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Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA)
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Artikel

Autor(en): Uli Riemer
Redaktion: FVA, Deutschland
Kommentare: Artikel hat 2 Kommentare
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Drohnen über dem Wald – zum Einsatz von unbemannten Fluggeräten

Unbemannte ferngesteuerte zivile Luftfahrsysteme, umgangssprachlich "Drohnen" genannt, erleben weltweit einen ungeheuren Boom, der sich auch in Deutschland in sehr hohen Verkaufszahlen niederschlägt. Genau Angaben darüber, wie viel Drohnen derzeit unterwegs sind, gibt es nicht. Die Deutsche Flugsicherung (DFS) hat bis Oktober 2016 die Zahl auf 400.000 Systeme geschätzt und prognostiziert bis 2020 etwa 1,2 Millionen Flugsysteme. Unabhängig von der Richtigkeit dieser Prognosen ist eines sicher: Der überwiegende Teil der Drohnen befinden sich im Privatgebrauch und ist entgegen der gesetzlichen Vorgaben weder versichert noch gekennzeichnet.

FVA-Quadrokopter: Vorbereitung des Drohnenflugs
Abb. 1: FVA-Quadrokopter: Vorbereitung des Drohnenflugs. (Foto: FVA/Weidner)

Inhalt

Dies gilt natürlich nicht für die beiden Quadrokopter, die derzeit an der FVA eingesetzt werden (Abb. 1, 3, 7). Für den Betrieb der FVA-Kopter wurde schon im Jahr 2016 eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt und eine Betriebsanweisung formuliert. Die gesetzlich vorgeschrieben Haftpflichtversicherung ist bei Landeseinrichtungen wie der FVA durch die Bestätigung der Selbstversicherung nachgewiesen.

Rückblick und Hintergrund

Im April 2017 hat das BMVI (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur) die sogenannten "Drohnenverordnung" verkündet (Abb. 2). Darin wird der gewerbliche und private Einsatz von Drohnen in Deutschland geregelt. Hintergrund für diese Verordnung war die Zunahme von Drohnen im Luftraum und das damit verbundene Risiko für Dritte durch Kollisionen und Abstürze. Ereignisse wie der Fast-Zusammenstoß des Ski-Rennfahrers Marcel Hirscher mit einer professionellen Kameradrohne im Jahr 2015 zeigen das Gefahrenpotential bei dem Verlust der Eingriffsmöglichkeiten auf das Fluggerät. Im Jahr 2017 wurden, bewusst oder unbewusst verursacht, 88 Behinderungen des Luftverkehrs der Deutsche Flugsicherung (DFS) gemeldet. Gleichzeitig will die "Drohnenverordnung" das Zukunftspotential dieser Technologie fördern und einen verlässlichen Rechtsrahmen für weitere Entwicklungsmöglichkeiten im gewerblichen Einsatz gewährleisten.

Die Grafik zeigt die gesetzlichen Regelungen der "Drohnenverordnung"
Abb. 2: Die Grafik zeigt die gesetzlichen Regelungen der "Drohnenverordnung" Quelle (zum Vergrößern Abbildung anklicken).

Begrifflichkeiten und Bautypen

  • Drohnen sind unbemannte Fluggeräte, die nach dem Luftverkehrsgesetz (LuftVG) unterschieden werden in "unbemannte Luftfahrsysteme" bei gewerblicher Nutzung und in "Flugmodelle", wenn der Zweck im Sport- und Freizeitbereich liegt. Neben dem Begriff "Drohnen" wird im internationalen Sprachgebrauch und in internationalen Regelwerken häufig UAV ("Unmanned Aerial Vehicles") für das Fluggerät und UAS ("Unmanned Aerial System") für die gesamte Flugeinheit mit Fluggerät (Airframe), Steuerung und Sensorik bezeichnet. Das synonym eingesetzte Kürzel RPAS ("Remotely Piloted Aircraft Systems") findet man in den internationalen Regelwerken und bezeichnet unbemannte, meist zivile Fluggeräte, die vom Boden aus gesteuert werden.
Der Autor beim Start des FVA-Quadrokopters
Abb. 3: Der Autor beim Start des FVA-Quadrokopters. (Foto: FVA/Weidner)
  • Multikopter sind Drehflügler mit einer unterschiedlicher Anzahl an horizontal angebrachten Rotorblättern, die als Quadro-, Hexa-, oder Oktokopter, also mit vier, sechs oder acht Rotorblättern ausgestattet sind. Durch die Senkrechtstart-Eigenschaften sind diese ideal bei wenig Platz für Start und Landung. Die limitierende Akkukapazität führt zu relativ kurzen Flugzeiten von 20-30 min, was sich wiederum auf einer geringere Flächenleistung von maximal 50 ha pro Flug niederschlägt.
  • Starrflügler (Fixed Wing) haben wie Flugzeuge Tragflächen und werden meist durch einen Front- oder Heckrotor angetrieben. Durch die guten Gleiteigenschaften, die damit erzielte höhere Geschwindigkeit und den verhältnismäßig geringeren Stromverbrauch, haben diese Geräte eine vielfach höhere Flächenleistung. Wenn auch ein Start aus der Hand möglich ist, benötigt der Starrflügler spätestens bei der Landung ein Mindestmaß an freier Einflugfläche.
  • VTOL (Vertical Take Off and Landing) oder Tilt Wing ist eine der neueren Entwicklungen und verbindet die Eigenschaft des Senkrechtstartens wie ein Multikopter mit der Flächenleistung eines Starrflüglers durch die Verwendung von Tragflächen. Nach dem Start drehen sich die horizontal angeordneten Rotoren in die Horizontale und das Fluggerät geht in den Flächenflug über. Die Landung erfolgt durch das Zurückkippen der Rotoren in die Horizontale.

