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Aktuelle Forschungen mit Drohnen

Drohnen können in der Forschung beim Artenschutz helfenAuf dieser Seite zeigen wir Ihnen einige Anwendungsbeispiele für die Nutzung von Drohnen. Neben Trends in der Forschung, und wissenschaftlichen Pilotprojekten liegt der Schwerpunkt auf dem praktischen Einsatz in der Landwirtschaft, Transportlogistik und Wildtierforschung.

Da die großen EU Forschungsprojekte eine lange Vorlaufphase haben, dürften in den nächsten Jahren deutlich mehr Projekte gefördert werden. Auch die fortschreitende Miniaturisierung der Hardware, erweitert das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten.

 

 

Pflanzenwachstum: Wachstum von Nutzpflanzen mit Drohnen beobachten

Landwirte in Deutschland und weltweit müssen viele Anstrengungen unternehmen, um ihren Hof rentabel zu führen. Dabei spielt die Digitalisierung eine große Rolle, da immer weniger Landwirte große Höfe und Flächen bewirtschaften müssen. Ein Hilfsmittel bei der digitalen Verwaltung eines Hofes sind Drohnen als unbemannte Flugsysteme. Die Drohnen sind mit einer Kamera ausgestattet, die aktuelle Bilder vom Pflanzenstand und dem Wachstum der Pflanzen sendet.

Die Ausstattung der Drohnen

Um das Wachstum der Pflanzen beobachten zu können, sind die Flugobjekte mit einer handelsüblichen digitalen Kamera ausgestattet. Der Landwirt programmiert die Route ein, die der Hexakopter fliegen soll. Unterstützung bei der Einhaltung der Route erhält das Fluggerät per GPS. Der Flug der Drohne und die Auslösung der Digitalkamera werden automatisch ausgeführt. Der Landwirt empfängt sowohl auf einem kleinen Bildschirm an der Fernbedienung als auch am Computer Livebilder von der Kamera und er kann den Flug in Echtzeit verfolgen. Wichtige technische Anforderungen an die Drohnen betreffen die Reichweite und die Schwebeflugfähigkeit, um aussagekräftige Bilder zu erhalten.

 

Diese Beobachtungen liefern Drohnen über das Pflanzenwachstum

Die Flugsysteme überfliegen die Felder in circa 20 Metern Höhe. Gleichzeitig sind an den Traktoren ebenfalls Kameras angebracht, die aus einer Höhe von etwa zwei Metern zusätzliche Bilder liefern. Die ortsgenauen Informationen werden gesammelt und in einem Computerprogramm erfasst, das mit speziellen Logarithmen arbeitet. Aus den gesammelten Daten berechnet das Programm die Größe der Pflanzen und wie schnell sie wachsen. Dazu ermitteln die Algorithmen, wie sehr der Boden von den Pflanzen bedeckt ist, wie groß die Aussaat bereits ist, ob Krankheiten oder Schädlingsbefall vorliegen und wann der Landwirt mit der Ernte beginnen sollte.

Die Anwender erhalten an ihrem Computer farblich gestaltete Abbildungen der Felder, auf denen sie täglich den Wachstumsstand und die Bodenbeschaffenheit ablesen können. So erkennt der Bauer, ob die Felder bewässert werden müssen, ob es notwendig ist, zusätzlichen Dünger aufzubringen oder ob seine Pflanzen von Ungeziefer befallen sind, das er bekämpfen muss.

Die berechneten Daten helfen den Landwirten, das Wachstum der Pflanzen optimal zu begleiten und zu fördern. Täglich sich ändernde äußere Bedingungen, wie Niederschläge, Kälte und Sturm oder der Befall mit Schädlingen sind fast nicht vorhersehbar und erschweren den Bauern die Planung. Dank der Messung mit Drohnen berechnet ein Computerprogramm den optimalen Zeitpunkt zur Bewässerung und Düngung der Felder. Außerdem können die Ergebnisse genutzt werden, um neue Sorten zu züchten, die nicht so viel Wasser und Nährstoffe benötigen wie die bekannten Nutzpflanzen.

