Fernerkundungsdrohnen: „Elf“ ist ein wichtiger Einsatzbereich

In den letzten Jahren haben unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), ausgestattet mit Missionsnutzlasten wie Kameras und gesteuert von Piloten oder autonom durch Flugsteuerungssysteme, eine immer wichtigere Rolle in der Fernerkundung gespielt. Anwendungen wie Vermessung und Kartierung, Katastrophenschutz und Notfallhilfe lassen sich damit zu einem festen Bestandteil der Fernerkundungstechnologie entwickeln. Aufgrund ihrer geringen Mobilität, ihrer niedrigen Flughöhe, ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung, ihrer vielfältigen und flexiblen Nutzlastkonfigurationen und anderer Eigenschaften werden UAVs oft als „Elf“ der Fernerkundung bezeichnet. Doch gerade dieses „Elf“ hat ein enormes Potenzial! Ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) ist ein motorbetriebenes Fluggerät ohne Pilot, das durch aerodynamische Kräfte den nötigen Auftrieb erzeugt, autonom oder ferngesteuert fliegen kann, wiederverwendbar ist und sowohl tödliche als auch ungefährliche Missionsnutzlasten transportieren kann, beispielsweise zum Fotografieren, Abspielen von Medikamenten oder Tonaufnahmen.

Drohnen sind keine Neuheit, ihre Entwicklung reicht Jahrhunderte zurück. 1917 kombinierte das Royal Aeronautical Institute in Großbritannien Aerodynamik, Leichtbaumotoren und Funktechnik, um das weltweit erste unbemannte Flugzeug zu entwickeln. Im Dezember desselben Jahres gelang dem amerikanischen Erfinder Elmer Spee der Erstflug eines „Lufttorpedos“ mithilfe eines von ihm entwickelten Gyroskops und eines von der Western Electric Company (USA) entwickelten Funksteuerungssystems. Anfangs wurden Drohnen hauptsächlich militärisch eingesetzt. Mit Beginn des 21. Jahrhunderts und der rasanten Entwicklung moderner Elektronik, Präzisionsmaschinen, Navigations- und Positionierungstechnologien sowie Fernerkundung und verwandter Technologien hat sich der Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge im zivilen Bereich immer weiter verbreitet und eine eigene Industrie entwickelt.

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) lassen sich nach Einsatzfunktion, aerodynamischer Form, Antriebsart, Größe und Gewicht, Fluggeschwindigkeit, Aktionsradius, Flughöhe und weiteren Kriterien klassifizieren. Nach ihrer Einsatzfunktion werden Drohnen in Militärdrohnen, zivile Drohnen und Konsumdrohnen unterteilt. Militärdrohnen lassen sich in Aufklärungsdrohnen, Drohnen für elektronische Kampfführung, Kommunikationsrelais-Drohnen, Angriffsdrohnen und unbemannte Zieldrohnen unterteilen. Zivile Drohnen dienen verschiedenen Zwecken wie Inspektion, Überwachung, Kartierung und Aufklärung sowie der Landwirtschaft. Konsumdrohnen werden hauptsächlich für Freizeitzwecke wie private Luftbildfotografie und Spiele eingesetzt.

Nach ihrer aerodynamischen Bauweise lassen sich UAVs in Starrflügler, Drehflügler, Flügelschlag-UAVs und Kombinationsmodelle unterteilen. Starrflügler nutzen einen Antrieb, um im Flug Vortrieb oder Zug zu erzeugen. Das Hauptflügelprofil, das den Auftrieb erzeugt, ist relativ zum Rumpf fest und unveränderlich. Hauptbauformen sind die konventionelle Bauweise, die Entenbauweise, die schwanzlose oder Nurflügler-Bauweise sowie die Dreiflügelbauweise. Die Rotorblätter von Drehflüglern rotieren während des Fluges relativ zum Rumpf. Man unterscheidet unbemannte Hubschrauber, Multikopter-Drohnen und unbemannte Drehflügler. Die ersten beiden UAV-Typen werden direkt angetrieben und können senkrecht starten und landen sowie schweben, während die Rotoren unbemannter Drehflügler antriebslos sind. Ornithopter-UAVs nutzen die Flügelschlagbewegung von Vögeln, um Auftrieb und Vortrieb zu erzeugen. Diese Bauweise eignet sich für kleine und miniaturisierte UAVs. UAVs mit zusammengesetztem Layout bestehen aus einer Kombination von Basistypen, hauptsächlich aus Kipprotor-UAVs und Drehflügler-/Festflügler-UAVs.

Nach Antriebsart werden UAVs hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: ölbetriebene UAVs und elektrisch betriebene UAVs. In den letzten Jahren wurden kontinuierlich UAVs mit Solarenergie und Wasserstoff-Brennstoffzellen als Hauptantriebsquelle entwickelt.