Neben diesen drei grundsätzlichen Konstruktionstypen gibt es noch zahllose Abwandlungen und spezielle technische Varianten wie beispielsweise ein kabel- bzw. glasfasergebundener Multikopter. Über die dünne Kabelverbindung wird der Datenverkehr abgewickelt und versorgt das Fluggerät dauernd mit Energie. So wäre theoretisch ein rund um die Uhr Betrieb möglich. Beispiele für eine "tethered Drone" finden sich zum Beispiel bei www.elistair.com. Die Firma www.flyability.com hat ein Drahtgeflecht kugelförmig um den Kopter gespannt. So sind Rotoren wie auch die Sensorik vor Beschädigung geschützt.

Regelungen der Drohnenverordnung in Stichworten

  • Haftpflichtversicherung: Für alle Drohnen, sowohl für unbemannte Luftfahrsysteme (für gewerblichen Einsatz) als auch für Flugmodelle (für Hobbyeinsatz) gilt, dass seit dem 1. Oktober 2017 eine Haftpflichtversicherung bestehen muss. Für gewerbliche oder private Nutzer bieten zum Beispiel die deutschen Modellfliegerverbände Informationen zu den Haftpflichtversicherungen (www.copter.aero).
Plakette entsprechend der Kennzeichnungspflicht
Abb. 4: Plakette entsprechend der Kennzeichnungspflicht. (Foto: FVA/Weidner)
  • Kennzeichnungspflicht: Ebenfalls seit dem 1. Oktober 2017 müssen alle Drohnen über 0,25 kg Abfluggewicht mit einer feuerfesten Plakette an einer gut sichtbaren Stelle gekennzeichnet werden. Die Plakette kann zum Beispiel über Modellfliegervereine bezogen werden und muss den Namen und die Adresse des Eigentümers enthalten (Abb. 4).
  • Kenntnisnachweis: Wer unbemannte Fluggeräte mit einer Startmasse von mehr als zwei Kilogramm betreiben will, muss einen Kenntnisnachweis ("Drohnenführerschein") ablegen. Jeweils 20 Fragen aus den Gebieten Luftrecht, Meteorologie und Flugbetrieb müssen in einem 60minütigen Multiple-Choice-Test beantwortet werden. Wer in jedem der drei Disziplinen mindestens 75% der Fragen richtig beantwortet, bekommt den Nachweis mit einer Gültigkeit von fünf Jahren und darf sich Drohnenpilot nennen. Informationen zu den Prüfungsinhalten und Prüfungsunternehmen bei denen der Kenntnisnachweis abgelegt werden kann, bietet unter anderem der Verband für unbemannte Luftfahrt UAV-DACH.
    Fluggeräte über fünf Kilogramm Abfluggewicht bedürfen einer behördlichen Betriebserlaubnis und bei Systemen über 25 kg besteht ein Betriebsverbot. Für land- und forstwirtschaftliche Zwecke sind Ausnahmegenehmigungen möglich. Zuständig sind hier die Luftfahrtbehörden der Länder.
  • Flughöhen: Erlaubnisfrei ist der Aufstieg auf maximal 100 m über Grund, über 100 m besteht ein Betriebsverbot. Ausnahmegenehmigungen sind über die Luftfahrtbehörde der Länder mit entsprechender Begründung möglich. Auf 50 m begrenzt ist die Flughöhe in Flugkontrollzonen. Diese sind in der Nähe von Verkehrsflughäfen und gewährleisten in einem Radius von 10-35 km um das Rollfeld den sicheren An- und Abflug von Verkehrsflugzeugen. Wo sich Kontrollzonen oder Flugverbotszonen befinden, lassen sich über zahlreiche auch kostenfreie Apps abfragen, wie zum Beispiel Map2Fly, DFS DrohnenApp, openAIP, myFLY.zone.
Screenshot der DFS-DrohnenApp. Die roten Kreise sind Flugverbotszonen von Flughäfen, Heli-Ports, Krankenhäuser, etc. Die roten Flächen sind Naturschutzgebiete
Abb. 5: Screenshot der DFS-DrohnenApp. Die roten Kreise sind Flugverbotszonen von Flughäfen, Heli-Ports, Krankenhäuser, etc. Die roten Flächen sind Naturschutzgebiete.

