Historischer Lückenschluss

Als die Landesvermessung in den 50er Jahren des 19. Jahrhunderts begann, die Erdoberfläche aus fliegenden Ballons heraus zu fotografieren, hatte wohl niemand damit gerechnet, welche langanhaltende und wechselvolle Geschichte die luftgestützte Kartierung einmal nehmen würde. Das damals auch als "Lichtmesskunst" bezeichnete Verfahren ist heute auf breiter Front etabliert. Und dennoch, eine Lücke zwischen terrestrischer und luftgestützter Vermessung wurde in diesem langen Zeitraum niemals komplett geschlossen: Für die Kartierung kleinflächiger Gebiete in relativ kurzer Zeit waren es bisher entweder die Flugstunden, die - vor allem bei Hubschraubern - zu teuer waren oder die Sensoren, die nicht leistungsfähig genug waren, um eine marktrelevante Entwicklung zu markieren.

Diese Lücke beginnt sich seit wenigen Jahren jedoch zu schließen, denn mit den Unmanned Aerial Vehicles (UAV) gibt es eine Klasse an Fluggeräten, die in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung genommen hat. Ausgelöst durch neue Fertigungsverfahren, intensive Materialforschung und einem gehörigem Maß an Engagement, das teils aus dem kommerziellen Hobbybereich abgeleitet ist, sind eine ganze Reihe von Unternehmen entstanden, die sich auf die Entwicklung und Fertigung dieser ultraleichten Flugobjekte konzentriert haben.


Grenzen der Physis überwinden: Neueste Entwicklungen wie hier eine 3D-Brille von Carl Zeiss ermöglicht den Echtzeitblick des Piloten durch die UAV-Kamera. 3D-Bilddaten werden dabei zur Brille gestreamt. Oben die Kategorisierung von UAV-Klassen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung.

Für eine Gewichtsklasse von bis zu fünf Kilogramm Abfluggewicht haben sich dabei die sogenannten Multicopter etabliert, die je nach Anzahl der Rotorblätter ihren Namen erhalten. (meist Quadro- oder Oktokopter). Es ist aber auch möglich, die Flugroute vorher zu programmieren, die dann mit GPSUnterstützung automatisch abgeflogen wird. Professionelle Fluggeräte sind heute ab einem Preis von etwa 20.000 Euro erhältlich. Spitzenmodelle kosten bis zu 70.000 Euro.

Diese Multicopter können einige hundert Meter weit fliegen, haben Nutzlasten von bis zu einem Kilo und eine batterieabhängige Flugzeit von bis zu 90 Minuten. Als Senkrechtstarter und -lander können sie überall in Betrieb genommen werden. Die Steuerung ist einfach, die Betriebskosten gering. Bereits mit herkömmlichen Sensoren (etwa kleinen Digitalkameras) lassen sich Bilddaten mit hohem Nutzwert generieren, ohne das Mensch und Gerät Gefahren ausgesetzt werden.

Prinzipbedingte Vorteile

UAVs haben - verglichen mit den bei der Photogrammetrie üblichen Flugzeugen - gänzlich andere Flugeigenschaften und damit freilich Nachteile. Zu den Herausforderungen zählen zum Beispiel Flugstabilität und Vibrationen, die von der Sensorik beziehungsweise deren Aufhängung kompensiert werden müssen. Da bei Multicoptern nur kleinere Digitalkameras eingesetzt werden können (aufgrund der Nutzlast), gibt es zudem im Vergleich zu den speziellen Systemen für die Photogrammetrie Einschränkungen bei der Optik und der Kalibrierung. In der Summe sind die Anforderungen, die jede Anwendung jeweils unterschiedlich stellt, komplex. Je nach Anwendung sind andere Gerätetypen oder Konfigurationen gefragt. Experten betonen, dass der Teufel meist im Detail liege.

