Abbildung 1: Zwei typische Boden-Kontrollpunkte. Im weißen Rahmen eine vergrößerte Aufnahme.
Boden-Kontrollpunkte
Unbemannte Luftfahrzeuge (engl. Unmanned Aircraft System; UAS) sind in der Fernerkundung nicht mehr wegzudenken. Wo Satellitenaufnahmen zu wenig räumliche Genauigkeit haben und Überflüge mit dem Flugzeug oder Helikopter zu teuer und nicht oft genug durchführbar wären, haben die vergleichsweise kleinen Drohnen ihre Nische gefunden. Und diese Nische füllen sie besonders gut in der Landwirtschaft aus, wo oft nur wenige Hektar mit Luftaufnahmen abgebildet und analysiert werden sollen. Neben klassischen Einsatzgebieten wie der Rehkitzrettung bei der Grünlandmahd durch Thermalaufnahmen geht es bei den Analysen häufig um biochemische oder strukturelle Parameter, die die Gesundheit und Produktivität der Pflanzen widerspiegeln sollen. Drohnen erlauben eine sehr geringe Flughöhe, welche den installierten Kameras erlaubt sehr hoch aufgelöste digitale Bilder zu produzieren. Die minimale Flughöhe wird dabei maßgeblich von der Kraft der Motoren und dem dadurch erzeugten, nach unten gerichtetem Luftdruck auf das Blätterdach bestimmt. Je nach Pflanzenkultur kann die Luft die Blätter stark schwanken lassen und eine Bildaufnahme unmöglich machen. Außerdem muss man bedenken, dass die Flugzeit sich erhöht, wenn die Flughöhe sich verringert. Man kann dann weniger Fläche in gleicher Zeit überfliegen. Die maximale Flughöhe liegt derzeit bei 120 m und wird von der European Union Aviation Safety Agency (EASA) festgelegt. Die sogenannte “Ground Sampling Distance (GSD)” gibt an, wie groß ein Pixel des aufgenommenen Bildes in der Realität ist: In den meisten Anwendungsfällen haben die einzelnen Pixel eine geringere Kantenlänge als 5cm, wobei es in der digitalen Pflanzenpathologie oder Präzisionslandwirtschaft nicht ungewöhnlich ist auch weniger als 1 cm2 Pixelfläche zu generieren.
Ein anschauliches Beispiel, warum eine hohe räumliche Auflösung (d.h. sehr kleine Pixel) in manchen Fällen benötigt wird, ist wenn man sich sehr kleine Details wie Symptome einer Pflanzenkrankheit an Blättern anschauen möchte. Egal ob man normale RGB-Aufnahmen (Rot, Grün, Blau) oder Bilddaten mit mehr als drei spektralen Bändern aufzeichnet, möchte man vermutlich am Ende die spektralen Informationen aus den Flächen der einzelnen Pixel extrahieren, um diese zu analysieren. Dabei werden tausende von Pixeln pro Bild untersucht. Und dann wiederum hunderte bis tausende Bilder analysiert. Da bei jedem Bild in jeden Pixel reinzuzoomen, um zu schauen, ob man da auch wirklich das Symptom von Interesse begutachtet, wäre eine hochgradig ineffiziente Aufgabe. Zum Glück kann man mithilfe der in den Metadaten des Bildes hinterlegten GNSS-Koordinaten eine solche Aufgabe automatisieren. Wenn man nämlich die genaue Position seines Symptoms oder seiner Pflanze am Boden mit einem GNSS-Empfänger vermessen hat, dann kann man diese Koordinate in seinem Bild wiederfinden und darauf vertrauen, dass man sich das korrekte Objekt anschaut. Kann man?
Man kann. Aber nur wenn man die Bildkoordinaten so genau messen kann, wie es die hohe Auflösung der Kamera erforderlich macht. Ein Bild mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 1 cm sollte dementsprechend mit GNSS-Positionsdaten referenziert werden, die eine ähnliche Genauigkeit aufweisen. Die Position der Objekte am Boden wird deshalb gerne mit differentiellen oder RTK GNSS Empfängersystemen bestimmt. In jüngster Vergangenheit ist dies insbesondere durch die Bereitstellung der Korrektursignale durch den SAPOS® Dienst der Vermessungsverwaltungen der Bundesländer interessant. Leider werden die Empfängersysteme als solches auf Grund der Kosten selten ab Werk in Kameras oder Drohnen verbaut, sondern eher Stand-Alone GNSS Systeme, mit einer, je nach Gelände und Umgebung, Positionsgenauigkeit von ungefähr 5 m. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen, muss deshalb der indirekte Weg über die sogenannte Georeferenzierung von Boden-Kontrollpunkten gegangen werden.
Dafür werden vor einer Drohnenmission Boden-Kontrollpunkte in regelmäßigen Abständen auf der Fläche verteilt und mit den bereits genannten RTK GNSS Empfängersystemen auf dem Feld eingemessen. Die Boden-Kontrollpunkte sind häufig in einem stark kontrastierenden Schwarz-Weiß Muster mit einem gut definierbaren Mittelpunkt gestaltet und können so später leicht auf den Drohnenbildern bestimmt werden. Durch die Zuweisung der im Feld ermittelten Koordinaten zu den Boden-Kontrollpunkten im Bild, kann die genaue Position für jeden Pixel angepasst werden. Die GCP sollten vorwiegend an den äußeren Grenzen bzw. Ecken der zu untersuchenden Fläche liegen. Für eine ausreichende Verteilung über die ganze Fläche, empfiehlt es sich einige Boden-Kontrollpunkte in das Zentrum der Fläche zu legen. Weniger als 10 Kontrollpunkte wurden in den meisten Situationen als ausreichend erachtet um eine hohe Genauigkeit (< 2 cm) bei der Georeferenzierung der Bilder zu erreichen. Jeder Kontrollpunkt wird mit einem differentiellen oder RTK GNSS System eingemessen. Die Bilder werden später photogrammetrisch zusammengesetzt und in diesem Prozess können die Kontrollpunkte für die dann benutzt werden, um das zusammengesetzte Bild zu georeferenzieren (d.h., jeder Pixel hat eine sehr genaue und realistische Position in der Szene). Durch diese Georeferenzierung hat man dann auch die Möglichkeit jeden Pixel in Bezug zu einem gemessenen Wert im Feld zu bringen der ebenfalls akkurat mit einem differentiellen oder RTK GNSS System eingemessen wurde.
Die Georeferenzierung mittels Boden-Kontrollpunkten verbessert die Zuordnung von im Feld erhobenen räumlichen Daten zu den Drohnenbildern erheblich und ermöglicht so Anwendungen, die für die landwirtschaftliche Praxis von hohem Interesse sein können. Die genaue Lokalisation von Unkräutern oder gar die Früherkennung von bestimmten Pflanzenkrankheiten in einem Bestand kann so z.B. für die Erstellung einer Applikationskarte und ein anschließendes Spot-Spraying genutzt werden. Bei der Erstellung von Zeitreihen verschiedener Termine derselben Fläche, hilft eine hohe Güte der Georeferenzierung Veränderung der Vegetation im zeitlichen Verlauf der Kultur besser zu erfassen und somit Maßnahmen für die Kulturführung abzuleiten.
Autoren:
Rene Heim (IfZ Göttingen)
Dirk Koops (Ifz Göttingen)
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