Im Rahmen einer Outdoor-Veranstaltung haben Forschende der GFZ-Sektion 1.4 „Fernerkundung und Geoinformatik“ zusammen mit Kolleg:innen anderer Sektionen die Potenziale der GFZ-Drohnentechnologie eindrucksvoll demonstriert. Eingeladen waren auch Forschende aus benachbarten Instituten. Dabei ging es auch darum, weitere Kooperationen über Sektions- und Institutsgrenzen hinaus anzubahnen.

Ob als Kopter oder Gleiter, ausgestattet mit Laser-, Radar- oder Hyperspektral-Sensoren, groß oder klein und handlich – Drohnen leisten wichtige Dienste für die Forschung am GFZ: zum Monitoring von Wäldern, Mooren oder Gewässern, zur Analyse von Vulkanen, Landschaften und  Naturkatastrophen, zur Kartierung von Mineralien oder Pflanzen und bei vielem mehr.

Im Rahmen der kontinuierlichen Verbesserung seiner Forschungskapazitäten hat das GFZ in den letzten Jahren strategische Investitionen in neue Drohnenplattformen getätigt, die auf spezifische Forschungsbedürfnisse zugeschnitten sind. Die mit hochspezialisierten Sensoren ausgestatteten Drohnensysteme wurden zusammen mit externen Partnern speziell zur Beantwortung wichtiger wissenschaftlicher Herausforderungen entwickelt.

Grußwort von Susanne Buiter, Wissenschaftliche Vorständin des GFZ

Susanne Buiter betonte in ihrem Grußwort unter anderem die vielen Dimensionen, die mit dem Einsatz hochmoderner Drohnentechnologie verbunden sind:

„Dieses Drohnen-Event ist eine wunderbare Idee und eine großartige Gelegenheit, sich sowohl innerhalb des GFZ als auch mit potenziellen externen Partnern zu vernetzen und über neue Anwendungsfelder für unsere Infrastruktur nachzudenken.

Es ist auch eine Gelegenheit zu zeigen, dass der Einsatz von Drohnen viel mehr beinhaltet als nur das Fluggerät mit seinen Sensoren: Er erfordert qualifizierte Piloten, die nicht nur in technologischen, sondern auch in regulatorischen und rechtlichen Fragen auf dem Laufenden bleiben müssen. Es braucht eine Einkaufsabteilung und andere Verwaltungseinheiten – alle sind Teil eines Drohnenflugbetriebs. Und vor allem braucht es Wissenschaftler:innen mit ihren Projekten und neuen Ideen.

Es ist auch gut, Kolleg:innen an Bord zu haben, die den Wissenschaftler:innen beim Transfer der gewonnenen Erkenntnisse helfen, im besten Fall auch bei der Entwicklung von Spin-offs, Lizenzmodellen oder anderen Möglichkeiten, Einnahmen zu erzielen und den Transfer in die Gesellschaft und Wirtschaft zu fördern.

Was mich besonders fasziniert, ist das breite Spektrum an Sensoren. Wenn wir an ‚Fernerkundung‘ denken, kommt uns in erster Linie unser Augenlicht in den Sinn. Und ja, Satelliten und Drohnen können von oben „sehen“ und uns attraktive Bilder liefern. Aber unsere Drohnen wie auch unsere Satelliten können mithilfe ausgeklügelter Sensoren so viel mehr als das menschliche Auge: Wärme ‚spüren‘, Treibhausgase ‚riechen‘ und vieles mehr.“

Bedeutung für Transfer & Innovation

In Bezug auf den Transfer betont Jörn Krupa, Leiter von Transfer & Innovation am GFZ, dass die wachsende Drohnenexpertise in mehrfacher Hinsicht relevant ist: „Am GFZ bauen wir Wissen auf, wie Drohnen für verschiedene Anwendungsfälle genutzt werden können, und geben dieses Wissen an Behörden, NGOs und andere Partner weiter. Im kommerziellen Bereich gehören Infrastrukturvermietung und Service-Messungen ebenfalls zum Spektrum. Zugleich verbessern die Kolleg:innen die Drohnen- und Monitoringtechnologien im Hardwarebereich und schließlich wird auch in der Softwareentwicklung die Datenerfassung und -auswertung optimiert. Dies eröffnet z.B. Geschäftsideen für Ausgründungen oder Kooperationen mit Unternehmen.“

Alison Beamish, Leiterin des Helmholtz Innovation Labs FERN.Lab ergänzt: „Nutzerfreundliche Prozessierungstools und die Integration verschiedener Daten wird hier immer wichtiger.“ GFZ-Transferinitiativen wie das FERN.Lab, die als Brücke zwischen Forschung und Anwendung fungieren, erleichtern die Integration der neuen Technologien in kommerzielle und öffentliche Projekte, damit mit ihnen praktische Probleme und Herausforderungen bewältigt werden können.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die gezeigten Drohnen und damit verbundenen Sensortechnologien und das breite Spektrum an Einsatzfeldern.
Bilder dazu finden Sie in der Bildergalerie oben.

