auflösung ist die Integrationszeit des Detektors gemeint, sie ist äquivalent zur Belichtungszeit bei Farbkameras. Damit scharfe Bilder entstehen, darf man die Kamera während der Aufnahme (Integrationszeit) nicht zu schnell bewegen. Für die Integrationszeit von Mikrobolometer-basierten Wärmebildkameras ist vor allem das Trägermaterial des Chips bestimmend. Verwendet wird entweder Vanadium Oxid mit einer Integrationszeit von 15 ms oder amorphes Silizium mit etwa 7 ms.  Die Integrationszeit von  Detektoren aus amorphem Silizium ist also weniger als halb so groß wie die der aus Vanadium Oxid. Der Detektor aus amorphem Silizium erlaubt damit eine doppelt so hohe Fluggeschwindigkeit und auch Flächenleistung und wäre deshalb zu bevorzugen. Allerdings ist seine Herstellung deutlich teurer. Die Detektorchips der Kameras der Firma Flir bestehen aus Vanadium Oxid. Sie sind vergleichweise preisgünstig, weshalb sie für die Kitzsuche verwendet werden.

Der Artikel Thermalkameras im Jahr 2018 geht auf die verschiedenen Kameras ein, die in 2018 zur Montage auf UAVs geeignet und verfügbar sind.

Flugwegsteuerung (manueller Flug versus wegpunktgesteuert)

Viele Kopter bieten die Möglichkeit, vorab eine wegpunktbasierte Flugplanung durchzuführen. Nach dem Start fliegt das System dann exakt die Wegpunkte an, die vorgegeben wurden. Das spart bei größeren Flächen sehr viel Zeit. Allerdings ist der Aufwand nicht unerheblich. In der Regel wird ein PC und eine stabile Funkverbindung zum Kopter benötigt. Das sind zusätzliche  Fehlerquellen, die die gewonnene Zeit zunichte machen können.

Die Erfahrung zeigt: Wenn die abzufliegende Wiese so klein ist, dass der Rand der Wiese stets im Bild ist, dann lohnt sich eine automatisierte Flugsteuerung nicht, denn damit ist der Flug in der Regel nicht schneller als bei manueller Steruerung. Sobald mehr als zwei Flugbahnen notwendig sind, ist eine automatisierte Flugplanung vorzuziehen, denn die Orientierung an Hand des Kamerabildes ist nicht möglich und der Pilot neigt dazu, Flugstreifen großzügig zu überlappen. Es geht viel Zeit für unnötig doppelt abgeflogene Flächen verloren.

Flugzeit

Ein Fluggerät kann mit elektrischen oder mit Verbrennungsmotoren betrieben werden. Die Zeit, die es in der Luft verbringen kann, hängt bei sonst gleichen Bedingungen von der Menge der mitgeführten Energie für Auf- und Antrieb ab. Die Energiedichte eines elektrischen Akkus ist im Vergleich zu fossilen Brennstoffen wie Benzin oder Diesel um den Faktor 10 kleiner. D. h. bei gleichem Gewicht von Akku und Benzin/Diesel wäre die Flugdauer mit Elektromoter etwa nur ein zehntel der mit Verbrennungsmotor. Bezüglich der Flugzeit sind Verbrennungsmotoren also deutlich überlegen. Der Betrieb kleiner und leichter Multikopter ist bisher aber nur mit elektrischen Motoren möglich. Verglichen mit Verbrennungsmotoren können diese schneller und präziser gesteuert werden. Damit sind sehr stabile Fluglagen und wendige Manöver möglich. Akku-betriebene Multikopter erreichen in allen Gewichtsklassen in der Regel Flugzeiten von weniger als 30 Minuten. Besonders bei der Suche auf großen Flächen sind längere Flugzeiten nützlich. Sie erlauben eine höhere Flächenleistung, denn Rückflug, Akkutauschen, und wieder Hinflug kosten viel Zeit. Da aber bei den kleinen Fluggeräten das Gewicht des Akkus einen relativ großen Anteil am Gesamtgewicht ausmacht, bringt häufig ein zusätzlicher Akku wegen des zusätzlichen Gewichts nur geringfügig mehr Flugzeit. Dagegen kann die Flugzeit durch Einsparung von Gewicht und durch Steigerung des Auftriebs wirkungsvoll erhöht werden. Gewichtseinsparung ist prinzipiell bei allen Komponenten möglich und wirksam. Bei einem Kopter der 2 kg-Klasse können 200 g bereits 3 min. mehr Flugzeit bedeuten. Der Auftrieb kann durch größere Propeller gesteigert werden.

