Projekt 25770/01

ntwicklung von neuartigen Fernerkundungstechniken und deren Einsatz mit unbemannten Kleinflugzeugen zur Erfassung der marinen Säugetiere, insbesondere von Schweinswalen (Phocoena phocoena) sowie anthropogener Beeinflussungen in ausgewählten Bereiche[…]

Projektdurchführung

Stiftung Deutsches Meeresmuseum Museum für Meereskunde und Fischerei - Aquarium
Katharinenberg 14-20
18439 Stralsund

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Bestandsermittlung von Meeressäugetieren, wie z. B. der einzigen in der Ostsee heimischen Walart, dem Schweinswal Phocoena phocoena, wird derzeit durch Observerflüge mit der Standard Linientransekt Methode durchgeführt. Auf Grund des erheblichen finanziellen und logistischen Aufwandes können Flüge nur selten realisiert werden. Innerhalb des Projektes wird ein neues Verfahren zur Zählung von Meeressäugetieren unter Zuhilfenahme von UAVs (Unmanned Airborne Vehicles, Drohnen) in Kombination mit Fernerkundungstechniken entwickelt und erprobt. Als Vorstudie soll unter Beweis gestellt werden, dass die derzeitigen fotografischen Methoden und technischen Voraussetzungen gegeben sind, um Schweinswale in ihrem natürlichen Habitat aufzuzeichnen und aus den Bildern zu extrahieren. Das entwickelte Verfahren kann nicht nur auf andere Meeressäugerarten übertragen werden, sondern auch in anderen umweltrelevanten Bereichen, wie bei zukünftigen Bauvorhaben (z. B. Windkraft) oder Verklappung von Baggergut und zur Überwachung von Meeresschutzgebieten als Monitoringmethode eingesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die spätere Verwendung von UAVs ist es notwendig, sehr leichte Kleinbilddigitalkameras zu nutzen, die eine gute Auflösung, geometrisch homogene Eigenschaften und kurze Bildfolgezeiten haben. Mehrere Systeme sind hinsichtlich der Kalibrierbarkeit, den Anschlussmöglichkeiten und der Programmierbarkeit zu testen. Um festzustellen, wie die Konturen der Schweinswale sich aus Senkrechtaufnahmen extrahieren lassen, ist eine hohe Anzahl qualitativ hochwertiger Bilder mit dem Fernerkundungsmesssystem PFIFF notwendig, die bei mehrmaligen Überfliegungen der dänischen Beltsee mit bekanntermaßen hohen Schweinswaldichten erstellt werden. Die georeferenzierten Aufnahmen werden genutzt um einen mathematischen Algorithmus zum Auffinden von Schweinswalen, Müll, Schiffen und Vögeln in Luftbildern zu programmieren. Die so gewonnenen Erfahrungen werden innerhalb eines realen Observerzählfluges in Standard-Linientransekt-Methode angewendet und erprobt. Letzter Schritt ist die Evaluation von verfügbaren UAVs hinsichtlich der Genauigkeit und Kalibrierbarkeit der GPS- und INS-Sensoren, der maximalen Zuladung und Flugreichweite, ausgereifter Technik und zuverlässiger Anwendung in marinen Umgebungen.


