Um Ressourcen effizient zu nutzen und die Produktivität bei der Saatguternte zu maximieren, ist die vorhergehende Einschätzung von Ertrag und Qualität des Saatguts in den Baumbeständen entscheidend. Traditionelle Methoden der Erntebewertung sind jedoch oft zeitaufwendig und ressourcenintensiv. Drohnen bieten eine kostengünstige Plattform für die Erfassung hochauflösender Bilddaten und haben sich als wertvolle Werkzeuge in der Land- und Forstwirtschaft erwiesen. Im Projekt UAV-SEE arbeiten die Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) und das Amt für Waldgenetik (AWG) zusammen, um die Einsatzmöglichkeiten von Drohnen zur Erstellung von Luftbildern und zur Probenentnahme direkt aus den Baumkronen zu untersuchen.
Abb. 1: Quadkopter mit montiertem Greifarm inklusive Kamera wird für den Start vorbereitet. Foto: Tobias Hase
Drohnenbilder als Basis für die Ernteprognose
Drohnenbilder und sogenannte Orthophotos werden zur Ernteprognose und Bestandsaufnahme genutzt. Orthophotos bieten eine entzerrte, georeferenzierte und maßstabsgetreue Darstellung der Erdoberfläche, was präzise und konsistente Analysen ermöglicht. Die Datenaufnahme umfasst die Planung des Drohnenflugs und die Nachbearbeitung der Bilder mit spezieller Photogrammetrie-Software, um ein nahtloses und genaues Orthophoto zu erstellen. Diese Methode ermöglicht das Zählen und Schätzen von Saatgut und die Zuordnung zu einzelnen Bäumen, was wertvolle Informationen zur Bewirtschaftung liefert.
Abb. 2: Ausschnitt eines Orthophotos, der zwei Weißtannen zeigt. Eine mit deutlich sichtbaren Zapfen und eine bereits abgeerntete Tanne.
Durch die Verwendung von Methoden des maschinellen Lernens können Orthophotos automatisch analysiert werden, um produktive von weniger produktiven Bäumen zu unterscheiden. Dies liefert wertvolle Informationen zur Bewirtschaftung und Optimierung der Ernteprozesse.
Bei der Nutzung von drohnengetragenen Kameras zur Ernteprognose ist die Auflösung sehr hoch anzusetzen, insbesondere bei Bäumen mit kleinen Samen wie der Buche. Um zu niedrige Flughöhen zu vermeiden, sind demnach besonders hochauflösende Kameras erforderlich. Optimale Wetterbedingungen sind von Vorteil: Es sollte wenig bis kein Wind herrschen; eine durchgehende Bewölkung sorgt für diffuses Licht und damit eine gleichmäßige Ausleuchtung der Baumkrone und vermindert zudem Schattenwurf.
Abb. 3: DJI Matrice 210 RTK Drohne hebt für einen Probeflug ab. Foto: Tobias Hase
Für optimale Orthophotos wird der Flug im Doublegrid-Muster empfohlen. Unter schwierigen Bedingungen sollte die Drohne für jedes Bild sogar kurz anhalten, um die Bildqualität zu maximieren. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu langen Flugzeiten, wodurch nur kleinere Flächen pro Flug erfasst werden können. Zusätzlich sind für die Ernteprognose mit der Kamera viele und hochwertige Trainingsdaten von unterschiedlichen Baumarten und deren Samen notwendig, um Deep-Learning-Modelle effektiv zum Auszählen der Samen zu nutzen. Aufwändige manuelle Labelarbeiten sind erforderlich, um diese Trainingsdaten zu erstellen.
Für die direkte Probenentnahme verwenden wir einen drohnengetragenen Greifarm. Diese Technologie erlaubt die Entnahme von Astproben für DNA-Analysen und Samenproben zur Qualitätssicherung, die sonst nur aufwendig zu gewinnen sind. Der Greifarm wird an einer Trägerdrohne montiert. Er besteht aus einem Greifer und einer kleinen Kreissäge, die mit einem eigenen Akku betrieben wird. Die Steuerung erfolgt über eine separate Fernbedienung, die mit einem Display ausgestattet ist, das den Greifvorgang in Echtzeit visualisiert. Dies ermöglicht ein präzises Anfliegen, Greifen und Schneiden der Äste.
Für den Einsatz des Greifarms wird eine DJI Matrice 210 RTK Drohne inklusive Bodenstation verwendet. Hinzu kommen 14 Drohnen-Akkus. Die Drohne benötigt für den Betrieb zwei Akkus, bei 14 Akkus können daher sieben Flüge von jeweils etwa 15-20 Minuten bewerkstelligt werden. Oberhalb des Greifarms ist eine Kamera angebracht, die den Greifvorgang aufnimmt.
