Feldarbeit

Publikation: Langdistanz-UAV für das Monitoring von kalbenden Gletschern in Grönland

Im Rahmen meiner Teilzeitanstellung in der Glaziologie der ETH Zürich zwischen 2012 und 2018 hatte ich die einmalige Chance, an einem UAV-Projekt mitzuarbeiten. Zusammen mit meinem damaligen Arbeitskollegen Guillaume Jouvet entwickelten wir ein UAV-System, das für sehr grossen Flugdistanzen von bis zu 180 km ausgelegt ist.

Diese enorme Reichweite war für das parallele Monitoring mehrerer kalbenden Gletscher im Fjord von Inglefield Bredning in Nordwestgrönland notwendig. Nur deshalb konnten wir während der Expedition im Sommer 2017 mit unseren UAV’s von der Insel und Ortschaft Qeqertat aus während rund zwei Wochen ein Monitoring von fünf kalbenden Gletschern gleichzeitig durchführen.

Die Entwicklung dieser Langdistanz-UAV’s ist jetzt in einem technischen Paper in frontiers in Earth Science publiziert (G. Jouvet, Y. Weidmann, E. van Dongen, M. P. Lüthi, A. Vieli, and J. C. Ryan, “High-Endurance UAV for Monitoring Calving Glaciers: Application to the Inglefield Bredning and Eqip Sermia, Greenland,” Front. Earth Sci., vol. 7, p. 206, 2019.). Das Paper geht dabei auf besonders auf die Konzeption und den Bau ein und beschreibt die Besonderheiten, die es für die erfolgreiche Anwendung in den hohen Breitengraden von Nordgrönland zu beachten galt. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse damit für weitere Projekte genutzt werden können.

Der Expedition 2017 mit dem Bau und der Anwendung der Langdistanz-UAV ging eine mehrjährige, sehr intensive Arbeit voraus. Während zwei Expeditionen 2015 und 2016 mussten wir uns zuerst das gesamte Rüstzeug erarbeiten. Dass dies nicht immer einfach war, ist in der SRF-Reportage Expedition in die bedrohte Arktis von 2015 dokumentiert. Guillaume Jouvet hat zudem über den ersten Einsatz unseres UAV-Eigenbaus 2016 einen schönen Kurzfilm gedreht. Eine ausführliche Präsentation gibt einen zusätzlichen Gesamteindruck des Projektes.

MovingSensors Lösung: Roboter-Tachymetrie

Grundsätzlich arbeitet das Messsystem von MovingSensors mit der Lokalisierung der Sensoren über GPS-Daten. In verschiedenen Situationen kann aber keine zuverlässige Positionierung über das GPS-Signal garantiert werden. Zum Beispiel bei grossen Gebäudefronten, wie die der Werfthallen des Flughafen Zürich, liefert es zu wenig genaue und zuverlässige GPS-Daten.

Es musste eine alternative, respektive ergänzende, Methode zur bisherigen Positionierung mit GPS entwickelt werden – ohne aber die Erfassungsgeschwindigkeit von rund 2m/s des Messfahrzeuges zu beeinflussen.

Für die grossen und offenen Flächen des Flughafen Zürichs wurde ein kombiniertes Verfahren GPS-Tachymetrie entwickelt. Zusätzlich zum GPS-Empfänger wird direkt unterhalb der GPS-Antenne ein 360-Grad Reflektor montiert. Mit dieser Konstellation kann die Referenzposition des Systems entweder mit GPS oder mit Tachymetrie oder mit beidem erfasst werden.

Um die Messungen weiterhin mit 2m/s durchführen zu können, wurde die Möglichkeit der Roboter-Tachymetrie, respektive der automatischen Zielverfolgung von Leica-Tachymetern getestet. Dabei durchfuhr das Messfahrzeug einen Kurs auf einer Schleuderkurs-Anlage des TCS in Frick. Die Distanz zwischen Tachymeter und Messfahrzeug betrug dabei zwischen 5 und 100m. Trotz der verhältnismässig hohen Winkelgeschwindigkeit des Messfahrzeuges zum Tachymeter konnte dieser den 360-Grad Reflektor zuverlässig verfolgen. Auch kurze Abschattungen des Reflektors konnte der Tachymeter überbrücken.

Mit diesem Test konnte das Messkonzept von MovingSensors soweit ergänzt werden, dass auch in GPS-technisch schwierigen oder unmöglichen Situation Messungen erfolgreich durchgeführt werden können.

Inbetriebnahme der Software GeoFaceAcquire im Semmering-Basistunnel

Für die Erstellung von 3D-Modellen der vier Tunnelvortriebsrichtungen im Semmering-Basistunnel in Österreich braucht die Firma Marti Tunnel AG eine zuverlässige Erfassung und Verwaltung der Fotoaufnahmen. Also programmierten wir die Applikation GeoFaceAcquire.