Literatur: Bundeslandwirtschaftsministerium fördert Forschungsprojekt der Uni Bonn mit fast 800.000 Euro

 

Mit Drohnen gegen Unkraut vorgehen

Smart Engineering ist für zahlreiche landwirtschaftliche Betriebe ein bekannter Begriff. Täglich überprüfen Bauern verschiedene Sensordaten, die ihnen Auskünfte über die Bodenbeschaffenheit, das Wachstum der Pflanzen, den Zustand der Tiere oder die Witterungsverhältnisse geben. Auch Drohnen finden Anwendung in der Überwachung der Felder. Dabei eignen sich die Fluggeräte besonders gut in der Bekämpfung von Unkraut. Durch eine genaue Bestimmung der betroffenen Bereiche kann ein Landwirt gezielt gegen unerwünschtes Wachstum vorgehen, ohne dass er das komplette Feld untersuchen und behandeln muss.

Unkraut genau erfassen

Verschiedene Unkrautpflanzen, wie Disteln, Kletten, Kamille, Windhalm, Storchschnabel oder Ackerfuchsschwanz nehmen Getreide und Gemüse Wasser, Nährstoffe und Licht weg. Daher bekämpfen Bauern diese Unkräuter und versuchen, ihre Felder frei davon zu halten. Dazu sind jedoch einige Mitarbeiter über mehrere Tage damit beschäftigt, die Felder manuell zu kartieren. Eine Drohne überfliegt das Gebiet in wenigen Minuten und erstellt flächendeckende digitale Aufnahmen. Unkraut wächst häufig in Nestern, die sich in unübersichtlichen Bereichen eines Feldes befinden. Durch die Überwachung der Fläche mithilfe eines Multikopter oder ein anderes geeignetes Fluggerät können die Anwender die Nester schnell ausfindig machen und beseitigen.

Unkraut gezielt bestimmen

Dank der guten Qualität der aufgenommenen Bilder können Fachleute die Unkrautart am Bildschirm bestimmen und ein geeignetes Gegenmittel auswählen. Dazu verfügt die eingesetzte Drohne über eine Kamera mit intelligenter Optik. Das Fluggerät überfliegt das Feld in einer Höhe von circa zehn Metern. Die Flugroute ist vorprogrammiert und die Drohne wird per GPS gesteuert. An bestimmten Bereichen macht die Kamera Fotos mit einer Auflösung von einem Pixel per Quadratzentimeter. Die Auswertung der Bilder erfolgt dreidimensional mit hochauflösender Photogrammmetrie. Die Bildmessung erfasst jeden Bereich des Anbaugebiets und stellt die Ergebnisse am Computerbildschirm dar. Durch eine Messung der Pixeldichte unter Verwendung eines speziellen Bildanalyseprogramms bestimmen Fachleute die Unkrautart und legen fest, wie der unerwünschte Bewuchs bekämpft werden kann. So erhält ein Landwirt einen aktuellen Überblick über das Wachstum der Pflanzen und die möglichen Problembereiche, die von Unkraut oder Schädlingen befallen sind.

 

Weniger Herbizide für mehr Umweltschutz

Ein wichtiges Ziel der Überwachung von Anbauflächen durch Drohnen ist ein geringerer Einsatz von Unkrautbekämpfungsmitteln. Durch die gezielte Bekämpfung von Unkrautnestern muss ein Landwirt nicht das komplette Feld mit einem chemischen Mittel behandeln. Stattdessen wird ein Plan erstellt, nach dem ein entsprechend programmierter Traktor die betroffenen Stellen mit einer dosierten Menge an Herbiziden besprüht. Dadurch werden Boden und Luft weniger stark belastet und der Landwirt spart gleichzeitig Ausgaben für Unkrautbekämpfungsmittel ein.

Literatur: Gezielt und weniger Herbizide gegen Unkraut spritzen

 

Tierschutz durch Drohnen

Wenn Drohnen in der Landwirtschaft eingesetzt werden, helfen sie den Landwirten nicht nur, große Ackerflächen effizient zu bebauen. Auch im Tierschutz stellen die Fluggeräte wichtige Helfer dar, indem sie den Viehbestand von oben beobachten oder im Feld versteckte Tiere ausfindig machen. Durch den Einsatz der Multicopter sterben weniger Wildtiere durch landwirtschaftliche Maschinen und große Viehbestände lassen sich besser überwachen.

