In hügligem Terrain zu fliegen, ist nicht immer einfach. In der Regel reichen 50m Flughöhe, um locker über die Baumwipfel hinweg fliegen zu können. Nicht aber in hügligem Terrain. Da kann es leicht passieren, dass man beim Abfliegen einer Wiese am Hang in einen Baum fliegt.
Es macht aber nicht nur aufgrund des Kollisionsrisikos Sinn, einen Terrain-angepasste Missionsplan zu erstellen. Auch die Überlappung und Pixelbodenauflösung ändern sich am Hang. Das sind Parameter, die beispielsweise sehr wichtig sind, um Wildtiere zuverlässig detektieren zu können.
Wie kann die Drohne die Höhe messen?
Aktuelle Drohnen können über vier Quellen, ihre eigene Höhe bestimmen:
- Barometrischer Sensor
- GNSS-Empfänger (GPS, Glonas, Galileo, … und auch genauer mit RTK)
- Distanz Sensoren (Laser, Radar, Ultraschall)
- mittels Kameras über einen photogrammetrischen Ansatz ( Stereo Vision, SfM)
Der zuverlässigste und einer der einfachsten Sensoren zur Höhenmessung ist der barometrische Drucksensor. Der Luftdruck nimmt konstant mit der Höhe ab. Problematisch ist dieser Sensor nur bei Luftdruckschwankungen, wenn zum Beispiel Windböen daher kommen oder sich das Wetter schlagartig ändert. Elektronische Barometer sind sehr temperaturempfindlich deshalb sind gute Barometer meist temperaturstabilisiert. Ein riesiger Vorteil von Barometern ist der sehr große Messbereich von üblicherweise -600 bis 9000 m.
GNSS-Empfänger (GPS und Co.) sind ohne RTK sehr schlechte Höhenmessgeräte. Eine mit dem GPS gemessene absolut Höhe kann, je nach Konstellation der Satelliten, locker 20 Meter schwanken. Mit RTK liegen wir im einstelligen Zentimeterbereich.
Gute Laser Distanz-Sensoren mit ausreichender Reichweite sind recht teuer, deshalb meist nur in den höherpreisigen Drohnen verbaut. Ultraschall-Sensoren sind nur für den Nahbereich (Zentimeter bis wenige Meter) geeignet. Radar-Sensoren sind noch nicht so verbreitet.
Mit normalen CMOS-Kameras kann die Höhe nur bei ausreichenden Lichtverhältnissen gemessen werden. Diese Art der Höhenmessung erfordert einiges an Rechenkapazität. Im Gegensatz zu Laser-Distanz-Sensoren können Kameras mit einer Messung nicht nur eine einzelne Distanz messen, sondern gleich ein ganzes topografisches Gelände sehr detailgenau erfassen.
Höhenreferenz
Für Drohnenpiloten gibt es vier relevante Höhenbezugssysteme:
- Höhe über dem amtlichen länderspezifischen Quasigeoid (In Deutschland: DHHN2016)
- Höhe über dem Ellipsoid (z.B. WGS84)
- Höhe über dem Geoid (z.B. EGM96)
- Höhe über dem Startpunkt der Drohne
Die Höhenangabe in Karten von europäischen Vermessungsämtern werden immer in Metern über der Bezugsfläche des jeweiligen länderspezifischen Quasigeoids angegeben. Diese Bezugsfläche orientiert sich meist an der mittleren Höhe über dem Meeresspiegel in nächster Nähe zu dem jeweiligen Land. In Deutschland nennt man diese Bezugsfläche Normalhöhennull (NHN).
Der GPS-Empfänger in der Drohne gibt die Höhe normalerweise in Höhe über dem Ellipsoid an. Normalerweise ist das immer der WGS84-Ellipsoid. Ein Ellipsoid ist die dreidimensionale Entsprechung einer Ellipse, sozusagen eine abgeplattete Kugel. Der WGS84 Ellipsoid ist eine mathematisch sehr einfache Annäherung an unsere Erde.
Die Erde sieht aufgrund seines inhomogenen Schwerefeldes aber eher wie eine Kartoffel als wie eine Kugel aus. Da sich auch die Meeresoberfläche an dem Schwerefeld orientiert, versucht man mit geeigneten Geoid-Modellen dieses Schwerefeld genauer nachzuahmen. Ein häufig genutztes Geoid-Modell nennt sich EGM96.
Welche Terrain-Modi gibt es?