In diesem Zusammernhang ist es ratsam, die aktuelle Flächenstruktur zu beachten. In Bayern sind die Wiesen durchschnittlich 3,5 ha groß, eine solche Fläche ist bereits nach 10 min abgeflogen. In Mecklenburg-Vorpommern sind die Wiesen viele zig Hektar groß, da sind Steigerungen der Flugzeit auch von 10 % durchaus gewünscht und entsprechende Systemoptimierungen sinnvoll.

Die Größe und das Abfluggewicht

Aus Sicht der Luftfahrtsicherheit spielen die Größe und das Abfluggewicht eine wichtige Rolle. Je größer und schwerer das Fluggerät ist, desto größer ist auch der mögliche Schaden im Absturzfall. Das Risiko ist geringer, wenn das Gerät weniger wiegt.

Da man Unbemannte Fluggeräte nach deutschem Luftrecht nur auf Sichtflug fliegen darf, ist die Reichweite von kleinen Fluggeräten gegenüber größeren Fluggeräten begrenzt. Ein Fluggerät mit 2 m Spannweite kann man auch noch in 1 km Entfernung wahrnehmen, einen 20 cm großen Kopter sieht man bis zu 100 m. Die Flächenleistung ist allein durch den Sichtflug in den beiden Fällen auf maximal 62 ha bzw 6,2 ha begrenzt.

Sicherheitsaspekte und hohe Flächenleistung stehen also im Gegensatz zueinander.

Anzahl und Größe der Propeller

Eine größere Anzahl von Propellern ermöglicht durch Redundanz eine höhere Sicherheit. Sofern der Schub ausreicht, kann bei einem Hexa- oder Oktokopter ein Rotor ausfallen, ohne dass das zum unkontrollierten Absturz führen muss. Je mehr Propeller, umso stabiler kann der Kopter auch mit ausgefallenen Rotoren fliegen.

Die Größe der Propeller hat Einfluss auf die Wendigkeit. Kleinere Propeller können auf Grund der geringeren Masse schneller die Geschwindigkeit ändern und damit schneller auf Windböen reagieren. Allerdings haben kleinere Propeller weniger Schub, was sich — wie bereits besprochen — negativ auf die Flugzeit auswirkt. Aus Platzgründen kann man bei gleicher Baugröße bei einem Oktokopter nur kleinere Propeller verbauen als bei einem Quadrokopter. Das bedeutet, der Quadrokopter hat eine längere Flugzeit, aber weniger Redundanz und Wendigkeit.

Gimbal

Der Gimbal trägt die Kamera und hat die Aufgabe die Roll- und Nick-Bewegung des Kopters auszugleichen, so dass die Orientierung der Kamera stabil bleibt. Zur Lagestabilisierung werden entweder Servo- oder Brushless-Motoren verwendet. Die Brushless-Motoren sind wesentlich schneller, als die Servo-Motoren. Stabile Bildfolgen sind bei Videoaufnahmen besonders wichtig, weshalb dazu möglichst ein Brushless-Gimbal verwendet wird. Bei der Kitzsuche geht es vor allem darum, keine verwackelten Einzelbilder zu erzeugen. Die lassen sich in vielen Fällen auch mit einem Servogimbal, bei ruhigem Flugwetter sogar ohne Gimbal erzeugen. Ist im Suchverfahren die Georeferenzierung vorgesehen, dann ist allerdings ein Brushless-Gimbal die beste Wahl.

Die Brushless-Gimbal haben andererseits den Nachteil, dass sie sehr schwer sind und damit die Flugzeit verringern. Für eine 100 g Kamera wiegt ein passender Gimbal ca. 200 g.

