Drohnen – im praktischen Einsatz für Industrie und Vermessung

Unmanned Aerial Vehicle Airborne Laserscanner (UAV-ALS) revolutioniert die Drohnenvermessung

Unmanned Aerial Vehicle Airborne Laserscanner (UAV-ALS) revolutioniert die Drohnenvermessung

Drohnen halten in den letzten Jahren rasant Einzug in viele Bereiche industrieller Anwendungen. Darunter sind neben vielfältigen Inspektionsaufgaben auch Vermessungen aus der Luft, die die Effizienz steigern.

Die Vermessung aus der Luft mit Photogrammetrie ist ein effektives Werkzeug, das allerdings auch seine Grenzen hat. Diese Grenzen können mit der Technologie des UAV Airborne Laserscanning verschoben werden! Geräte mit LiDaR Technologie (Light Detection and Ranging) senden Laserimpulse aus und messen die zurückgestreuten Echos. Laserscanner-Systeme für Drohnen sind auf dem Markt noch nicht in großer Zahl etabliert und die Genauigkeiten für Vermessungszwecke werden nur bei wenigen Herstellern erreicht. Das renommierte österreichische Unternehmen RIEGL Laser Measurement GmbH in Horn gehört zu den Technologieführern im Bereich Lasermesssysteme. Bei einem Riegl VUX-1 UAV handelt es sich um einen Full-Wave-Scanner, der nicht nur die ankommenden Lichtsignale zählt, sondern durch die sensiblen Sensoren auch Signalamplituden oder Echobreite empfängt. Dadurch lassen sich – einfach ausgedrückt – Strukturbeschaffenheiten von Oberflächen unterscheiden.

Basis für Modelle und Ermittlungen
Ein nach der Aufnahme generiertes 3D-Modell dient zur Kollisionskontrolle bei Umbauten in Bestandsanlagen (Umspannwerken, Industrieanlagen, etc.), eine Umgebungsaufnahme für Neubauten oder Naturstanddatenerfassung. Dies ist ein hoch effizienter Weg zur raschen und kostengünstigen Digitalisierung, u. a. auch für Städte und Gemeinden interessant. So können Hauptgebäude, Nebengebäude, Dachflächen, Grundstücksgrenzen (Zäune, Mauern), Kanaldeckel, Schieber, Leuchtmittel, Straßen, Wege, etc. u. a. für die kommunale Vermögensbewertung rasch erfasst werden. Weltweit werden große Abbaustätten mit Laserscan-Befliegungen gemonitort, um eine Historie über Abtragsänderungen zu erhalten, Rutschungen frühzeitig zu erkennen sowie Kubaturermittlungen präzise durchzuführen. Der größte Vorteil des Laserscanners gegenüber der Photogrammetrie ist neben der Höhengenauigkeit auch die Fähigkeit, Bewuchs zu durchdringen.
„Unser Laserscanner ist mit „Mehrziel-Fähigkeit“ ausgestattet. Das bedeutet, dass ein Laserstrahl, der am Boden auf einen Bereich von etwa 10 cm Durchmesser auftrifft, auch Informationen über gestreifte Objekte wiedergibt. So ist es möglich, auch bei dichtem Bewuchs beispielsweise Bäume über dem Waldboden herauszufiltern, um ein lückenloses digitales Geländemodell zu berechnen!“, sagt Gesellschafter und Projektleiter David Monetti von Skyability, wo der Laserscanner auch mobil angewandt wird, um Straßenzüge, Brücken oder komplexe Strukturen zu digitalisieren. Ergänzende Befliegungen mittels ALS Drohne sind dann nötig, wenn man auch Dächer und abgeschattete Bereiche aufnehmen möchte. Die Anforderungen sind so unterschiedlich wie die Möglichketen! Die Genauigkeiten der Laserscanvermessung ist auch für die Digitalisierung von Bauwerken und technischen Anlagen, beispielsweise bei Umspannwerken interessant. Durch die exakte Höheninformation und die hohe Punktdichte von mehreren tausend Punkten pro Quadratmeter lässt sich selbst der Seildurchhang einer Stromleitung präzise bestimmen.

