Wie sind die optimalen Drohnen-Flugparameter bei der Kitzrettung?

Fernsteuerung einer DJI Matrice M30T beim fliegen einer geplanten Flugroute

Ihr kennt das sicher auch: Wenn einer mäht, dann mähen alle! Der Zeitdruck bei der Kitzrettung ist manchmal wirklich extrem. Deshalb ist eine hohe Flächenleistung und optimal eingestellte Flugparameter so ungeheuer wichtig. Aber wie sind denn die optimalen Flugparameter?

Flughöhe

Grafik, die veranschaulicht, wie sich die Flughöhe auf die Bodenabdeckung auswirkt.

Betrachten wir zunächst einmal die Flughöhe. Je höher umso größer die Bodenabdeckung, wir brauchen weniger Flugbahnen, also sind wir insgesamt schneller. Wir haben eine höhere Flächenleistung. Aber mit zunehmender Höhe wird auch die Pixelbodenauflösung schlechter. Wir erkennen weniger Details und damit wird die Detektion unzuverlässiger.

Grafik, die Wärmebilder von zwei Rehkitzen aus verschiedenen höhen zeigt und verdeutlicht, wie sich die Pixelbodenauflösung verändert

Hier sind zwei ca. 3 Wochen alte Kitze aus verschiedenen Flughöhen zu sehen. Aufgenommen wurden die Bilder mit einer Wärmebildkamera mit einem für die Kitzrettung optimalen Linse mit einem horizontalen Field Of View (hFOV) von 32°. Die meisten Drohnen haben heutzutage keine optimale Linse, deshalb muss man meist tiefer fliegen um die gleiche Pixelbodenauflösung (engl. Ground Sampling Distance, GSD) zu erhalten.

Die optimale Ground Sampling Distance für die Kitzrettung liegt bei ca. 7 cm. Da die Kitze meist kreisförmig sind und einen Durchmesser von ca. 30 cm haben, werden sie dann auf ungefähr 14 Pixeln abgebildet. Das reicht, um die Kitze auch bei etwas schwierigeren Verhältnissen von anderen Objekten zu unterscheiden.

Bei den DJI-Drohnen M2EA, M3T und M30T hat man die optimale GSD von 7 cm bei ca. 55m Flughöhe.

Wer eine andere Drohne hat, kann sich die GSD mit folgender Formel ausrechnen: GSD = h * s / f

h ist die Flughöhe, s die Detektorelementgröße und f die Brennweite der Linse. Wer anstatt der Detektorelementgröße s nur die Sensorbreite B und die horizontale Auflösung w weiß, kann s wie folgt berechnen: s = B / w. Man kann alternativ auch über den hFOV der Linse, der Flughöhe und der horizontalen Auflösung w die GSD wie folgt berechnen: GSD = tan(hFOV/2)*2*h/w

Überlapp

Bei den Drohnen kann man für den Mappingbetrieb einen Überlapp in Flugrichtung und einen seitlichen Überlapp einstellen. Der seitliche Überlapp bestimmt den Flugbahnabstand. Der Überlapp in Flugrichtung bestimmt beim Mappingbetrieb zu wieviel Prozent die aufeinanderfolgenden Bilder überlappen. Er beeinflusst aber auch die maximale Fluggeschwindigkeit, denn das Abspeichern der Bilder dauert eine gewisse Zeit. Damit der eingestellte Frontalüberlapp eingehalten werden kann, darf die Drohne nicht zu schnell fliegen.

Grafik, die den Zusammenhang des Sichtfeldes der Kamera und der Grashöhe veranschaulicht

Der optimale Überlapp hängt bei der Kitzrettung maßgeblich von der Bewuchshöhe ab. Wenn wir beispielsweise eine Grashöhe von 1m haben, dann darf der Blickwinkel der Kamera maximal 17° vom Lot abweichen. Jeder der mal bei so einer Bewuchshöhe in der Wiese stand, weiß wie schwierig es ist ein Kitz in einem Meter Abstand zu finden. Das hochgewachsene Gras verdeckt schnell die Sicht.

Wenn wir also einen Meter Bewuchs und eine Kitzgröße von 30 cm annehmen, dann darf der FOV maximal 2*17° = 34° sein, sonst verdeckt das Gras die Sicht, denn auch eine Wärmebildkamera kann nicht durchs Gras schauen. Die DJI-Drohnen M2EA, M3T und M30T haben einen diagonalen FOV von 61° und damit einen horizontalen FOV von 47,6°. Dadurch wird bei hohem Bewuchs am Rand des Bildes normalerweise kein Kitz zu finden sein, denn dort wird die Sicht vom Gras verdeckt. Wir brauchen deshalb für die DJI Drohnen mindestens 32% seitlichen Überlapp. Ein bisschen Reserve sollte man noch einplanen, drum ist ein seitlicher Überlapp von 40% sinnvoll.

Die Formel zur Berechnung des minimalen seitlichen Überlapps ü lautet: ü = 1-k/(h*tan(FOV/2)) mit Kitzgröße k, Bewuchshöhe h und horizontalem Field Of View FOV.

Für den frontalen Überlapp sind 60% eine gute Wahl, dann hat man jeden Punkt auf ca. 3 Bildern abgebildet.

Fluggeschwindigkeit

Die optimale Fluggeschwindigkeit hängt davon ab, wie wir die Bilder analysieren. Wenn wir den Videostream auf dem Monitor betrachten (sog. LiveView-Verfahren), dann ist unsere Reaktionszeit und unsere Konzentration der limitierende Faktor. In der Praxis hat sich bei einer GSD von 7 cm und einer Kamera mit 640 x 512 Pixeln Auflösung für die meisten Piloten eine Fluggeschwindigkeit von 3,5 m/s als Optimum herausgestellt. Wenn man schneller fliegt, wird es nach kurzer Zeit bereits sehr anstrengend. Wenn wir die Bilder erst nach dem Flug analysieren (Georeferernzierungs-Verfahren), dann ist die Bewegungsunschärfe auf den Bildern der begrenzende Faktor. Die Bewegungsunschärfe hängt von der Integrationszeit (ähnlich der Belichtungszeit bei Farbkameras) ab. Die meisten Wärmebildkameras haben eine feste Integrationszeit von ca. 15 ms. Bei einer Geschwindigkeit von bis zu 4,6 m/s (bei 7 cm GSD) bleibt die Bewegungsunschärfe innerhalb von einem Pixel und ist deshalb nicht zu sehen. Eine Bewegungsunschärfe von 1,7 Pixeln ist meist noch tolerierbar. Das sind dann bei 7cm GSD 8 m/s.