Mit einer Drohne: Zwei DLR-Forscher kartieren nach Erdbeben zerstörte Stadt
Am frühen Morgen des 6. Februar hat im Südosten der Türkei und im Norden Syriens die Erde gebebt. Das Erdbeben mit der Stärke 7,8 hat die Landoberfläche bis zu sechs Meter verschoben und ganze Städte zerstört. Rettungskräfte aus aller Welt kamen in die Region, um zu helfen. Mit der Hilfsorganisation International Search And Rescue (I. S. A. R.) Germany(öffnet im neuen Fenster) reisten auch zwei Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in das Erdbebengebiet, nach Kırıkhan in der Provinz Hatay.
Matthias Geßner und Jörg Brauchle vom Institut für Optische Sensorsysteme des DLR in Berlin(öffnet im neuen Fenster) waren aber nicht vor Ort, um in Trümmern nach Verschütteten zu suchen. Ihre Aufgabe war es vielmehr, den Helfern den Weg zu weisen. Mit einer Drohne überflogen sie die Stadt und erzeugten eine digitale Lagekarte, mit der die Rettungskräfte ihre Einsätze planen.
"Die Karte vermittelt einen aktuellen und fotorealistischen Eindruck der Gegend" , beschreibt Geßner im Gespräch mit Golem.de ihre Arbeit. "Man kann beispielsweise den Zerstörungsgrad der Gebäude auf den Bildern abschätzen und diese auch genau verorten, weil alle Bilddaten georeferenziert sind. Außerdem kann man Entfernungen oder auch Durchfahrtsbreiten messen."
Drohnen brauchen keinen Himmel
Zwar werden auch optische Satelliten zur Kartierung von Katastrophengebieten eingesetzt. Allerdings stehen deren Daten erst zur Verfügung, wenn die Satelliten das Gebiet überflogen haben – und wenn dann dort klares Wetter geherrscht hat. Für die Drohne hingegen ist es egal, ob der Himmel klar oder wolkenverhangen ist – sie bleibt unter den Wolken.
Das Werkzeug der beiden bestand aus einer Drohne mit einem am Berliner DLR-Institut entwickelten Kamerasystem. Mithilfe eines ebenfalls am DLR entwickelten Verfahrens zur Echtzeitkartierung werden die zahlreichen Einzelbilder der Drohnenkamera zu einer standardkonformen Luftbildkarte montiert, die dann wiederum mit weiteren digitalen Karten kombiniert werden kann.
"Ziel war, die ganze Stadt zu kartieren und ins Einsatzleitsystem einzubinden" , sagt Geßner. Im Rucksack hatten er und Brauchle für den Tageseinsatz alle verfügbaren Akkus, Laptops und natürlich die Drohne. Um sie fliegen zu lassen, haben sich die beiden anhand einer Karte einen höhergelegenen Platz über der Stadt gesucht, damit, sie freie Sicht auf den Horizont zu haben – "damit wir einfliegende Helikopter früh ausmachen und gefährliche Situationen vermeiden können."
"Wir haben anhand einer Karte den Bereich geplant, den wir abfliegen wollen. Die Flugplanungssoftware erzeugt dann einen Wegpunktpfad, den wir auf die Drohne übertragen. Sie fliegt dann diese geplanten Wegpunkte vollautomatisch ab" , erzählt er. Während die Drohne in der Luft war, mussten sie die Kamera bedienen und falls nötig anpassen sowie das das Fluggerät im Blick behalten.
Die Drohne kann etwa anderthalb Stunden in der Luft bleiben. Dann kehrte sie zum Ausgangspunkt zurück. Nach einem Akkuwechsel ging es wieder in die Luft. Sobald die zu kartierenden Bereiche für einen sicheren Flugbetrieb zu weit entfernt lagen, wechselte das Team zu einem anderen geeigneten Standort. Insgesamt haben die beiden so ein etwa acht Quadratkilometer großes Gebiet abgeflogen.
Waren alle Akkus leer geflogen, ging es mit den Rohdaten zurück ins Basislager. Dort erstellten Geßner und Brauchle anhand der Daten eine Lagekarte. Da es in den ersten Tagen kein Internet im Katastrophengebiet gab, konnten sie per USB-Stick oder über das WLAN im Basislager den Einsatzkräften des I.S.A.R. Germany und des Technischen Hilfswerks (THW) die Karten zu Verfügung stellen.
"Das war der erste Erfolg, nur noch nicht unser selbst gestelltes Ziel. Es war nur eine Insellösung."
Bilder mit 50 Megapixeln Auflösung
Ziel sei gewesen, die per Drohne erzeugten Karten über das Insarag Coordinated Management System (ICMS)(öffnet im neuen Fenster) automatisch und in Echtzeit allen beteiligten Hilfsteams zur Verfügung zu stellen. Insarag, die International Search And Rescue Advisory Group(öffnet im neuen Fenster) (Insarag), ist eine 1991 gegründete Organisation der Vereinten Nationen, die Richtlinien für die internationale Zusammenarbeit bei Katastropheneinsätzen erarbeitet. So soll sichergestellt werden, dass solche Einsätze koordiniert und standardisiert ablaufen, damit alle Hilfskräfte gleich ausgestattet und organisiert sind, so dass alle den gleichen Ausbildungsstand haben.
Die Drohne ist eine Vector des bayrischen Herstellers Quantum Systems(öffnet im neuen Fenster) . Das ist eine Starrflügler mit einer Spannweite von 2,80 Meter und einer Rumpflänge von knapp über 1,60 Meter. Angetrieben wird die Drohne von drei elektrischen Propellern, die zum senkrechten Starten und Landen gekippt werden können. Für den Streckenflug reicht der Propeller am Heck aus. Kürzlich wurden 105 Exemplare an die Ukraine geliefert.