 

Viehstand von oben beobachten

Landwirtschaftliche Betriebe mit einem großen Viehbestand sind darauf angewiesen, dass es den Tieren gut geht und dass Krankheiten oder Verletzungen schnell erkannt werden. Vor allem wenn das Vieh nicht in einem Stall steht, sondern draußen gehalten wird, ist eine regelmäßige Überwachung wichtig. Hier kann eine Drohne hilfreich sein, die die Herde regelmäßig überfliegt und mit der eingebauten Kamera aktuelle Aufnahmen an den PC des Landwirts liefert. Bei dem Einsatz des Flugroboters müssen die Anwender jedoch darauf achten, dass das Geräusch der Rotoren die Tiere nicht erschreckt. Wenn eine Herde in einem Stall gehalten wird, kann der Bauer die Kühe oder Schweine mit einem lauten Futtermischwagen ablenken, um die gewünschten Aufnahmen zu machen.

 

Weniger getötetes Wild durch Mähdrescher

Jedes Jahr sterben auf den landwirtschaftlichen Flächen in Deutschland rund 90000 Rehkitze, weil sie von einem Mähdrescher erfasst werden. Insgesamt geht die Deutsche Wildtierstiftung in jeder Mähsaison von rund 500000 getöteten oder verletzten Wildtieren aus. Die Jungtiere verstecken sich in den Feldern. Durch ihre gute Tarnung können selbst erfahrene Jäger die Tiere häufig nur mithilfe eines geschulten Jagdhundes aufspüren. Besonders schwierig ist das Aufspüren von Rehkitzen in den ersten zwei bis drei Wochen nach der Geburt. Die Kitze suchen sich einen gut geschützten Liegeplatz, an dem sie die ersten Wochen ihres Lebens verbringen. Sobald Gefahr droht, flüchten die Rehkitze nicht, sondern sie erstarren, um sich vor dem Feind zu verstecken. Dieses Verhalten ist zwar hilfreich, um nicht von einem Fuchs gefressen zu werden, hilft aber nicht gegen einen Mähdrescher. Um den Tieren Leid zu ersparen und um eine Verseuchung der Felder durch Leichengift zu vermeiden, setzen Landwirte Drohnen ein, um die Tiere vor der Mahd aufzuspüren und zu vertreiben.

Optimalen Lebensraum für bedrohte Tierarten erkunden

Ein weiterer Einsatz von Drohnen im Tierschutz bietet sich bei dem Aufspüren von Lebensräumen für bedrohte Tierarten. Die sogenannten Mikrohabitat Strukturen lassen sich mithilfe der Quadrocopter mit einer Wahrscheinlichkeit von bis zu 80% bestimmen. So können Biologen zum Beispiel nach geeigneten Orten suchen, um seltene Schmetterlingslarven auszusetzen und den Tieren optimale Lebensbedingungen zu bieten.

Literatur: Rehkitze werden durch Drohnen Einsatz gerettet dito in der Schweiz
Nashornschutz durch Drohnen

 

Mit Drohnen Schäden auf Äckern von oben begutachten

Viele Landwirte berichten von Flurschäden durch Unwetter, Wildtiere oder Vandalismus. Um eine angemessene Versicherungsleistung zu erhalten, ist eine ausführliche Dokumentation der Schäden wichtig. Da sich die Beschädigungen häufig an schwer zugänglichen Stellen befinden, kommen immer öfter Drohnen zum Einsatz, die mit einer Kamera ausgerüstet sind. Die unbemannten Fluggeräte überfliegen die betroffenen Äcker in verschiedenen Höhen, um aussagekräftige Luftbilder zu machen.

 

Schäden durch Unwetter

Nach einem schweren Unwetter sind viele Felder überschwemmt oder Sturm und Hagel haben einen großen Teil der Ernte vernichtet. Die meisten Landwirte sind gegen Hagelschäden versichert und eine Versicherung gegen Hochwasser schließen ebenfalls immer mehr Bauern ab. Nach besonders schweren Niederschlägen hoffen die betroffenen Landwirte außerdem auf finanzielle Unterstützung durch Land oder Bund. Um die Schäden nach einem Unwetter genau zu dokumentieren, überfliegen Drohnen die betroffenen Bereiche und erstellen Aufnahmen vom aktuellen Wasserstand sowie vom Ausmaß des Schadens.