Drohnenkopter mit LIDAR | UAV VELOS V3 POR
Eine der Drohnenplattformen ist unser mit LIDAR ausgestatteter Drohnenkopter, der insbesondere bei der Geländekartierung und Analyse der Landschaftsstruktur bisher unerreichte Ergebnisse erbringt. Die Integration der LIDAR-Technologie in die GFZ-Drohnenflotte ermöglicht hochauflösende, dreidimensionale Bilder, die die Waldüberwachung revolutionieren. Die LIDAR-Drohnen spielen beispielsweise eine zentrale Rolle in Projekten wie StrucNet/GEOTREES, einem globalen Netzwerk zur automatisierten Erfassung der Vegetationsstruktur und damit Waldbeobachtung weltweit. Ganz lokal nutzt das Projekt FeMoPhys diese Technologie. Hier wird ein fernerkundungsbasiertes Beobachtungsverfahren entwickelt, wobei zunächst mit Hilfe der Drohnen eine physiologisch fundierte Vitalitätsbewertung der Hauptbaumarten stattfinden muss.­­­

Flux Drohnen │Wingkopter 178 with Sensor-Pod I
Ein weiteres unverzichtbares Werkzeug insbesondere bei unseren Bemühungen, Treibhausgasflüsse zu überwachen, sind Flux-Drohnen. Die Wendigkeit und Vielseitigkeit der Drohnen ermöglichen eine umfassende Datenerfassung in schwierigen Umgebungen, so z.B. über Mooren, Permafrostgebieten oder anderen schwer zugänglichen Ökosystemen. Sie unterstützen bei der exakten quantitativen Erfassung von Gasflüssen wie z.B. Methan in Forschungsprojekten zur Wiedervernässung von Mooren und bei der quantitativen Erfassung klimaschädlicher Ausgasungen von Vulkanen oder geologischer Strukturen. Die Flux-Drohnen haben sowohl einen Kopter- als auch einen Gleit-Antrieb, der wichtig ist, um bei den Gasflussmessungen Verwirbelungen zu vermeiden.

SAR Drohne | Explorer RD350
Eine wichtige Rolle bei der Überwachung der Vulkanaktivität spielt auch unsere SAR-Drohne (Synthetic Aperture Radar), die derzeit in Island eingesetzt wird. Das Monitoring ist mit SAR unabhängig von Wolkenbedeckung und Tageslicht möglich und die Drohne erlaubt eine sehr hohe räumlicher Auflösung. Weil die Radar-Drohne in drei Frequenz-Bändern operiert (C, L und P), kann auch die Oberfläche bis zu einer gewissen Tiefe durchdrungen werden. So ist es zum Beispiel möglich, Informationen über Bodenstruktur- und feuchte zu sammeln. Erste Einsatzgebiete der SAR-Drohnen waren die Untersuchung von Bodenabsenkungen in Westdeutschen Tagebaugebieten und die Analyse der Wurzelsysteme von Bäumen in Schweden.

Von zentraler Bedeutung sind in der GFZ-Forschung auch Hyperspektralsensoren, da sie detaillierte Spektralanalysen für eine Reihe von Anwendungen ermöglichen. Die bildgebende Spektroskopie ist ein zeiteffizientes Mittel zur Kartierung von Mineralien, Gesteinen, Böden und Pflanzenarten über räumlich ausgedehnte Gebiete, ohne dass in irgendeiner Weise ein Eingriff in die Natur erfolgen muss. Unsere hyperspektralen Drohnenplattformen ergänzen das weltraumgestützte Hyperspektral-System  an Bord des EnMAP-Satellitenund liefern unter anderem qualitativ hochwertige Spektraldaten für die Kalibrierung und Validierung des EnMAP Systems.

Während manche der großen Drohnen bis zu 20 Kilogramm schwere Sensoren tragen können, bieten kleine Drohnen eine unvergleichliche Agilität und Flexibilität – auch beim Transport in alle Regionen der Welt. Das macht sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für unsere Forschung – zum Beispiel bei Naturkatastrophen. So wurden etwa in Sektion 2.1 zusammen mit einem Stuttgarter Spin-off kleine aber sehr leistungsstarke Thermalsensoren entwickelt, die Wärmebilddaten zur Überwachung vulkanischer Aktivität liefern.

Auch im Rahmen der Transferaktivitäten des GFZ sind die kleinen, kostengünstigen Drohnen von großer Bedeutung, insbesondere in den Bereichen Landwirtschaft und Biodiversitätsmonitoring. So spielt die Datenerfassung mit Drohnen sowie die auf künstlicher Intelligenz basierende Bildanalyse für die Modellierung von Lebensräumen, die Kartierung von Ökosystemen, die Planung von landwirtschaftlichen Maßnahmen wie präziser Düngung aber auch von Renaturierungsmaßnahmen oder die Überwachung von Schutzgebieten eine große Rolle. Die Sensoren können bis auf das Niveau einzelner Pflanzen erfassen, wie Pflanzen sich ausbreiten, wie sie wachsen, blühen und auf veränderte Umweltbedingungen wie Hitze und Trockenheit reagieren.

Weiterführende Informationen

• Link zur Sektion 1.4 "Fernerkundung und Informatik"
• Unbemannte Fluggeräte: UAV Pool
• Projekt LauMon