Es gibt 2-Achs und 3-Achs Gimbals. Die 3-Achs-Gimbals sind vor allem dann sinnvoll, wenn neben dem Piloten eine zweite Person die Kamera bzw. den Gimbal steuert. Für den Ein-Mann Betrieb reicht ein 2-Achs Gimbal, denn die Horizontal-Ausrichtung der Kamera kann auch mit dem Kopter gesteuert werden.

Suchstrategie

Es gibt zwei Suchstrategien: „Live-View“ und „Georeferenziert“, die unterschiedliche Eigenschaften des Kopters erfordern.

Die Strategie „Live-View“ ist bei nahezu allen Koptern möglich. Sie ist technisch einfach. Man braucht lediglich eine Videoverbindung vom Kopter zu einem Monitor oder einer Videobrille. Der Bediener verfolgt während des Überflugs in Echtzeit die Szene auf dem Monitor und läuft in die Wiese, sobald er eine warme, verdächtige Stelle im Bild entdeckt. Der Kopter bleibt während dieser Zeit über der Fundstelle schweben. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die Fundstellen sehr schnell  verifiziert werden können, da der Bediener die Fundstelle und sich selbst auf dem Videobild sieht. Um eine hohe Flächenleistung mit dieser Strategie zu erreichen, sollten mehrere geübte Personen beteiligt sein. Ferner ist eine lange Flugzeit sehr hilfreich.  Die Praxis hat allerdings gezeigt, dass diese Strategie bei Sonnenschein wegen vieler verdächtiger Fundstellen sehr fehlerträchtig ist. Nachts, in den frühen Morgenstunden, und bei bedecktem Himmel führt sie jedoch zu guten Ergebnissen.

Die Suchstrategie „Georeferenziert“ erfordert eine genaue Verortung der Bilder, sie ist daher technisch aufwendiger. Das heißt, die GPS-Koordinaten des Kopters und die Ausrichtung der Kamera werden zum Zeitpunkt der Aufnahme erfasst und mit den Bilddaten gespeichert. Mittels dieser Daten werden bei der Bildauswertung die Positionsdaten der Kitze am Boden bestimmt. Die Daten werden dann an ein GPS-Gerät übertragen, welches den „Retter“ zur Fundstelle leitet. Die Kitze bleiben in der Regel an Ort und Stelle liegen, weshalb zwischen Suchflug und Rettung eine gewisse Zeit vergehen darf. Deshalb können die Bilder auch nach dem Flug gründlich und ohne Eile analysiert werden können, was die Detektionssicherheit erhöht. Mit der Suchstrategie „Georeferenziert“ kann eine wesentlich höhere Flächenleistung erzielt werden. Allerdings verfügen nicht alle Kopter über die für diese Suchstrategie erforderliche Ausrüstung und Flugleistung.

Reichweite

Bei einigen Koptern gibt es mehrere Funkverbindungen zwischen Fluggerät und Bodenstation. Da wäre zum einen die Steuerverbindung zum Lenken der Drohne. Und dann gibt es da noch die Videoverbindung. Bei manchen Systemen geht das über die gleiche Verbindung (meist Wifi). Die Videoverbindung ist auf Grund der höheren Bandbreite meist die problematischere. Für die Live-View Suchstrategie ist eine gute Videoverbindung aber essentiell. Hier gilt es — ähnlich wie bei der Reichweitenbegrenzung wegen Sichtflug — zu berücksichtigen, für welche Flächengrößen ein Kopter angeschafft werden soll. Dabei spielt vor allem die Maximaldistanz zur Parkposition des eigenen Autos eine Rolle. Häufig habe ich es in kleinparzelligen Gebieten in Bayern und Baden-Würtemberg erlebt, dass die kleinen Felder zwar schmal aber dafür von der Straße weg recht lang sind. Da kommt man dann häufig an die Reichweitengrenze des Systems.

Sonstige Eigenschaften

Die Kitzsuche aus der Luft wird durch die Verwendung von Drohnen sehr effizient. Dabei werden nur einige ihrer vielen Eigenenschaften genutzt. Deshalb besteht die Möglichkeit, das Fluggerät zur Kitzsuche auch für andere Zwecke einzusetzen. Einige spezielle Eigenschaften sollen hier genannt werden – manche könnten auch bei der Kitzsuche genutzt werden.