Ergebnisse und Diskussion

Innerhalb des Projektes wurden fünf Bildflüge mit dem Fernerkundungssystem PFIFF durchgeführt. Dabei konnten erfolgreich qualitativ hochwertige Aufnahmen von Seehunden und Seevögeln im Freiland und von Schweinswalen in Gefangenschaft gemacht werden.
Die dabei mit dem System PFIFF erreichte Qualität der Bilder ist für die Zählung von Robben- und Seevogelbeständen sehr gut geeignet und unterstreicht das hohe Potenzial von Luftbildaufnahmen zur Quantifizierung von Wildtierbeständen. Für verschiedene Tierarten konnten erfolgreich Mustererkennungsverfahren eingesetzt werden, die eine automatisierte Auswertung von Luftbildern zukünftig ermöglichen werden. Die hierfür eingesetzte industrielle Bildanalysesoftware Halcon 8.0 ist auch für diese Einsatzgebiete geeignet.
Die für die Projektzwecke angeschaffte Kamera Canon Powershot G9 erzeugte während der geometrischen und radiometrischen Kalibrierung geometrisch hinreichend korrekte und hoch aufgelöste Bilder. Das Signal zu Rausch Verhältnis (SNR) verringert sich bei ungünstigen Aufnahmebedingungen drastisch. Im Resultat ist die Kamera für kontrastreiche Motive (z.B. über Land oder Küstenbereichen) sehr gut geeignet, während für kontrastarme und dunkle Motive (wie z.B. die Wasseroberfläche) die Blendenzahl groß gewählt werden muss. Im Zusammenspiel mit der nur 1/1,7 großen Sensorfläche ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich des Einsatzes mit bemannten Flugzeugen aufgrund des SNR und der Bewegungsunschärfe bei zu langen Belichtungszeiten. Da unbemannte Flugzeuge mit einer geringen Geschwindigkeit fliegen, verringern diese Probleme zukünftig.
Die Erfassung von Schweinswalen auf der freien Ostsee mit fotografischen Methoden gelang auf Grund von methodischen Problemen nicht optimal. Die vom Observer seitwärts gesichtetenSchweinswale konnten nicht durch die Kamera festgehalten werden, da für die Senkrechtaufnahme ein zweiter Anflug auf das gesichtete Tier notwendig war. Dem Observer gelang es nur bedingt, den Piloten koordiniert zum Schweinswal zu führen und dann das Flugzeug kurz vor dem Erreichen des Tieres wieder waagerecht zu stellen. Zukünftige Versuche sollten mit Observermaschinen durchgeführt werden, die spezielle Fenster besitzen, durch die die Beobachtung erleichtert wird. Solche Maschinen stehen derzeit nicht mit einer für fotografische Aufnahmen notwendigen Bodenluke zur Verfügung.
Für die Erfassung von Meeressäugetieren müssen spezielle Anforderungen an die zu nutzenden unbemannten Flugzeuge gestellt werden. In Europa wird mit dem System Fulmar ein geeignetes UAV angeboten. Weitere so genannte Dual-Use Modelle sind in den USA erhältlich, ein Import ist jedoch auf Grund von Export- und Einfuhrbestimmungen nur schwer möglich.
Die rechtlichen Rahmenbedingungen in Deutschland und in weiteren Teilen Europas lassen derzeit den Einsatz von UAVs über 5 kg nicht, oder nur für militärische Übungen zu. Eine Regulierung für UAVs bis 5 kg Abfluggewicht ist derzeit in Bearbeitung. Leider werden solche ‚leichten UAVs nicht hochseetauglich sein. Dennoch ist der zukünftige Einsatz von Micro-UAVs mit einem Abfluggewicht < 5 kg für küstennahe Fragestellungen sehr vielversprechend.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während des Projektes wurde ein internationaler Expertenworkshop im Stralsunder Ozeaneum durchgeführt. Es nahmen 50 Wissenschaftler und Ingenieure aus 8 verschiedenen Ländern teil. Diese Tagung wurde von Presse und Rundfunk begleitet. Für die Tagung wurde weiterhin eine Webseite etabliert, über die die Vorträge abgerufen werden können: www.auf.uni-rostock.de/gg/veranst/UAV/Default.aspx?id .
Das Fernsehen (dritte Programme) ist sehr an einer Begleitung von Feldversuchen mit Drohnen interessiert, konnte jedoch innerhalb dieses Projekte aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Flugzeug nicht eingebunden werden.


Fazit

Im Ergebnis der Pilotstudie zum Projekt Remplane ist die Nutzbarkeit von fotografischen Fernerkundungsmethoden zur Erfassung der marinen Fauna bestätigt worden. Auch wenn die Erfassung von Schweinswalen auf Luftbildern recht trickreich ist, sind die Ergebnisse einer automatisierten Bildanalyse zur Detektion von anderen Arten, wie z. B. Seevögeln und Robben, äußerst vielversprechend.
Geeignete UAVs (> 5 kg Startgewicht) können auf Grund der aktuellen Gesetzeslage leider nicht für das Schweinswalmonitoring eingesetzt werden. Zukünftig werden aber leicht UAVs einen wesentlichen Beitrag zum Monitoring von marinen, küstennahen Schutzgebieten leisten. Insofern ist eine Fortsetzung des Projektes wünschenswert, um eine kontinuierliche Weiterentwicklung der bereits jetzt vorhandenen methodischen Ansätze zu ermöglichen.