In der Nase ist Macs-Nano installiert. Macs, eine Abkürzung für Modular Airborne Camera System(öffnet im neuen Fenster) ist ein am DLR in Berlin entwickeltes Kamerasystem für die Datenerfassung aus der Luft. Macs-Nano ist die kleinste Ausführung und wurde eigens für solche Einsätze konzipiert. Die Komponenten sind so ausgelegt, dass sie den begrenzten Möglichkeiten der Drohne bezüglich Größe, Gewicht und Stromverbrauch genügen.
Ein Bordcomputer verabreitet die Bilder
Zu Macs-Nano gehört eine Kamera, die im sichtbaren Spektrum des Lichts Bilder mit einer Auflösung von 50 Megapixel aufnimmt. Der Sensor arbeitet mit einer vergleichsweise hohen Bildrate, da die Drohne mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 km/h fliegt. Ein kleiner, leistungsstarker Computer speichert die Rohdaten, versieht die Bilder mit Zeit-, Positions- und Lagedaten und übernimmt einen erheblichen Teil der Bilddatenverarbeitung an Bord.
Das DLR-Team entwickelt bereits eine neue Variante der Macs-Nano. Diese solle zusätzlich Bilder im thermalen Infrarotspektrum aufnehmen, sagt Geßner. Damit könnten dann beispielsweise Brandherde oder Gaslecks leichter aufgespürt werden.
Ein wichtiges Merkmal der Drohne ist eine leistungsfähige Funkstrecke, mit dem sie für Fernsteuerung und die Übertragung von Telemetriedaten ausgestattet ist. "Das hat den Zweck, dass man weit fliegen kann und trotzdem noch Kontrolle über das Fluggerät hat" , sagt Geßner. "Aber man kann über diesen Kanal neben den Telemetriedaten auch noch Nutzdaten übertragen."
Allerdings sind die kompletten 50-Megapixel-Bilder zu groß für die Übertragungkapazität der Funkstrecke. Durch das vom DLR entwickelte und patentierte Verfahren zur Echtzeitkartierung werden jedoch nur die minimalen Bildanteile übertragen, die zur Erstellung der Karte notwendig sind. So landen diese Bilddaten auf einem Rechner am Boden, der daraus ein lückenloses Bildmosaik erstellt, welches über ein Netz weiterverteilt werden kann.
"Wir kennen die Position des Fluggeräts und die Ausrichtung der Kamera zum Zeitpunkt jeder Aufnahme. So können wir jedes Bild lagerichtig auf ein Oberflächenmodell projizieren" , sagt Geßner. Vom Rechner aus können die Daten direkt auf einen eigens gehosteten Webserver übertragen und als Web Map Service (WMS) Layer publiziert werden.
Falls es Internet gibt.
Idee entstand nach dem Erdbeben in Nepal 2015
Die Idee für das System entstand auf einer Delegationsreise nach dem Erdbeben in Nepal 2015(öffnet im neuen Fenster) . Die Entwicklung habe einige Jahre gedauert, sagte Geßner. "Nach vielen Rückschlägen, verschiedenen Trägern und einer stetig weiterentwickelten MACS Kamera waren wir Ende 2022 soweit, dass wir uns vorstellen konnten, dieses System mit in den echten Einsatz zu bringen."
Das I. S. A. R.-Team und die beiden DLR-Wissenschaftler waren am Tag nach dem Erdbeben in Kırıkhan. "Für mich war es das erste Mal in einem solchen Naturkatastropheneinsatz" , erzählt Geßner. "Wir kamen nach zwei Stunden Busfahrt durch Olivenhaine, vorbei an malerischen Bergketten in eine Stadt, wo kaum ein Haus unbeschädigt ist." Ein solches Ausmaß der Zerstörung hätten auch die erfahrenen Kollegen noch nicht erlebt. "Ich war froh, dass ich mich auf meine Arbeit konzentrieren kann – und davon gab es jede Menge. Es waren lange Tage."
Zerstört war auch die Telekommunikationsinfrastruktur. In den ersten Tagen ein Problem für die DLR-Forscher, die auf einen Internetzugang angewiesen sind. "Wir hatten einmal für eine Stunde ausreichend Internet, so dass wir während des Fluges schon live die Karte im Internet hatten" , sagt Geßner. "Das heißt, wir mussten uns vor Ort Gedanken machen, wie wir die Daten vom Basislager aus weiterleiten." Nach einigen Tagen habe sich die Situation gebessert, dann habe Starlink, der Satelliteninternetdienst des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX, zur Verfügung gestanden.
Das Ziel zu erreichen, war aufwendig
"Das war unser Ziel: die Lagekarten, die wir vor Ort erzeugt haben, während des Flugs in das ICMS zu übertragen" , erzählt Geßner. "Das haben wir ja mit einigem Aufwand auch erreicht."
"Diese neue Funktion, also dass wir in Echtzeit in dieses zentrale Lageinformationssystem hineinkommen, gab es bis dato noch nicht" , sagt er. In Kürze soll in Singapur eine Konferenz der Insarag und deren Dachorganisation UN Office for Coordination of Humanitarian Affairs (UN OCHA) stattfinden, bei dem auch der Einsatz in der Türkei Thema sein wird. "Wir sind alle sehr gespannt, wie das Feedback von UN Insarag und UN OCHA ausfallen wird."
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