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Unbemannte Flugzeuge (UAV) zur Forschung

Der neue UAV-service am BGC



Warum unbemannte Luftfahrzeuge?

Der Einsatz von unbemannten Flugzeugen (im Englischen "unmanned aerial vehicles", UAVs) in der Geowissenschaft hat in den letzten Jahren enorm zugenommen. Sie ermöglichen die vertikale Darstellung der Atmosphäre, die Erfassung von Messungen über große Flächen in kurzer Zeit und bieten Ausblicke von oben. Es werden eine Vielzahl von Plattformen mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen eingesetzt, wie z.B. Flugzeuge, Segelflugzeuge, Multicopter, Hubschrauber und mehr. Wichtig ist, dass ihre Kosten für Anschaffung und Betrieb relativ niedrig sind, so dass Forscher beispielsweise hochauflösende Luftbilder zu einem Bruchteil der Kosten der bemannten Luftbildfotografie sammeln können. Die Modifikationen sind einfach und die meisten Plattformen können für verschiedene Missionen verwendet werden. Seit November 2017 wird am Max-Planck-Institut für Biogeochemie ein neuer zentraler Dienst eingerichtet, um die Leistungsfähigkeit von UAVs für unsere Forschung zu nutzen.Dieser zentrale Dienst wird verschiedene Plattformen und Messgeräte verwalten und die Forscher bei der Planung, Durchführung und Analyse von UAV-basierten Messungen unterstützen.


VORTEILE EINES ZENTRALEN DIENSTES

...im Vergleich zu gruppeninternen Lösungen

  • Wissenschaftler müssen sich weniger um technische Fragen kümmern und können sich auf die Ergebnisse konzentrieren
  • Konzentration der UAV-Expertise
  • Wiederverwendung von Analyse-Workflows
  • Verfeinerung der Methoden zur Datenanalyse im Laufe der Zeit
  • Wiederverwendung von existierenden Messsystemen und UAV-Plattformen




UAV TYPEN

Multicopter

+ Vertikale Start- und Landefähigkeit
+ Fähigkeit, an Ort und Stelle zu schweben
- Die Ausdauer ist typischerweise auf 15-30 Minuten begrenzt
- Reichweite begrenzt durch maximale Geschwindigkeit von typischerweise < 10m/s
- Starker Rotorabwind beeinflusst die in situ Messungen

Starrflügler

+ Hohe Geschwindigkeiten > 20 m/s möglich
+ Ausdauer typischerweise 15-60 min
+ Weniger Störung der Luft unter dem Flugzeug
- Kann nicht sehr langsam fliegen
- Erfordert Landebahn oder größes Netzt
- Größere Plattformen benötigen Katapult oder befestigte Piste zum abheben

Andere Plattformen

Helicopter: großer Hub, effizienter als Multicopter
Quadplanes / Kipprotoren: Kombinieren die Leisung vor Starrflüglern mit vertikalen Start- und Landemöglichkeiten


SENSOREN UND MESSUNGEN

In situ

Temperatur-, Feuchte- und Drucksensoren

⦁ Meteorologie
⦁ Quantifizierung von Tau

Gasanalysatoren (CO2, CH4, ...)

⦁ Emission mapping - kartieren von CO2 und Methan Emissionen
⦁ Fluss-Berechnungen durch Budget- oder Massenbilanzansatz

Räumlich hochaufgelöste Analysen von Luftproben mit AIrCore Technik

⦁ Isotopenkomposition
⦁ sehr niedrige Konzentratis-Indikatoren

Proximal sensing

Kameras für optische und multispektrale Bildverarbeitung (VIS + NIR)

⦁ Artbestimmung
⦁ Pflanzengesundheit / Alterung
⦁ Photogrammetrie / Strukturen aus der Bewegung errechnen

Spektrometer (VIS, NIR, SWIR)

⦁ Plflanzengesundheit / Alterung
⦁ Potentiell solar-induzierte Chlorophyll Fluoreszenz

Thermographische Kameras

⦁ Strahlungsenergie am Erdboden
⦁ Bodenfeuchteschätzung