Doch die Praxis zeigt positive Befunde. Zwei in der Schweiz durchgeführte Pilotprojekte stellten beispielsweise fest, dass die UAV-Methode "sehr gut eignet und in der amtlichen Vermessung eingesetzt werden kann", heißt es in einem Bericht. Zu ähnlichen Ergebnissen kommen viele andere Praxistests. Viele Ingenieurbüros haben sich bereits auf die UAV-Vermessung spezialisiert und können erfolgreiche Referenzen vorweisen. In der Praxis werden für Genauigkeiten im Zenti- bis Dezimeterbereich dabei meist noch Passpunkte am Boden eingemessen.

  

Ursachen für diese positive Entwicklung sind neben den leistungsfähigen Flugplattformen vor allem technologische Innovationen in der Automation der Bildauswertung. "Das betrifft in erster Linie die Fortschritte in der automatisierten Verknüpfung und Orientierung beziehungsweise Georeferenzierung der Bilder eines UAS-Fluges", sagt Görres Grenzdörffer von der Universität Rostock. Dazu gehört beispielsweise die Structure from Motion (SfM)-Methode, die im Bereich der digitalen Bildbearbeitung entwickelt wurde und "mittlerweile auch eine automatische Orientierung von Bildern ohne Zielmarken ermöglicht", so Grenzdörffer. Ebenso sehr haben sich Auswertealgorithmen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit verbessert, so dass auch große Bilddatenbestände, wie sie bei UAV-Anwendungen anfallen, schnell und effizient ausgewertet werden können, wenngleich dafür immer noch leistungsfähige Computer notwendig sind.

Rechtliche Situation: Grenzen, aber auch Freiräume für Geoanwendungen

Die Vorzeichen für die Marktentwicklung sind also sehr vielversprechend, doch es gibt auch eine große Barriere. Sie wird durch die rechtliche Situation gebildet. Der nicht-militärische UAV-Einsatz ist laut Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO) auf den Bereich in Sichtweite des Steuerers und bis zu einem Abfluggewicht von 25 Kilogramm im unkontrollierten Luftraum beschränkt. Für kommerzielle und wissenschaftliche Zwecke bedarf es dabei grundsätzlich einer Fluggenehmigung, die bei den jeweiligen zuständigen Bundesländern eingeholt werden muss. Einen weiteren bedeutenden Schritt machte der UAV-Markt am 8. Mai 2012. Dort trat die 14. Änderung des Luftverkehrsgesetz (LuftVG) in Kraft. Mit ihr sind "Unbemannte Luftfahrtsysteme" als eigenständige Kategorie von Luftfahrtzeugen aufgenommen worden. Das macht den Weg frei für weitere Verordnungen.

Ein weiterer gesetzesrelevanter Fortschritt wurde am 1.7.2012 erzielt. Seitdem gibt es Mustergenehmigungen für den UAVEinsatz, die die meisten Bundesländer auch berücksichtigen und die Genehmigungspraxis wesentlich einfacher und schneller machen. Einmal betrifft dies die Allgemeinerlaubnis für ein Abfluggewicht unterhalb 5 Kilogramm. Die Flughöhe beträgt dabei maximal 100 Meter, in Ausnahmen bis 300 Meter. Die Verwendung von GPS und Wegpunktnavigation ist erlaubt, allerdings ebenfalls nur in Sichtweite. Für Geräte mit mehr als 5 Kilogramm Abfluggewicht ist eine Einzelerlaubnis begrenzt auf einen oder mehrere Orte notwendig.

Dieses immer noch sehr komplexe und dem Stand der Technikentwicklung nicht angemessene Regelwerk gilt heute noch als Widerstand für eine Dynamisierung der Marktentwicklung. Die Kategorie der Fixed-Wing-UAV beispielsweise, also der Flugsysteme mit starrem Flügel, hat es besonders schwer, sich aktuell durchzusetzen. Die Fixed-Wings besitzen zwar gute Flugeigenschaften, große Nutzlast und hohe Reichweiten, doch außerhalb der Sichtweite auch bei GPS-Steuerung dürfen sie nicht genutzt werden. Für photogrammetrische Aufgaben sind zudem UAS mit mehr als 150 Kilogramm Abfluggewicht interessant, diese sind jedoch in Europa grundsätzlich verboten. Interessensgruppen arbeiten daher an einer Vereinfachung und Differenzierung der Luftfahrtgesetze. Beim Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) und bei der Deutschsprachigen Arbeitsgruppe für Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV DACH) hat sich beispielsweise eine Expertengruppe gegründet, die sich speziell mit dem Thema Sicherheit bei UAVs (sowohl im Luftverkehr als auch für die öffentliche Sicherheit) befasst. Die Gruppe geht davon aus, dass Gefahren sowohl von der spezifischen Ausprägung des UAS als auch von seinem Einsatzbereich abhängen und demnach auch in den Gesetzesregularien differenziert betrachtet werden müssen.