Drohnen lassen sich nach Größe und Gewicht in Mikrodrohnen, leichte Kleindrohnen, kleine Drohnen, mittelgroße Drohnen und große Drohnen unterteilen. Mikrodrohnen wiegen in der Regel weniger als 1 Kilogramm und sind kleiner als 15 Zentimeter. Das Gewicht leichter Kleindrohnen liegt üblicherweise zwischen 1 und 7 kg, das Gewicht kleiner Drohnen zwischen 1 und 200 kg und das Gewicht mittelgroßer Drohnen zwischen 200 und 500 kg.

Drohnen sind mittlerweile bei vielen Kindern und Erwachsenen gleichermaßen beliebt – die sogenannten „neuen Lieblingsspielzeuge“. Konsumentendrohnen basieren in der Regel auf kostengünstigen Multikoptern und werden hauptsächlich für Luftaufnahmen, Spiele und andere Freizeitaktivitäten eingesetzt. Der chinesische Markt für Konsumentendrohnen erlebte um 2012 einen regelrechten Boom. Zuvor wurden Drohnen vorwiegend industriell genutzt, und der Konsumentenmarkt beschränkte sich im Wesentlichen auf Modellflugzeugbegeisterte und Hobbyflieger. Aktuell verzeichnet die chinesische UAV-Industrie einen rasanten Aufschwung. Neben Forschungseinrichtungen und Universitäten im Bereich Luft- und Raumfahrt engagieren sich auch zahlreiche private Unternehmen in Forschung und Entwicklung. Die zivile UAV-Forschung und -Entwicklung sowie deren Anwendung laufen auf Hochtouren, und Chinas UAV-Anwendungen im Unterhaltungsbereich und anderen Feldern gehören weltweit zu den führenden.

Die sich rasant entwickelnden unbemannten Luftfahrzeuge (UAVs) haben sich zu einer aufstrebenden Fernerkundungsplattform entwickelt, die nach der Ausstattung mit verschiedenen Fernerkundungsgeräten in den Bereichen Landluftbildvermessung, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Pflanzenschutz, Atmosphärenbeobachtung, Katastrophenhilfe, Landesverteidigung und Sicherheit weit verbreitet eingesetzt wird.

Die UAV-Fernerkundung bietet ultrahohe Auflösung und hohe Aufnahmefrequenz und ergänzt damit die Satellitenfernerkundung. Im Vergleich zur bemannten Fernerkundung zeichnet sie sich durch ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis und höhere Manövrierfähigkeit aus. Die Echtzeitbeobachtung mittels UAV-Fernerkundung ist mit den derzeitigen Satellitenplattformen nur schwer zu realisieren. Satellitenfernerkundung liefert zwar Bilder mit einer Auflösung im Submeterbereich, doch je höher die Auflösung, desto länger die Überflugintervalle der Satelliten. UAV-Bilder hingegen liefern Bodeninformationen mit einer Auflösung im Zentimeterbereich oder sogar darüber hinaus. Dabei besteht kein Widerspruch zwischen hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, und die dialektische Einheit von Raum und Zeit wird kostengünstig erreicht. Die Entstehung und rasante Entwicklung der UAV-Fernerkundung hat die Fernerkundungsforschung einen großen Schritt vom Makro- zum Mikrobereich gemacht. Im Vergleich zu den hohen Kosten und der zentralisierten Verwaltung von Satellitenplattformen ermöglicht die UAV-Plattform die breite Anwendung von Fernerkundungsdaten und macht die Fernerkundung für den Endnutzer zugänglich.

Dank der einzigartigen Vorteile der UAV-Fernerkundung lassen sich viele Anwendungsbereiche, in denen Satellitendaten bisher nur unzureichend oder gar nicht nutzbar waren, nun mithilfe von UAVs erfolgreich umsetzen. So ermöglicht beispielsweise die hyperspektrale UAV-Fernerkundung die Klassifizierung und Identifizierung von Oberflächenarten, die Erkennung und Identifizierung invasiver Arten und die Bereitstellung von Daten zur Unterstützung des Umweltschutzes. Darüber hinaus bietet die UAV-Fernerkundung optimale Bedingungen für die Probenahme und Datenerfassung in extremen Umgebungen, liefert Primärdaten für zahlreiche Studien und trägt zu einer Reihe neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse bei. Seit 2010 unterstützt die NASA den Aufbau eines Feinstruktursystems für Taifune, nachdem sie die Zugbahnen von fünf atlantischen Hurrikanen erfolgreich mit der Höhen- und Langstrecken-Drohne GlobalHawk überwacht hat. Im Jahr 2017 filmte ein multinationales Forscherteam mithilfe von Drohnen, die mit Kameras und anderen Sensoren ausgestattet waren, den Ausbruch eines Vulkans in Feuerland, Guatemala, um die Daten zu erfassen und den dynamischen Prozess zu modellieren.

