Erfassung von Umweltdaten

Motivation

Der Stuttgarter Adler wird zur Fernerkundung von Umweltdaten, welche z. B. für die Landwirtschaft von Bedeutung sind, eingesetzt. Umweltdaten flächenhaft, detailliert, kostengünstig und in kurzen Zeiträumen zu erfassen stellt eine Herausforderung dar, die von bisher üblichen Plattformen wie bemannten Flugzeugen und Satelliten nur unzureichend erfüllt wird. Satellitendaten sind zeitlich an den entsprechenden Orbit gebunden und dadurch sehr von Wetterbedingungen beeinträchtigt. Zeitlich hoch aufgelöste Beobachtungen sind zwar mit geostationären Satelliten möglich, erreichen aber nur eine geringe räumliche Auflösung. Bemannte Befliegungen dagegen sind zwar zeitlich flexibler und ermöglichen eine räumlich gut aufgelöste Beobachtung, allerdings sind sie auch sehr teuer und daher nur für größere Gebiete und Projekte geeignet. Ein weiterer Vorteil des Modellflugzeuges ist die flächenhafte Erfassung von Umweltdaten aus nur 300m Flughöhe, wodurch exaktere Daten gewonnen werden können, da der Einfluss der Atmosphäre geringer ist als bei bemannter Befliegung oder gar Satellitendaten.

Daher wird am Institut für Raumfahrtsysteme derzeit der Einsatz einer neuartigen Plattform für Fernerkundung untersucht und erprobt. In den letzten Jahren ist hier in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugzeugbau ein Modellflugzeug entwickelt und anschließend mit Instrumenten ausgestattet worden, welche sich für wissenschaftliche Fernerkundung eignen.

Anwendungen

Durch die Erfassung von Strahlungsdaten im grünen, roten und nahen Infraroten Spektralbereich können sowohl Boden- wie auch Vegetationseigenschaften abgeleitet und untersucht werden. Aus dem spektralen Verlauf der Reflektanz von Pflanzen können beispielsweise Rückschlüsse auf deren Wachstumsstadium und Photosyntheseaktivität gezogen werden. Signifikante Veränderungen der Reflektion ermöglichen die Unterscheidung verschiedener Stressfaktoren wie Nährstoffmangel und Krankheitsbefall.

Die Thermalkamera bietet die Möglichkeit, scheinbare Oberflächentemperaturen zu messen. Vielfältige Anwendungsgebiete wie Überwachung von Deponien und ähnlichem sind damit möglich. Zusammen mit den Instrumenten im sichtbaren und nahinfraroten Bereich können zum Beispiel Oberflächenfeuchtigkeit oder der Zustand von Pflanzen bestimmt werden.

Zurzeit werden Felder von 10 bis 20 ha überflogen. Diese Größe eignet sich für detaillierte Untersuchung wie sie im Rahmen von Forschungsarbeiten zum „Precision Farming“ durchgeführt werden. Ein Flug dauert ca. 20 Minuten, das Auslesen der Daten noch einmal etwa so lange. Werden Start, Landung und Instrumentenwechsel berücksichtigt, kann pro Stunde etwa ein Flug durchgeführt werden. Die Plattform ist in einem PKW oder im Kofferanhänger leicht zu transportieren. Nach Ankunft am Messort ist das Flugzeug innerhalb einer halben Stunde abflugbereit.

Für die genaue Bestimmung der geografischen Position der Aufnahmen werden vor Messflügen im Gebiet Passpunkte ausgelegt, die in den Bildern gut sichtbar sind. Die Koordinaten der Passpunkte werden mit einem GPS-Handmessgerät bestimmt, welches das am Ihinger Hof eingerichtete differenzielle GPS-System verwendet. Dies ermöglicht Positionsmessungen mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern, was besonders vorteilhaft ist, wenn die Bilddaten später mit Bodenproben in Verbindung gebracht werden sollen.

Beispiel Vegetation

In Abbildung 1 ist der Ausschnitt eines farbigen Bildes dargestellt, in dem der blaue Kanal die grüne Aufnahme darstellt, der grüne Kanal die rote Aufnahme und der rote Kanal die Aufnahme im nahen Infrarot (NIR). Solche Falschfarbendarstellungen werden häufig für die Untersuchung von Vegetation verwendet, da hier aktive Vegetation auffällig hervor tritt: Aufgrund des Chlorophylls reflektieren gesunde Pflanzen im nahen Infrarot sehr viel stärker als im sichtbaren Wellenlängenbereich. Im Falschfarbenbild zeigt die rote Farbe also besonders aktive Vegetation wie Maispflanzen (im Bild links unten) und Büsche (rechts oben). Der dazwischen liegende Bereich ist mit Weizen bewachsen, der bereits ausgereift ist (die Ernte fand wenige Tage nach der Aufnahme statt) und daher keine Photosynthese mehr betreibt. Das rechte Bild zeigt den normalisierten Differenzen-Vegetationsindex, der aus dem roten und NIR Kanal des linken Bildes nach folgender Formel berechnet wurde:

Abb. 1: Ausschnitt aus einem 3-Kanal-Bild grün-rot-NIR und dem daraus berechneten NDVI.

Untersuchung von Bodeneigenschaften

Im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Bodenkunde und Standortslehre der Universität Hohenheim wurden mehrere Befliegungen von Feldern der Versuchsstation für Pflanzenbau und Pflanzenschutz am Ihinger Hof, Renningen, durchgeführt. Dabei sind die Bodeneigenschaften anhand von Bodenproben, die durch Mitarbeiter der Universität Hohenheim genommen und analysiert werden, zeitnah zu den Flügen kartiert worden. Anhand dieses Beispiels wird eine erste praktische Anwendung des Stuttgarter Adlers zur Fernerkundung der Umwelt demonstriert.