Wie lassen sich große Flächen schneller, genauer und kostengünstiger erfassen? Gemeinsam im Verbund statt als einsamer Flieger. Im Projekt „SmartFarmScape“ erforscht ein Team um Prof. Dr. Frank Künemund an der Fachhochschule Dortmund, wie autonom agierende Drohnenformationen präzise Luftdaten für die Land- und Forstwirtschaft erheben können.
Ob für die Früherkennung von Borkenkäferbefall, das Aufspüren von Totholz oder die Analyse von Trockenheit auf Agrarflächen, der Bedarf an hochauflösenden und großflächigen Umweltdaten wächst. Um große Flächen besonderes effizient zu erfassen, müssen mehrere Drohnen gleichzeitig eingesetzt werden. Damit steigen die Anforderungen erheblich. Denn nur wenn Flughöhe, Abstand und Flugbahnen präzise aufeinander abgestimmt sind, lassen sich die aufgenommenen Bilddaten optimal zu einer exakten Gesamtkarte zusammenführen.
Hier setzt das Forschungsprojekt „SmartFarmScape“ der FH Dortmund an. Unter der Leitung von Prof. Dr. Frank Künemund wurde am Fachbereich Informatik gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft ein innovatives Multi-Agenten-System entwickelt, bei dem mehrere Drohnen als koordiniertes Team auftreten. Das technische Herzstück ist die dezentrale Organisation des Verbunds. Im Gegensatz zu bekannten Drohnen-Lichtshows am Nachthimmel, bei denen jede Drohne einer fest programmierten Route folgt, kommunizieren die „SmartFarmScape“-Drohnen während des Flugs direkt miteinander. „Es gibt einen sogenannten Leader, dem die restlichen Drohnen folgen. Dabei regulieren sie völlig selbstständig den exakten Abstand und die Höhe, selbst wenn unerwartete Windböen die Formation stören“, erklärt Prof. Künemund.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Dieser exakte Formationsflug ist kein Selbstzweck, sondern die Voraussetzung für die anschließende Datenanalyse. Nur in einer präzisen Formation entstehen vergleichbare, überlappende Luftaufnahmen, die sich anschließend zu einem flächendeckenden Fotomosaik zusammenführen und auswerten lassen. Neben Land- und Forstwirtschaft kann das System auch für Gefährdungslagen, etwa bei Trockenheit oder Hochwasser, wichtige Hinweise liefern. Der Einsatz ist zudem im Katastrophenschutz oder bei behördlichen Sucheinsätzen nach vermissten Personen denkbar. „Wir wollen mit unserem System hochwertige Daten liefern, die sich für konkrete Anwendungen nutzen lassen“, so Prof. Künemund.
Da die kompakten Drohnen selbst nicht über die nötige Rechenleistung für komplexe Datenanalysen verfügen, werden die Bilder an eine nachgelagerte Bodenstation, etwa einen geländegängigen Roboter oder ein mobiles Fahrzeug, direkt am Feld- oder Waldrand übertragen. Dort können sie mittels speziell trainierter Künstlicher Intelligenz (KI) nahezu in Echtzeit ausgewertet werden.
Das Projekt wird vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert und befindet sich derzeit in der finalen Phase. Doch die Forschenden der FH Dortmund denken bereits weiter. „Ein Wunsch ist die Kombination unseres Systems mit freien Satellitendaten wie dem europäischen Sentinel-2-Programm“, sagt Prof. Künemund. Die Idee dahinter ist eine intelligente Arbeitsteilung: KI analysiert zunächst die großräumigen Satellitenbilder, filtert auffällige Veränderungen heraus, etwa Areale, die Anzeichen von extremem Trockenstress zeigen. Anschließend startet die Drohnenformation der FH Dortmund zu einem gezielten, hochauflösenden Kontrollflug vor Ort. Das System ist auf den jeweiligen Anwendungsfall skalierbar und ermöglicht das schnelle Einbinden weiterer Drohnen in die Formation.