Ein erster Schritt ist dabei die Kategorisierung in verschiedene Größenklassen von UAVs, wie sie beispielsweise von Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung in dem Bericht über die Art und den Umfang des Einsatzes von unbemannten Luftfahrtsystemen aufgegriffen wurde (siehe Tabelle). Solche Kategorisierungen sind Vorrausetzungen für sämtlicheweitere öffentliche Vorschriften, derzeit noch nicht ausreichend vorliegend.

Sondersituation Gyrocopter


Sogenannte Gyrocopter gehören zur Gruppe der Tragflügler. Sie können auch photogrammetrische Kameras oder Laserscanner aufnehmen.
Streng genommen gehören sogenannte Tragschrauber (auch als Gyrocopter oder umgangssprachlich als Gyro bezeichnet) nicht zu der Kategorie der unbemannten Flugobjekte, schließlich werden sie durch einen Piloten gesteuert. Dennoch gehören sie ebenso zu einer Kategorie von Ultraleichtflugzeugen, die einer sehr dynamischen Entwicklung unterliegen. Dies betrifft in erster Linie den Sport- und Hobbybereich. Aufgrund ihres Konstruktionsprinzips sind sie aber für Aufgaben der Photogrammetrie hervorragend geeignet.

Gyrocopter muten zwar wie Helikopter an, bei ihnen treibt der Motor jedoch lediglich einen Propeller an, der für die Fahrtgeschwindigkeit verantwortlich ist. Diese wiederum treibt den passiven Rotor an und sorgt so für die Auftriebskraft. Gyrocopter können dadurch mit geringen Geschwindigkeiten fliegen, haben ein geringes Gewicht, besitzen aber dennoch eine signifikante Nutzlast im Bereich von bis zu 200 Kilogramm. Dadurch können sie auch umfassende Sensorik aufnehmen, die etwa für Vermessungsflüge notwendig ist. Da die Gyrocopter bei den Anschaffungs- und Betriebskosten deutlich besser als beispielsweise Hubschrauber abschneiden, werden sie als wirtschaftliche Alternative für Vermessungsaufgaben gesehen, die Flächengebiete im Bereich einiger Quadratkilometern betrifft. Aktuelle Forschungen von geodätischen Instituten haben bereits ergeben, dass der Einsatz von Gyrocoptern "alle Freiheitsgrade bietet, um hochwertige photogrammetrische Produkte und Geoinformationen bereitzustellen" heißt es in einer Publikation des Instituts für Photogrammetrie (ifp) an der Universität Stuttgart. Dies gilt gleichermaßen für photogrammetrische und Laserscan-Verfahren. Auch in Sachen Fluggenehmigungen haben die Gyrocopter Vorteile gegenüber den UAVs, denn für sie sind die Regulatorien der Kategorie der Ultraleichtflugzeuge maßgebend. Ein Flug unterliegt beispielsweise nicht wie bei UAVs den Ländervorschriften, sondern Regelungen des Luftfahrtbundesamtes.



Abkürzungen:

UASUnmanned Aircraft System (gesamtes System, bestehend aus Fluggerät, Steuerungseinheit, Datenlink etc.)
UAVUnmanned Aerial Vehicle (reines Fluggerät)
RPASRemotely Piloted Aircraft System(s) (neue, international verwendete Abkürzung)
Drohneumgangsprachig verwendeter Begriff, wird häufig für (bewaffnete) militärische Systeme verwendet
MAVMicro Aerial Vehicle, auch Mikrodrohne (Gerät mit weniger als 5 Kilogramm Gewicht)













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