Wildtiere richten große Schäden an

Nach § 29 Bundesjagdgesetz (BJagdG) erhält ein Bauer Schadensersatz für Schäden durch Wildtiere, falls seine Felder zu dem gemeinschaftlichen Jagdbezirk einer Jagdgenossenschaft gehören (https://www.gesetze-im internet.de/bjagdg/BJNR007800952.html#BJNR007800952BJNG001300325). Der Schaden muss durch Wildkaninchen, Fasane oder Schalenwild, wie Hirsche, Rehe oder Wildschweine, verursacht worden sein. Die Jagdgenossenschaft kann die Haftung auch an einen Pächter abgeben, der sich ausdrücklich damit einverstanden erklären muss, die Schäden zu übernehmen. Damit der Landwirt problemlos Ersatz für den Ernteausfall durch abgefressene Ähren oder niedergetrampeltes Saatgut erhält, sind Luftaufnahmen von den beschädigten Stellen und von den Verursachern sehr hilfreich. Auch hier kommen Multicopter zum Einsatz, die den Acker erst in großer Höhe und dann in geringem Abstand überfliegen und hochwertige Aufnahmen erstellen. Bisher wird für solch einen Einsatz häufig ein Hubschrauber benutzt, der von einem Piloten geflogen wird. Dabei zerstören jedoch die Rotorblätter des Helikopters weitere Bereiche des Feldes und der Einsatz ist um ein Vielfaches teurer als die Nutzung eine Drohne.

Vandalismus

Immer wieder kommt es zu Vandalismus auf Feldern, weil Autofahrer mit einem Geländewagen durch ein Maisfeld fahren oder ein privates Autorennen auf einem Acker endet. Auch als Versteck für den Anbau von Hanfpflanzen werden Felder mit hohem Bewuchs in einigen Fällen missbraucht. Dabei zerstören die ungebetenen Besucher zahlreiche Pflanzen, um sich einen Weg in die Mitte des Feldes zu bahnen und dort illegal Hanf anzupflanzen. Um die Täter auf frischer Tat zu ertappen und um die Schäden für die Versicherung zu dokumentieren, können die Landwirte ferngesteuerte Drohnen einsetzen, die mit einer Kamera ausgestattet sind.

 

Drohnen in der Landwirtschaft schaffen Arbeitsplätze

Bauern setzen vermehrt Drohnen ein, um den Pflanzenwuchs zu überwachen sowie Schädlinge und Unkraut frühzeitig zu erkennen. Doch nicht jeder Landwirt ist in der Lage, ein unbemanntes Fluggerät, auf Englisch auch als unmanned aerial vehicle (UAV) bezeichnet, selbst zu steuern. Die Installation der benötigten Software und die Auswertung der Kameraaufnahmen erfordern ebenfalls Erfahrung und technisches Know-how. Durch die zunehmende Digitalisierung der Landwirtschaft entwickeln sich neue Berufsfelder und der Einsatz von Drohnen schafft weltweit neue Arbeitsplätze.

Start-ups und landwirtschaftliche Genossenschaften bieten neue Dienste an

In zahlreichen Ländern weltweit ist der Einsatz von Multicoptern in der Landwirtschaft schon weit verbreitet. Deutsche Landwirte können sich entweder an ein unabhängiges Unternehmen wenden oder sie nehmen Kontakt zum Deutschen Raiffeisenverband e.V. (DRV) in Berlin auf. Viele der mehr als 2300 landwirtschaftlichen Genossenschaften, die in dem Verband organisiert sind, beschäftigen Fachleute, die sich mit dem Einsatz der Flugroboter auskennen. Auch landwirtschaftliche Versicherungsgesellschaften setzen speziell geschulte Mitarbeiter ein, um Hagelschäden aus der Luft zu dokumentieren.

Bei den Piloten handelt es sich unter anderem um Modellbauer, die bereits Erfahrung mit ferngesteuerten Modellflugzeugen sammeln konnten, oder um Studenten der Luft- und Raumfahrttechnik. Jeder Pilot muss einen Nachweis erbringen, dass er in der Lage ist, das unbemannte Luftfahrtsystem, wie gewerblich genutzte Drohnen offiziell heißen, zu bedienen. Neben dem technischen Wissen und der sicheren Bedienung der Fluggeräte kennen sich die Experten auch mit den rechtlichen Fragen aus, die der Einsatz von Drohnen mit sich bringt.