Was darf man mit den Drohnen, wer darf es und wie startet man sein eigenes Drohnenprojekt?
In Österreich regelt die Austrocontrol als zuständige Behörde den Einsatz von Drohnen. Seit Anfang 2014 sind die Regeln für den Einsatz auch im Luft fahrtgesetz verankert. Die Regeln sind klar definiert.

Die Einteilung von Drohnen erfolgt in 2 Kategorien:
Drohnen Klasse 1: Mit Sichtverbindung (Line of Sight Flug)
Drohnen Klasse 2: Ohne Sichtverbindung (Beyond Visual Line of Sight)

Die Zulassungskriterien für Mensch und Maschine richten sich nach der Be triebsmasse sowie dem Einsatzgebiet, in welchem die Drohne bewegt werden soll. Möchte man seine Drohne in dicht besiedeltem Gebiet betreiben, ist neben einer Prüfung des eingesetzten Piloten bei der Austrocontrol auch eine Einzelbewilligung für die eingesetzte Drohne erforderlich. Dabei wird ein Nachweis über die Kenntnis der Luftfahrtregeln gegeben und andererseits werden Sicherheitsfeatures wie „Failsafe-Verhalten“ oder die redundante Ausführung der Drohne überprüft. Über die Luftfahrtregeln sowie die technischen Anforderungen für einen sicheren Betrieb gibt unter anderem die Austrocontrol ausführlich Auskunft! Als Faustformel kann man allerdings heranziehen: Drohnen für den kommerziellen Einsatz sind ab einem Gewicht von etwa 250 g zulassungspflichtig. Viele Unternehmen denken nun daran, Drohnen anzuschaffen und die dadurch entstehenden Möglichkeiten zu nutzen. Die Hürden, die sich durch Zulassung, Investment oder auch die Versicherung auftun, sollten nicht unterschätzt werden. Der nachhaltige Betrieb benötigt ein breites Spektrum an Geräten sowie Sensorik. Nicht zu vernachlässigen sind auch die gesetzlichen Bestimmungen. Reichweite und maximale Betriebshöhe sind durch das Gesetz und nicht durch die technische Machbarkeit reguliert, auch wenn die technischen Möglichkeiten von Gerätschaften auf dem Markt diese oft deutlich übersteigen! Philipp Knopf von Skyability dazu: „Wer eine Drohne pilotiert, selbst Ausführungen ab 250 g, sollte sich seiner Verantwortung bewusst sein und sich mit den bestehenden Regularien intensiv auseinandersetzen! Ein technisches Gerät, das man durch die Luft bewegt, birgt ein gewisses Risiko, daher sollte alles unternommen werden, um dieses zu minimieren! Als Drohnendienstleister sehen wir uns verpflichtet, unseren Kunden den Zulassungsprozess abzunehmen und die Verantwortung zu übernehmen!“

Die Anatomie von Drohnen
Die Einsatzmöglichkeiten von Drohnen sind breit gefächert. So breit wie die Ausstattung und die eingesetzten Sensoriken! Eine gängige Form und allseits bekannt sind sogenannte Multikopter mit stabilisierten Kameras. Je nach Anzahl der Rotoren spricht man beispielsweise von Hexakoptern bei Ausführungen mit sechs Rotoren oder Oktokoptern mit dementsprechend acht Rotoren. Betrieben werden die Drohnen in den meisten Fällen rein elektrisch. Sogenannte LiPos sind die Energiequelle für den Antrieb der Elektromotoren. Die Luftschrauben sind aus Kunststoff oder bei Modellen mit mehr Traglast aus Carbon gefertigt und sind zum Teil so groß wie die Reifen von Fahrrädern! Die Anordnung der Rotoren ist variabel und je nach Einsatzzweck ergeben sich Vor- und Nachteile: Bei einer „flachen“ Bauweise sind alle Rotoren auf der gleichen Ebene und die Rotoren zeigen in die gleiche Richtung. Diese Bauweise erfordert etwas mehr Bauraum, die Abstützbasis ist allerdings größer, was den Kopter stabiler in der Luft macht, allerdings auch windanfälliger! Teilen sich zwei Rotoren eine Motorachse, spricht man von Koaxialbauweise, dadurch erreicht man kompakteren Bauraum und mehr Agilität beim Fliegen, da der Luftwiderstand durch die verringerte Fläche reduziert wird. Diese Multikopter sind in den meisten Fällen mittels GPS Modulen und Gyroskopen stabilisiert, um die Positionierung zu verbessern. In vielen Anwendungen in der Praxis können dadurch Flugrouten schon vor dem Einsatz programmiert werden. Voraussetzung dafür sind allerdings genaue Umgebungsdaten, damit es zu keiner Kollision mit Störkonturen o. Ä. kommen kann. Um dies zu vermeiden, muss auch der Pilot immer in der Lage sein, auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren und in den automatischen Flug jederzeit eingreifen zu können! Nach einer sauberen Planung kann die Drohne dann Flüge vollautonom durchführen! Die Kameras oder Sensoren, die an den Fluggeräten (Trägersystemen) montiert sind, werden oft durch Stabilisierungssysteme – sogenannte „Gimbals“ – von der Bewegung des Kopters entkoppelt. Dadurch erreicht man auch bei Bewegungen durch Richtungsänderungen oder bei einem Ausgleich von Windeinflüssen ein stabiles Kamerabild und wackelfreie Aufnahmen. Als Kameras stehen mittlerweile optische Kameras mit bis zu 100 Megapixel zur Verfügung! Wärmebildkameras für industrielle Anwendungen mit hochauflösenden Sensoren sind da schon schwerer zu integrieren, aber auch hier gibt es beim gut aufgestellten Profi ebenfalls Möglichkeiten! Die „Anatomie“ von Koptern ist also ebenso breit wie ihre Anwendungsgebiete.