Zum Beispiel gibt es den Flugmodus Follow-Me, dabei folgt die Drohne dem Bediener.

Mit Dohnen  sind Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 100 km/h möglich.

Der Flugmodus Trajektorienflug bremst an Wegpunkten nicht auf 0 km/h ab. Das würde bei der Kitzsuche zu höheren Flächenleistungen beitragen.

Eine automatische Hinderniserkennung entlastet den Piloten und erhöht die Flugsicherheit. Das kann bei der Kitzsuche in stark strukturiertem Gelände und bei niedriger Flughöhe nützlich sein.

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Kommerzielle Wärmebildkopter

Kopter mit ca. 640×512 Pixel Wärmebildkamera

DJI Inspire 1 + Zenmuse XT Flir 640 Intel Falcon 8+ Mikrokopter MK3500 Thermo Geokonzept Pro
Anzahl Propeller 4 8 8 4
Preis 17.699 € ca. 30.000 € ca. 20.000 € ca. 20.000 €
Flugzeit ca. 18 min ca. 16 min ca. 20 min ca. 18 min
Abfluggewicht 4200 g ca. 2000 g 4595 g 4200 g
Wegpunktflug
IR-Kamera Gimbal 3-Achsen, brushless 2-Achsen, servo 2-achsen, servo 3-Achsen, brushless
Suchstrategie Live-View, Georeferenced Live-View, Georeferenced Live-View Live-View, Georeferenced
Flughöhe 80 m (bei 32° FOV) 80 m 60 m (bei 32° FOV)  50 m
Flächenleistung 20 ha/Akku 20 ha/Akku 8 ha/Akku 10 ha/Akku
hor. FOV IR-Cam. 32° 32° 69°
sonstige Features Trajektorienflug

Kopter mit ca. 336×256 Pixel Wärmebildkamera

Geokonzept Basis Inspire 1 + Zenmuse XT Flir 336

in etwa wie das hier (Bild von globe-flight.de)

Anzahl Propeller 4 4
Preis 6590 € 9699 €
Flugzeit 20 min 18 min
Abfluggewicht 1700 g 4200 g
Wegpunktflug
IR-Kamera Gimbal 3-Achsen, brushless
Suchstrategie Live-View Live-View
max. Flughöhe 40 m 40 m
Flächenleistung* 5 ha/Akku 5 ha/Akku
Kopter mit 160 x 120 Pixel Wärmebildkamera
Yuneec Typhoon H + CGO-ET Yuneec Typhoon 520 + CGO-ET Parror Bebop Pro Thermal (Flir)

Bild von https://carolinadronz.com

Bild von https://www.premium-drohne.de

Bild von https://www.globe-flight.de

Anzahl Propeller 6 6 4
Größe 480 x 425 x 295 mm 520 x 455 x 295 mm 200 x 180 x 110 mm
Preis 2699 € 3499 € 1800 €
Flugzeit ca. 22 min 25 min 25 min
Abfluggewicht ca. 1950 g ca. 1910 g 604 g
Wegpunktflug
Thermal-Gimbal 3-Achsen, brushless 3-Achsen, brushless
Suchstrategie Live-View Live-View Live-View
max. Flughöhe 15 m 15 m 15 m
max. Suchgeschwindigkeit 3 m/s 3 m/s 3 m/s
Flächenleistung* ca. 1 ha / Akku ca. 2 ha / Akku ca. 1 ha /Akku
hor. FOV IR-Cam. 56° 56° 55°
Umbau von kommerziellen Koptern
DJI Mavic Pro + Flir Boson 320 Yuneec Typhoon Q500G + Flir Duo DJI Phantom 2 + Flir Duo
Preis ca. 3000 € 569 € + 1199 € nur noch Gebraucht + 1199 €
Flugzeit ca. 22 min ca. 18 min 25 min
Eigenbau Kopter
Mikrokopter Octo XL + Flir Vue Pro 640 DJI Flamewheel F550 + Pixhawk + Flir Boson 640 DJI S900 + A3 + Flir Vue Pro 640 Tarot Iron man + pixhawk + Flir Vue Pro 336
Anzahl Propeller 8 6 6 6
Preis
Flugzeit
Abfluggewicht
Gimbal
2019-05-04T15:46:53+00:00
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