Schäden im Wald aus der Vogelperspektive aufspüren

Für die UAV-Befliegung wurde eine senkrecht startende Starrflügler-Drohne eingesetzt. Diese Technologie erlaubt das flexible Starten und Landen auf kleinen Flächen ähnlich einem Hubschrauber. Sobald die Drohne eine ausreichende Höhe über den Baumkronen erreicht hat, geht sie in den Vorwärtsflug über. Mit dieser Technologie lassen sich deutlich größere Flächen abdecken als mit herkömmlichen Quadrocoptern. Das UAV-Gerät war mit einer hochauflösenden RGB-Kamera ausgerüstet, die – wie herkömmliche Kameras auch – Fotos im sichtbaren Spektralbereich aufnimmt. Zudem war das Fluggerät mit einem hochpräzisen GPS-Empfänger ausgestattet. Dieser diente als Grundlage für die Erfassung der Bilddaten mit einer Lagegenauigkeit im Dezimeterbereich.

Zur Befliegung des Naturwalds waren insgesamt sechs Einzelflüge von unterschiedlichen Startplätzen aus notwendig. Jeder Einzelflug erfolgte von einem anderen Startplatz. Zur Kartierung der Waldflächen wurde für jeden Flug ein Flugplan mit parallel verlaufenden Fluglinien erstellt, der das jeweilige Teilgebiet systematisch abdeckte. Die gesamte UAV-Befliegung konnte innerhalb eines halben Tages abgeschlossen werden.

Das UAV nimmt pro Flug über tausend Einzelfotos auf, die sich stark überlappen. Der hohe Überlappungsgrad ist eine Voraussetzung für die nachfolgende Bildverarbeitung. Diese erfolgte über ein spezielles Softwarepaket, mit dem sowohl ein hochaufgelöstes Oberflächenmodell als auch ein zusammenhängendes Orthophoto (Bildmosaik) mit einer räumlichen Auflösung von 3 cm erstellt wurde.

• Rotbraun und grau verfärbte Fichten in der luftbildsichtbaren Oberschicht sind sowohl in den UAV-Orthophotos (Abbildungen 3a, 3c und 3e) als auch in den Fast-Orthophotos (Abbildungen 3b, 3d und 3f) visuell sehr gut erkennbar.
• Erwartungsgemäß ist in den UAV-Orthophotos aufgrund der höheren räumlichen Auflösung mehr Kronenstruktur zu sehen. Farbliche Variationen wie vollständige oder teilweise Verfärbung einzelner Kronen sind besser identifizierbar (Abbildung 3a); UAV-Bilddaten sind zur Identifizierung einer beginnenden, rotbraunen Verfärbung deshalb etwas besser geeignet. Diese leichten Kronenverfärbungen sind im Fast-Orthophoto (Abbildung 3b) nicht so deutlich ausgeprägt, aber trotzdem feststellbar.
• In Abbildung 3d erscheint die rotbraune Verfärbung im Fast-Orthophoto im Vergleich zum UAV-Orthophoto (Abbildung 3c) etwas kräftiger. Die Trennung zu grau verfärbten Fichten fällt hier in den Fast-Orthophotos etwas leichter.
• In den UAV-Bilddaten sind Lücken im Kronendach besser ausgeleuchtet (Abbildungen 3a und 3e). Im Vergleich dazu ist in den Fast-Orthophotos (Abbildungen 3b und 3f) die Verschattung in den Kronenlücken stärker ausgeprägt, wodurch hier kleinere verfärbte Bäume im Schattenbereich teilweise nicht mehr sichtbar sind.

Abbildung 4a zeigt den Zusammenhang zwischen der Flächengröße [km²] eines Befliegungsgebietes und der Bereitstellungszeit [Arbeitstage] für die Erstellung von Fast-Orthophotos. Unter der Bereitstellungszeit wird hier die Anzahl der benötigten Flugtage plus der erforderliche Zeitraum für die Berechnung der Orthophotos verstanden. Dieser Zusammenhang wurde auf der Grundlage von drei Fast-Orthophoto-Bildflugaufträgen der LWF für unterschiedliche Projektgebiete hergeleitet. Die Darstellung basiert allerdings auf der Annahme, dass es keinerlei Verzögerungen durch ungünstiges Flugwetter gibt. In der Praxis kann es allerdings durchaus zu Verzögerungen kommen.

In Abbildung 4b wird die geschätzte Bereitstellungszeit für UAV-Orthophotos gezeigt. Die Darstellung beruht auf bisherigen Erfahrungswerten der LWF. Die hier dargestellte Bereitstellungszeit basiert auf der Annahme, dass das Gebiet aufgeteilt und parallel von zwei Drohnenpiloten mit zwei Drohnen beflogen wird. Analog zur Befliegung mit dem Flugzeug wurde auch hier davon ausgegangen, dass keine zeitlichen Verzögerungen durch ungünstige Witterungsverhältnisse entstehen.

In Abbildung 5 sind ausgewählte Eigenschaften der UAV- und Fast-Orthophotos aufgeführt. Grundsätzlich zeigte sich im Forschungsprojekt FastOrtho, dass rotbraun oder grau verfärbte Fichten in der luftbildsichtbaren Oberschicht sowohl in den UAV-Photos als auch in den Fast-Orthophotos visuell sehr gut erkennbar sind. Für eine manuelle Kartierung dieser späteren Befallsstadien können demnach beide Datensätze eingesetzt werden. Eine Früherkennung von befallenen Fichten mit noch grünen Kronen ist allerdings weder mit den Luftbilddaten vom UAV noch mit denen vom Flugzeug möglich.

Die bisherigen Erkenntnisse aus dem Projekt liefern erste Anhaltspunkte, um bei zukünftigen Anwendungen abwägen zu können, welches Flugsystem für die jeweilige Fragestellung geeignet ist. Bei dieser Abwägung spielen zahlreiche Faktoren wie Gebietsgröße, Gebietsausformung, Topographie und die benötigte Bodenauflösung der Bilddaten eine wichtige Rolle. Generell lässt sich sagen, dass eine UAV-Befliegung für kleinere Flächen zu empfehlen ist, wenn räumlich sehr hochaufgelöstes Bildmaterial benötigt wird. Für großflächige Einsätze mit geringeren Ansprüchen an die Lagegenauigkeit, aber schneller erforderlicher Reaktionszeit (z. B. Borkenkäferbefall), sind Fast-Orthophoto-Bildflüge geeignet. Lagegenaue True-Orthophotos aus einer größerflächigen Flugzeug-Befliegung empfehlen sich für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsansprüchen, aber geringerem Zeitdruck.