Rechtliche Bedingungen beachten

Privatpersonen, die einen Mikrocopter bedienen möchten, müssen darauf achten, dass das Fluggerät für den Freizeitgebrauch nicht mehr als 5 KG wiegt. Sobald ein höheres Gewicht zum Einsatz kommt oder der Flug gewerblichen Zwecken dient, muss der Pilot nach der Luftverkehrsordnung (LuftVO) eine behördliche Aufstiegserlaubnis einholen. Wegen des vermehrten Einsatzes von Quadrocoptern im privaten Bereich beschloss der Gesetzgeber eine Neufassung der LuftVO, die am 7. April 2017 in Kraft getreten ist. Daneben stellt das Luftverkehrsgesetz (LuftVG) eine weitere rechtliche Grundlage für den Einsatz von unbemannten Fluggeräten in der Landwirtschaft dar. Neben der behördlichen Genehmigung muss jeder Pilot außerdem über eine Haftpflichtversicherung verfügen, die Schäden durch Flugfehler oder Absturz abdeckt.

Bei einer gewerblichen Nutzung dürfen die Drohnen in der Regel von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang in Betrieb genommen werden. Selbstverständlich muss ein Sicherheitsabstand zu Hochspannungsmasten und anderen Hindernissen eingehalten werden und der Pilot muss beachten, dass er ein angrenzendes Naturschutzgebiet und bestimmte Verkehrswege des Bundes und der Bahn nicht überfliegen darf.

 

Hardware & Software

Hier gibt es News zu aktuellen Trends bei Hardware und Software.

Damit Drohnen auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen sicher fliegen

Die Universität Zürich hat in Kooperation mit NCCR Robotics für schlechte Sichtverhältnisse wie beispielsweise im Dunkeln eine Kamera entwickelt, die Drohnen einen sicheren Flug ermöglicht. Die Synthese von künstliche Intelligenz und Robotik ermöglicht den Flugobjekten ein deutlich autonomeres Agieren. Während die bisher üblichen Kameras das Bildfeld komplett aufnehmen, registriert die Spezialkamera detaillierte Veränderungen in den Helligkeitsstufen von Einzelpixel. Dadurch bleibt das Bild auch bei schlechten Sichtverhältnissen und rasanten Flugbewegungen der Drohne scharf. Mehr zum Thema hier.

 

Deutschland & EU Forschung & Projekte

Infos zur Forschung

Europäisches Forschungsprojekt CORUS: Bodennahe Drohnen europaweit sicher betreiben

CORUS ist ein europäisches Forschungsprojekt und bedeutet Concept of Operation for EuRopean UTM Systems
Bei dem Forschungsvorhaben CORUS geht es u. a. darum wie bodennahe Drohnen europaweit sicher betrieben werden können.

Project ID: 763551
Gefördert unter: H2020-EU.3.4.7. – SESAR JU

Das Projekt hat eine Laufzeit von: 01.09.2017-09-01 bis 31.08.2019

Finanzvolumen:
Gesamtkosten: EUR 2.003.651 Euro
EU-Beitrag: 800.000 Euro
Koordinator:
EUROCONTROL – EUROPEAN ORGANISATION FOR THE SAFETY OF AIR NAVIGATION
Rue de la Fusée 96
1130 BRUXELLES
Belgien

Inhalt

Der Geschäftsbereich Drohnen wächst rapide, doch in Europa wird das Thema aktuell durch den Verzicht auf einen harmonisierten Ansatz für die Integration von Drohnen in den VLL-Luftraum (VLL) behindert. Das Projekt CORUS versammelt Experten aus der Luftfahrt (bemannt und unbemannt) und Forschung und Lehre, um ein Referenzkonzept für das UTM (UAS Traffic Management) im VLL-Luftraum in Europa zu entwickeln.
Deshalb wollen die Wissenschaftler für den bodennahen bzw. untersten Luftraum Europas einen Referenzkatalog für das Betreiben und Fliegen von UAV’s entwickeln. Inklusiv

Weitere Informationen gibt es beim DLR.

 

SafeDrone by Lufthansa

Bei SafeDrone handelt es sich um ein Onlineplattform, die Betreibern von Drohnen, aber auch Herstellern eine technische Kontrolle nach einem Flug anbietet: Registrierung, Qualifizierung, Zertifizierung, damit Drohnen richtig geflogen werden unter safe-drone.com

 

Literatur:

Bundesministerium für Ernährung Landwirtschaft und Forsten: Landwirtschaft verstehen – Chancen der Digitalisierung

The Economic Impact of Unmanned Aircraft Systems Integration in the United States