Astproben per Drohne entnehmen erspart Kletterei
Der Ablauf der Probenahme beginnt mit der Festlegung der Ausrichtung des Greifarms (vertikal, horizontal oder eine Zwischenstellung), abhängig von der Wuchsrichtung der Äste. Die Drohne wird dann gestartet und auf eine sichere Höhe manövriert. Anschließend wird der Probebaum angesteuert und mithilfe der Kamera ein geeigneter Ast ausgewählt. Sobald der Ast in Reichweite des Greifarms ist, wird die Greifsequenz ausgelöst. Der Greifarm packt den Ast und drückt ihn an das rotierende Sägeblatt, bis der Ast durchtrennt ist. Der Greifarm bleibt geschlossen und der Ast kann sicher transportiert werden.
Abb. 4: Anfliegen des gewünschten Probeastes und Auslösen der Greif- und Schneidesequenz. Foto: Andreas Müller (AWG)
Abb. 5: Sicherer Transport der Astprobe zum Piloten. Foto: Andreas Müller (AWG)
Abb. 6: Perspektive der Greifarmkamera. Ein horizontal ausgerichteter Greifarm wird an den Probeast gesteuert. Foto: Simon Ecke (LWF)
Abb. 7: Perspektive der Greifarmkamera. Die Greif- und Schneidsequenz wird ausgelöst. Foto: Simon Ecke (LWF)
Diese Methode ermöglicht eine schonende, sichere und effiziente Probenahme ohne aufwändige und gefährliche Kletteraktionen. Durch den Einsatz dieser Technologie konnten wertvolle wissenschaftliche Daten zur Analyse von Baumkrankheiten und genetischen Informationen gewonnen werden.
Abb. 8: Erfolgreich entnommene Astprobe einer Douglasie inklusive Zapfen. Foto: Andreas Müller (AWG)
Abb. 9: Schnittstelle einer Astprobe von einer Waldkiefer. Foto: Simon Ecke (LWF)
Herausforderungen und Grenzen der Technik
Die Geschwindigkeit der Probenahme mit dem Greifarm hängt stark von der Komplexität der Waldbestände ab. Entscheidend ist die Einsehbarkeit in die Baumkronen, eventuelle Hanglagen, die zu beprobende Baumart selbst und natürlich die Erfahrung des Drohnenpiloten. Es ist wichtig, dass die Äste gut mit dem Greifarm zu packen sind. Knorrige und stark verästelte Zweige lassen sich nur schwer greifen und können die Dauer der Probenahme stark verlängern. Für den Einsatz sind mindestens zwei Personen notwendig: ein Pilot und ein Beobachter. Dies dient einerseits der Sicherheit und andererseits, um die Probebäume optimal anzusteuern.
Die wichtigste Limitierung ist die Anzahl der verfügbaren Akkus. Pro Flug können Proben von etwa zwei bis vier unterschiedlichen Bäumen entnommen werden. Da die Drohne zwei Akkus für den Betrieb benötigt, können mit den 14 Akkus, die uns zur Verfügung stehen, sieben Flüge durchgeführt werden. Auf diese Weise können Proben von 15 bis 30 Bäumen gesammelt werden. Ein erfahrenes Team kann bei unlimitierter Anzahl an Akkus schätzungsweise 40 bis 80 Bäume pro Tag beproben, wobei dies stark von der Baumart und der Komplexität des Waldbestandes abhängt.
Bei einsetzendem Regen und zu starkem Wind muss der Drohnenflug jedoch unterbrochen werden.
Fazit
Die Einschätzung des Ertrags und der Qualität von Saatgut in Baumbeständen ist von entscheidender Bedeutung, um die Produktivität zu maximieren, Ressourcen effizient zu nutzen und die Versorgungssicherheit mit hochwertigem Saatgut zu gewährleisten. Traditionelle Methoden der Erntebewertung sind oft zeitaufwendig und ressourcenintensiv. Der Einsatz von Drohnen bietet eine kostengünstige Plattform für die Erfassung hochauflösender Bilddaten und die Entnahme von Proben direkt aus den Baumkronen. Unser Projekt UAV-SEE zeigt, wie in der Forstwirtschaft innovative Drohnentechnologien zur Fernerkundung und zur Probenahme eingesetzt werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, die Qualität der Saatguternte zu optimieren und so die Gesundheit und Nachhaltigkeit der Wälder zu sichern.