Screenshot der App UAV-Forecast. Die App prüft wichtige Umgebungsparameter die für einen sicheren Flug am Ort notwendig sind wie aktuelle Windgeschwindigkeit, Navigationssatellitenverfügbarkeit und den Kp-Index: Eine Kennziffer, die Hinweise auf mögliche Störung des GNSS-Empfangs aufgrund von geomagnetischen Teilchen in der Ionosphäre gibt
Abb. 6: Screenshot der App UAV-Forecast. Die App prüft wichtige Umgebungsparameter die für einen sicheren Flug am Ort notwendig sind wie aktuelle Windgeschwindigkeit, Navigationssatellitenverfügbarkeit und den Kp-Index: Eine Kennziffer, die Hinweise auf mögliche Störung des GNSS-Empfangs aufgrund von geomagnetischen Teilchen in der Ionosphäre gibt.

Die UAV-Hersteller wie DJI haben meist die Flugverbots- und Flugbeschränkungsgebiete in die Flugsteuerung integriert und erlauben den Aufstieg lediglich in Gebieten ohne Flugverkehrsbeschränkungen.

Diese Flugverbotszonen (NFZ/No-Flight Zones) sind:

  • Menschenansammlungen, als Faustzahl gelten eine Gruppe von 12 Personen
  • Unglücksorte und Katastrophengebiete
  • Militärische Anlagen, Manövergebiete, Verfassungsorgane Bund/Länder, Liegenschaften der Polizei und Sicherheitsbehörden
  • Krankenhäuser, Industrieanlagen, Anlagen der Energieerzeugung und -verteilung, Justizvollzugsanstalten
  • Verkehrswege wie Bahnanlagen und dazugehörige Bahninfrastruktur, Autobahnen und Bundesstraßen, Bundeswasserstraßen
  • Naturschutzgebiete nach §23 Abs. 1 BNatSCHG

Die Möglichkeit der Ausnahmegenehmigung in besonderen Fällen hat der Gesetzgeber auch hier eingeräumt, wenn diese entsprechend begründet werden.

Ein Überflugverbot gilt für Wohngrundstücke, wenn die Drohne über mehr als 0,25 kg Startmasse verfügt oder eine Ausrüstung mitführt, die in der Lage ist, optische, akustische oder Funksignale zu empfangen, zu übertragen oder aufzuzeichnen. Nur wenn der Grundstückseigner und alle Nutzungsberechtigten zustimmen, ist ein Überflug möglich.