Konstante Höhe über dem Startpunkt
Standardmäßig fliegt eine Drohne mit konstanter Höhe über dem Startpunkt. Mit Startpunkt ist hierbei allerdings nicht der manuell gesetzte Home-Point, sondern der tatsächliche Startpunkt gemeint. Das ist dort, wo die Motoren angeschaltet wurden, und die Drohne tatsächlich abhebt. Üblicherweise nutzt die Drohne zur Messung der Höhe ihren eingebauten barometrischen Sensor. Der wird beim Motor anschalten auf 0,0 m gesetzt. Die Drohne regelt sich dann automatisch so, dass die eingestellte barometrische Soll-Höhe konstant gehalten wird. Bei DJI in der Pilot2 App wird dieser Höhenmodus “Höhe Relativ zum Startpunkt (Höhe)” genannt. Eine Höhenanpassung findet allerdings nicht statt.
ASL bzw. ü. NHN (EGM96)
DJI hat in der Pilot2 App einen Modus mit ü. NHN (EGM96) benannt. Hierbei handelt es sich um die Normalhöhennull-Fläche des EGM96 Geoids. Zu deutsch: Die Höhenangabe ist nicht Höhe über Grund, sondern Höhe über dem Meeresspiegel. Die Pilot 2 App bietet leider im Kartierungsmodus (Gebietsroute) keine Terrain-Anpassung. Deshalb ist dies einfach die konstante Höhe über Normalhöhennull.
Bei der Höhenübertragung aus amtlichen Karten muss man noch berücksichtigen, dass die deutschen Landesvermessungsämter aktuell das DHHN2016 anstatt des EGM96 Geoids verwenden. Das könnte einen Höhenunterschied von bis zu einem Meter ausmachen. Aber der wesentlich größere Fehler kommt noch drauf, wenn man kein RTK verwendet. Das können je nach Satellitenstand bis zu 20m Abweichung nach oben oder unten sein.
Above Ground Level (AGL)
Jetzt kommen wir zum eigentlichen Terrain-Modus. Mit Hilfe eines digitalen Höhenmodells (DEM) kann die Terrainvariation an den einzelnen Wegpunkten berücksichtigt werden. Hierbei wird aber der Barometer nicht berücksichtigt. Für die Drohne werden diese Angaben immer als Höhen über dem Ellipsoid angegeben. Wenn man jetzt ein digitales Höhenmodell von Vermessungsämtern als Lokale Datei importiert, muss man neben der Umrechnung in WGS84 auch die Geoidundulation an dieser Stelle draufaddieren. Die Verwendung der AsterGdem-Daten (wenn man bei der Pilot2-App auf DSM-Datei->Aus dem Internet herunterladen klickt) ist teilweise sehr ungenau (bei meiner letzte Befliegung war die Höhe 26m zu tief).
Mit RTK und gutem DEM ist alles in Ordnung mit diesem Modus. Wenn man aber kein RTK und/oder kein gutes DEM hat, ist eine Terrainangepasste Befliegung nach diesem Prinzip extrem ungenau. Wenn man auf 50m Flughöhe über Grund plant, aber dann in Wirklichkeit nur auf 25m fliegt, ist das schon sehr kritisch!
Eine viel genauere Variante ist die neue “In Echtzeit folgen” Methode. Hierbei handelt es sich um ein photogrammetrisches Verfahren. Die unteren Kameras zur Hinderniserkennung werden hierbei genutzt, um mittels eines Structure from Motion (SfM) Algorithmus das Gelände zu berechnen. Allerdings braucht man bei der M3T mindestens eine Beleuchtungsstärke von 15 Lux.
Terrain-angepasster Flug mit relativer Höhe zum Startpunkt (ALT)
Ohne viel Sensortechnik, aber trotzdem sehr genau geht es mit diesem Terrain-Modus. Den gibt es nur leider nicht Standardmäßig bei DJI. Die Höhenangaben werden hier immer im Bezug auf den Startpunkt angegeben. Manche Flugplanungsprogramme (z.B. QGroundControl oder UAV Editor) nutzen Digitale Höhenmodelle aus dem Internet und errechnen die jeweilige Höhendifferenz zwischen dem Startpunkt und den entsprechenden Wegpunkten und addieren nur noch die gewünschten Flughöhe drauf. Ohne RTK, Laser oder kamerabasierte Echtzeithöhenanpassung ist diese Art des Terrainflugs gegenüber den anderen mit Höhenmodell die genaueste.
Wichtig ist hierbei allerdings, dass man berücksichtigt, dass ein spontan geänderter Startpunkt automatisch auch die Höhe der Drohne über dem Gelände verändert.