Die Applikation ist auf stabilen und tunneltauglichen Tablets installiert, die wiederum in den jeweiligen Tunnelröhren beim Mannschaftscontainer installiert und über LAN mit dem Baustellenserver verbunden sind.

Um allfällige Fallstricke zu entdecken, fand die Inbetriebnahme der Applikation direkt auf der Baustelle und in den vier Vortrieben statt. Eindrücklich und ungewohnt! Verschiedene kleinere Fragen und Probleme wurden vor Ort diskutiert und behoben. Doch nach einigen anfänglichen Netzwerkproblemen innerhalb der verschiedenen Tunnelröhren wurde ein stabiler Betrieb hergestellt.

Lichtmessungen bei 8 km/h in Delta Süd, Flughafen Zürich

Im Bereich Delta Süd (westlich der Werft-3) des Flughafens Zürich wurden rund 12 neue Flugzeug-Standplätze erstellt und mit neuen LED-Leuchtsystemen ausgestattet.

Bevor die Standplätze in den regulären Betrieb übergeben werden, muss jedoch geprüft werden, ob die international vorgeschriebenen Lichtmengen innerhalb der Standplätze eingehalten werden. Erst nach einer erfolgreichen Messung und Auswertung kann das Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) die Betriebsbewilligung erteilen.

Der geforderte Messraster mit einem Punktabstand von 5m umfasste für dieses Gebiet rund 3’600 Messpunkte. An jedem dieser Messpunkt musste die einfallende Lichtmenge von 5 verschiedenen Richtungen gemessen werden.

Um die 3’600 Messpunkte anzufahren, waren rund 10km Fahrstrecke nötig. Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 8km/h benötigten wir für die gesamte Messfahrt knapp eine Stunde, während der an rund 50’000 Positionen die einfallende Lichtmenge aus allen 5 Richtungen gemessen und gespeichert wurden.

Das anschliessende Post-Processing analysierte die Messdaten und aggregierte die 50’000 Positionen auf die 3’600 Messpunkte. Schlussendlich wurden die Datensätze zusammengestellt, welche für die Betriebsbewilligung des BAZL nötig sind.

Lichtmessung auf zwei Rädern für den Heli-Pad REGA Kloten

Mitte Februar 2018 nutzte das Team von MovingSensors das stabile und trockene Wetter, um die Lichtmenge und -verteilung weitere Flugzeug-Standplätze am Flughafen Zürich-Kloten zu messen.

Diesmal musste neben der üblichen Messkonfiguration – Messsensor auf dem Autodach und kontinuierliche Befahrung der grossflächigen Flugzeug-Standflächen – auch die Lichtmenge des REGA-Helipads ausgemessen werden. Statt der üblichen Rasterweite der einzelnen Messpunkte von 5m war hier ein Raster von 2.5m gefragt.

Die kleine Rasterweite und die engen Platzverhältnisse forderten eine kreative, wendige Lösung für die Montage des Messsensors. Der Schritt von vier zu zwei Rädern lag nahe… Also konstruierten wir eigens eine Vorrichtung, um den Sensor auf einem Veloanhänger in 2m Höhe zu montieren. Um die Messungen möglichst effizient durchzuführen, wurden die einzelnen Messpunkte dann direkt mit dem Velo angefahren.

Zur Navigation nutzten wir wie üblich die Messkonfiguration QGIS als Navigationssoftware. Das verwendete Tablet wurde mit einer Halterung am Velolenker montiert – so konnte der Operateur die geforderten Messpunkte genau anfahren.

Indoor-Navigation auf dem Prüfstand in der Tunnelbaustelle Gubrist

Was eignet sich besser für einen Praxistest eines Indoor-Navigationssystems als eine Tunnelbaustelle? Sie bietet eine staubige, dunkle und oftmals wenig übersichtliche Situation, in der sich neben der eigentlichen Applikation des Indoor-Navigationssystems auch dessen Praxistauglichkeit sofort testen lässt. Und mit dem ausgedehnten 3D-Passpunktnetz der Vermessung steht auch eine optimale Testumgebung für die Genauigkeit des Systems zur Verfügung.

Die ständig zirkulierenden Lastwagen und Mannschaftswagen führten immer wieder zu Abdeckungen der Positionssender. Damit wurde auch die Stabilität der gemessenen Position getestet: Mit dem verwendeten System und der zusätzlich programmierten Applikationen konnten in der Lage eine Genauigkeit von unter 20cm erreicht werden. Die Höhengenauigkeit war zwar wesentlich schlechter, doch das war auf die nicht optimale vertikale Verteilung der Sender zurückzuführen.

Fazit: Grundsätzlich ein erfolgreicher Test, der für weitere Entwicklungsschritte motiviert!