  • Sichtverbindung: Eine der wesentlichsten Einschränkungen für den UAV-Einsatz im Wald stellt die Auflage nach direktem Sichtkontakt zwischen Fluggerät und Steuerndem dar. Dies gilt für alle Fluggeräte bis fünf Kilogramm Abfluggewicht. Derzeit lässt sich diese Auflage nur durch häufigen Positionswechsel realisieren. Es ist aber zu erwarten, dass in naher Zukunft verlässliche technische Hilfsmittel wie Sensoren zur Kollisionsvermeidung das Risiko eines Unfalles minimieren. Auch sind schon Systeme realisiert, die über eine Zweitkamera den umgebenden Flugraum abbilden und dem Steuernden das UAV-Livebild auf eine Videobrille übertragen. Damit können Hindernisse aus der Geräteperspektive erkannt und entsprechend gehandelt werden.
    Flüge ohne Sichtverbindung, im fachlichen Sprachgebrauch BVLOS (Beyond Visual Line Of Sight) genannt, sind nur mit entsprechenden Genehmigungsverfahren realisierbar. Der Gesetzgeber hat mit den "Gemeinsamen Grundsätzen des Bundes und der Länder für die Erteilung von Erlaubnissen und die Zulassung von Ausnahmen zum Betrieb von Unbemannten Fluggeräten gemäß § 21a und §21 b Luftverkehrs-Ordnung (Luft-VO)" die Möglichkeit eingeräumt, Flüge außerhalb der Sichtweite in Ausnahmefällen zu erlauben.
Der FVA-Quadrokopter im Flug
Abb. 7: Der FVA-Quadrokopter im Flug. (Foto: FVA/Weidner)
  • Flugvorbereitung: Jeder Steuernde muss mit den Betriebsabläufen seines Fluggerätes vertraut sein. Wetterinformationen und Windgeschwindigkeiten sind vor dem Flug einzuholen. Ebenso sind Einschränkungen in der Luftraumstruktur vorab zu klären. Hierzu veröffentlicht die Deutsche Flugsicherung (DFS) temporäre oder permanente Anordnungen und Verfahren von flugrelevanten Informationen, auch für Drohnensteuerer, in sogenannten NOTAMs (Notices to Airmen, Nachrichten für Luftfahrer).

  • Aufstiegserlaubnis: Mit Inkrafttreten der "Drohnenverordnung" am 07.04.2017 ist für den gewerblichen UAV-Einsatz die Beantragung einer Aufstiegsgenehmigung von Fluggeräten unter fünf Kilogramm Startgewicht nicht mehr notwendig. Die Länder haben diese Regelung unterschiedlich ausgestaltet. In vielen Bundesländern wird eine gebührenfreie Allgemeinverfügung über die Internetportale der Luftverkehrsbehörden angeboten. Das Formular ist wie eine selbstverpflichtende Erklärung gestaltet, die heruntergeladen, ausgefüllt und zurückgeschickt wird. Der Antrag gilt meist ab dem Antragsdatum als erteilt und muss bei jedem Flug mitgeführt werden. Die Gültigkeit der Allgemeinverfügung in Baden-Württemberg beträgt zwei Jahre und ist gebührenfrei. In jedem Fall müssen die bundeslandspezifischen Regeln über die zuständigen Landesluftfahrtbehörden geprüft werden. Fluggeräte mit einem Aufstiegsgewicht von über fünf Kilogramm benötigen weiterhin eine spezielle Einzel-Aufstiegserlaubnis der jeweiligen Landesluftfahrtbehörde.

Bewertung und Ausblick forstlicher Anwendungen

Der wohl derzeit größte Nutzen bei dem UAV-Einsatz im Wald ist das zeitnahe und selbständige Erstellen von aktuellen Aufnahmen, Bildern oder Filmen aus der Luft. Die früher verbauten relativ einfachen handelsüblichen Digitalkameras werden durch hochauflösenden Ultra HD (4K)-Kameras abgelöst. Selbst aus einfachen Luftaufnahmen lassen sich Schadereignisse in der Flächenausdehnung erfassen. Aus hochaufgelösten und softwaretechnisch bearbeiteten Bildern lassen sich 3D-Modelle erstellen und in der Folge inventurrelevante Informationen wie Baumhöhen, Kronenparameter, Stammzahlen usw. ableiten. Grundsätzlich wird der Nutzen der UAV-Technologie von den Sensoren bestimmt, die an dem Fluggerät angebracht sind. Multispektralkameras messen mit mehreren Sensoren gleichzeitig in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und können über das Reflexionsverhalten der Baumkronen Hinweise auf den Zustand der Bäume geben. Diese Zusammenhänge sind Gegenstand von Untersuchungen zur Borkenkäfer-Früherkennung in mehreren Bundesländern.

Ein weiterer Aspekt, der durch die UAV-Technologie erst möglich wird, ist die zu erwartende Verbesserung der Positionsbestimmung. Dadurch, dass die Empfangseinheit des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) sich am Fluggerät und damit oberhalb des Kronendachs befindet, wird das GNSS nicht durch Baumkronen abgeschirmt. Es ist mit einer spürbaren Verbesserung der Signalempfanges und damit der Positionsbestimmung zu rechnen.

Wärmebildkameras, Laserscanner, Nah-Infrarotkameras oder auch Transportbehälter: die Nutzung von unbemannten Fluggeräten in Bezug auf Wald und die ersten Erkenntnisse sind vielversprechend und lassen auf viele interessante Anwendungen hoffen.

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