„Wir sehen unsere Kopter als reines Werkzeug und wählen diese mit entsprechender Sensorik vor jedem Auftrag individuell aus. Wir haben vom Oktokopter in flacher Bauweise unter 5 kg über 25-kg-Koaxialkopter mit Laserscanner bis hin zum Flächenflügler für die Vermessung großer Gebiete alles in unserem eigenen ‚Hangar‘. Nur so kann ein effizienter, sicherer und nachhaltiger Flugbetrieb sichergestellt werden!“, erklärt Philipp Knopf.

Dienstleistungen mit Drohnen, warum, und für wen? In den letzten Monaten und Jahren steht man immer öfter vor neuen Herausforderungen. Man arbeitet in der Instandhaltung, an Bauprojekten oder im Vermessungsbereich und sieht sich mit der Dokumentation von Objekten, Vermessungen oder der Inspektion konfrontiert. Das Angebot konventioneller Methoden ist bekannt. Drohnen eröffnen hier für viele Unternehmensbereiche neue Möglichkeiten! Die visuelle Inspektion von Bauwerken wie Dächer, Fassaden oder Brücken ist oftmals das erste Anwendungsgebiet, welches einem in den Sinn kommt. Die Dokumentation von Strukturen in luftiger Höhe, die nicht begehbar sind, passiert im Normalfall mit Steigern, Industriekletterern oder über schwere Inspektionsplattformen. Wenn kein Handlungsbedarf besteht, ist es oft eine interessante Alternative, Sichtkontrollen oder ergänzende Prüfungen über Drohnen zu erledigen. Doch nicht nur die visuelle Kontrolle von Bauwerken und Brücken ist interessant. Auch die Vermessung z. B. mittels Laserscanner bietet viele Möglichkeiten. Die zentimetergenaue Vermessung ermöglicht es, statische Kontrollen abzuleiten, Setzungen festzustellen oder einen Nachweis (Abweichungen Planung zu Realität) zu erbringen. Die dabei erstellten Punktwolken können für die BIM Integration genutzt werden. Die Zielgruppe bei der Inspektion reicht also von Anlagenbetreibern, die visuelle Kontrollen benötigen, bis hin zu Architekten, die Bauprojekte planen. Detailreiche Bilder sowie exakte Geodaten liefern viele Informationen, die bislang nur sehr kostenintensiv zu sammeln waren! Eine große Hürde, die Instandhalter noch zu überwinden haben, ist nicht nur, das Bewusstsein für die neue Möglichkeit zu bilden, sondern auch die umfangreichen Daten zu verarbeiten.