Besonders hervorzuheben ist die Schlüsselrolle der UAV-Fernerkundung bei der Katastrophenüberwachung. In den letzten Jahren kamen Drohnen bei großen Naturkatastrophen zum Einsatz: So wurde beispielsweise bei den Rettungsmaßnahmen nach dem Erdbeben in Wenchuan 2008 Drohnen-Fernerkundungstechnologie verwendet. Auch bei späteren Großkatastrophen wie dem Erdrutsch in Maoxian (Sichuan), der Ölpest in Dalian, dem schweren Chemieunfall im Hafen von Tianjin und anderen Hilfseinsätzen spielten Drohnen eine wichtige Rolle.

Im Bereich der industriellen Anwendung hat sich die Drohneninspektion von Infrastrukturen in der Öl- und Gasindustrie, der Energieübertragung und Photovoltaikanlagen etabliert. Auch in einigen Regierungsbehörden werden Drohnen schrittweise in die Arbeitsabläufe integriert, beispielsweise von Umweltschutzbehörden zur Inspektion und Sanierung von Abwassereinleitungen in Flüssen. Die hochfrequente und reaktionsschnelle Drohnenplattform sowie die zentimetergenauen Drohnenbilder unterstützen den täglichen Arbeitsablauf von Umweltschutzbehörden maßgeblich.

Aufgrund ihrer Bequemlichkeit, Flexibilität und hohen öffentlichen Beteiligung ist die Drohneninnovation sehr aktiv und entwickelt sich rasant. Die enge Verknüpfung von UAV-Fernerkundung mit anderen verwandten technischen Bereichen hat eine Vielzahl von umfassenden Anwendungen aufgezeigt, die als „Fernerkundung +“-Anwendung von UAVs bezeichnet werden. Beispielsweise ist die UAV-Fernerkundung bei der Echtzeitübertragung von „Fernerkundungs ​​+ Daten“ von großer Bedeutung für Militär, Katastrophenschutz und Rettungseinsätze. Viele Maßnahmen zur Überwachung der inneren Sicherheit und zur Katastrophenhilfe basieren auf UAV-Fernerkundung und Echtzeitübertragung, um zeitnahe Informationen für die Entscheidungsfindung bereitzustellen.

Im Hinblick auf die Technologie „Fernerkundung + Echtzeit-Positionierung und Kartenerstellung (SLAM)“ verbessert die Kombination von UAV und SLAM die Navigation und Hindernisvermeidung von UAV und bietet wichtige Anwendungsperspektiven in der intelligenten Datenerfassung und dem autonomen Flug von UAV.

Im Bereich „Fernerkundung + Entscheidungsfindung und Ausführungstechnologie“ wurde die Integration von „UAV-Fernerkundung + Identifizierung + Aufgabenplanung + Aufgabenausführung“ erreicht. Beispielsweise ermöglicht die Drohnenfernerkundung die Überwachung landwirtschaftlicher Feldbedingungen, die Erstellung von Behandlungsplänen für Krankheiten und Schädlinge, die Planung optimaler Routen, die präzise Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln sowie die Integration statischer Fernerkundungsdaten mit Echtzeit-Entscheidungsfindung und -Umsetzung.

Im Bereich „Fernerkundung + Flugroutenplanung in niedriger Höhe“ liegt der aktuelle Bedarf an vielfältigen UAV-Anwendungen hauptsächlich im niedrigen Flugniveau. Die meisten „niedrigen, langsamen und kleinen“ UAVs operieren im bodennahen Luftraum unter 500 Metern. Die Oberflächenbeschaffenheit in diesem Luftraum ist vielfältig, die Bedingungen komplex und die Flugsicherheit sowie die Effizienz sind stark beeinträchtigt. Daher gewinnen Flugrouten in niedriger Höhe, insbesondere öffentliche Flugrouten für UAVs in urbanisierten Gebieten, an Bedeutung und erfordern eine sorgfältige Planung. Die Effizienz der Datenerfassung über traditionelle statistische Verfahren ist gering. Die Nutzung hochauflösender und dynamischer UAV-Fernerkundungsdaten in urbanen Gebieten zur Unterstützung der Flugroutenplanung in niedriger Höhe hat sich daher zu einem wichtigen Forschungsfeld entwickelt, in dem China eine Vorreiterrolle einnimmt.

Im Bereich „Fernerkundung + regionale Vernetzung“ ist die Fernerkundungsleistung von UAVs zwar sehr hoch und die räumliche Auflösung groß, die Abdeckungsfläche jedoch gering. Daher ist es schwierig, den Bedarf an UAV-Fernerkundung in großflächigen regionalen Anwendungen zu decken. Beispielsweise werden durch ein bestimmtes Organisationsmodell und ein entsprechendes technisches System nationale, verteilte UAV-Fernerkundungsressourcen geplant und eingesetzt, um ein großflächiges, hochfrequentes und schnell reagierendes Fernerkundungsüberwachungssystem mit Zentimeterauflösung aufzubauen und so großflächige Messaufgaben zu erfüllen. Generell hat die Anwendung und Entwicklung von UAVs einen branchenweiten Trend hervorgebracht, und mit der starken Nachfrage und der starken Unterstützung durch neue Technologien ist eine weitere positive Entwicklung von UAVs zu erwarten.