„Drohneneinsatz kann den Kunden die Arbeit erleichtern. Diese bekommen so wesentlich genauere Daten, als es bislang der Fall war. Hat man in der Vergangenheit beispielsweise einen Bericht über den Zustand eines Daches bekommen, waren dort nur jene Auffälligkeiten enthalten, die dem jeweiligen Begutachter wichtig erschienen. Nun wird die gesamte Dachfläche dokumentiert und man bekommt bei wiederkehrender Befliegung eine Historie!“, erklärt Lukas Unger, Geschäftsführer von Skyability.

Genauere Daten – bessere Planung Die Vermessungsbranche arbeitet schon lange mit der Auswertung von Luftbildern. Luftbild-Photogrammetrie ist ein etwa 40 Jahre altes Verfahren, das in den letzten Jahren vermehrt auch kleinräumig angewandt wird, da leistungsfähige Drohnen detaillierte Daten sammeln, aus denen zentimetergenaue 3DModelle und/oder Orthofotos berechnet werden. Grundlegend erklärt, läuft der Prozess wie folgt ab: Aus vielen Einzelbildern mit ausreichender Bildüberlappung aus verschiedenen Positionen wird mit Hilfe der GPS-Daten und anschließender Aerotriangulation die Höheninformation von Objekten, die auf mehreren Bildern zu sehen sind, errechnet. Dies ermöglicht hochaufgelöste Orthofotos – also verzerrungsfreie Luftbilder aus der Vogelperspektive – mit Bodenauflösung im Millimeterbereich, digitale Oberflächenmodelle Modellen(DOM) bzw. digitale Gelände Modelle (DGM) für Volumenberechnungen und Projektplanungen in der Bauwirtschaft zu erstellen. Die Einsatzmöglichkeiten für die Photogrammetrie sind vielseitig: Die Ermittlung von Kubaturen zum Zweck der Inventur von Holzlagern oder Deponien, die Erstellung von DGM für Abbaunachweise von Steinbrüchen und Schottergruben, Naturbestandserfassung von Straßenzügen oder die 3D-Modellierung von Gebäuden sind nur einige Beispiele. Ein Beispiel: Das Thema Friedhofsdigitalisierung soll zwei Fragen beantworten, Erstens: „Warum soll ich einen Friedhof digitalisieren?“. Und zweitens: „Wie digitalisiere ich meinen Friedhof?“. Friedhofsverwaltungen arbeiten oft auf Basis uralter Pläne, Sterbebücher oder des Gedächtnisses einzelner Gemeindemitarbeiter. Dabei ist ein Friedhof für Gemeinden eine komplexe Sache. Informationen zu Hinterbliebenen, Termine für Gebührenvorschreibungen oder Zusatzinformationen für Grabungen benötigen eine saubere Datengrundlage. Ist diese nicht vorhanden, kann man sich mit Drohnen hefen. Nach der Befliegung des Friedhofes wird über photogrammetrische Auswertung ein georeferenziertes 3D-Modell generiert. Daraus digitalisiert man teilautomatisiert Grabstellen, Wege, Gebäude und weitere Naturbestände. Die Daten zu jeder Grabstelle werden in der ausgearbeiteten Datei gespeichert. In einem Plan dargestellt und mit einem Luftbild hinterlegt, hat man eine Datengrundlage geschaffen, die in jede Gemeindesoftware integriert werden kann. Und das Ganze einfach, schnell und effizient. Die aufgeführten Anwendungsgebiete sind nur ein kleiner Auszug aus den Möglichkeiten, die der professionelle Drohnendienstleister abdeckt. Nur Letzere können den jeweiligen Job mit dem richtigen Werkzeug und mit Experten wissen durchführen! Zukunft des Drohneneinsatzes Aktuell werden täglich neue Bereiche erschlossen, wo Drohnen zum Einsatz kommen. Autopiloten, GPS-Unterstützung und diverse Sensorik werden speziell für diese entwickelt. Nach allgemeiner Einschätzung wird die Drohnentechnologie vor allem in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI) in den nächsten Jahren in unseren Alltag vermehrt Einzug halten. Neben dem Einsatz von KI bei der Auswertung werden, wie im Automobilsektor, auch „selbstfliegende“ Drohnen eine immer größere Rolle spielen. Das Regulativ ist aktuell ein begrenzender Faktor, der weit unter den technischen Möglichkeiten liegt. Ob das auch in Zukunft so bleibt, wird sich zeigen!

Philipp Knopf / Skyability GmbH
www.skyability.com