Wie lassen sich große und unwegsame Naturflächen schneller, genauer und zugleich kostengünstiger erfassen als bisher? Ein innovatives Forschungsteam der Fachhochschule Dortmund liefert mit dem wegweisenden Projekt „SmartFarmScape“ eine technologische Antwort. Unter der Leitung von Prof. Dr. Frank Künemund erforscht der Fachbereich Informatik, wie autonom agierende Drohnenformationen präzise Luftdaten für die Land- und Forstwirtschaft erheben können.
Dezentral organisiertes Steuerungssystem koordiniert Flugbahnen vollautomatisch
Ob für die Früherkennung von Borkenkäferbefall, das Aufspüren von Totholz oder die genaue Analyse von Trockenheit auf Agrarflächen – der Bedarf an hochauflösenden und großflächigen Umweltdaten wächst rasant. Um diese enormen Areale besonders effizient zu erfassen, müssen mehrere unbemannte Fluggeräte gleichzeitig eingesetzt werden. Damit steigen die Anforderungen an die Technik erheblich, da eine manuelle Steuerung einzelner Flieger an Grenzen stößt.
Hier setzt die Neuentwicklung der IT-Spezialist:innen an, die gemeinsam mit Partner:innen aus der Wirtschaft ein innovatives Multi-Agenten-System entworfen haben.
Das technische Herzstück ist die dezentrale Organisation, bei der die Fluggeräte als koordiniertes Team auftreten. Im Gegensatz zu bekannten Drohnen-Lichtshows, bei denen jede Drohne einer fest programmierten Route folgt, kommunizieren diese Modelle 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. Dr. Frank Künemund das Prinzip. Durch diese Echtzeit-Kommunikation stabilisiert sich der Verbund im Luftraum eigenständig. Damit wird die Basis für eine zuverlässige und lückenlose Datenerfassung über dichten Baumkronen oder weiten Feldern gelegt.
Ein präziser Formationsflug im Verbund sichert die anschließende Analyse der erhobenen Umweltdaten
Dieser exakte Formationsflug am Himmel ist keineswegs ein bloßer Selbstzweck, sondern die zwingende Voraussetzung für die anschließende Datenanalyse. Nur in einer präzisen und stabilen Formation entstehen vergleichbare, sich perfekt überlappende Luftaufnahmen. Diese Einzelbilder lassen sich im nächsten Schritt zu einem flächendeckenden Fotomosaik zusammenführen, welches von den Expert:innen detailreich ausgewertet werden kann.
Denn nur wenn Flughöhe, Abstand und Flugbahnen präzise aufeinander abgestimmt sind, lassen sich die aufgenommenen Bilddaten optimal zu einer exakten Gesamtkarte verschmelzen.
Neben der klassischen Land- und Forstwirtschaft kann das System auch für kritische Gefährdungslagen wichtige Hinweise liefern. Hierzu zählen akute Bedrohungen durch extreme Trockenheit oder plötzlich auftretendes Hochwasser im ländlichen Raum.
Der vielseitige Einsatz ist zudem im Katastrophenschutz oder bei behördlichen Sucheinsätzen nach vermissten Personen denkbar. Das flexible System ist auf den jeweiligen Anwendungsfall skalierbar und ermöglicht das schnelle Einbinden weiterer Drohnen in die Formation. „Wir wollen mit unserem System hochwertige Daten liefern, die sich für konkrete Anwendungen nutzen lassen“, betont Künemund den Praxisbezug.
Spezielle Künstliche Intelligenz wertet die gesammelten Bilder direkt am lokalen Feldrand aus
Da die kompakten Drohnen selbst nicht über die nötige Rechenleistung für komplexe Datenanalysen verfügen, senden sie die Bilder live an eine nachgelagerte Bodenstation. Diese Station befindet sich in Form eines geländegängigen Roboters oder eines mobilen Fahrzeugs direkt am Feld- oder Waldrand. Dort können die Daten mittels speziell trainierter Künstlicher Intelligenz nahezu in Echtzeit ausgewertet werden.
Für die Zukunft denken die Forschenden der Fachhochschule Dortmund bereits einen entscheidenden Schritt weiter über das Projektende hinaus. „Ein Wunsch ist die Kombination unseres Systems mit freien Satellitendaten wie dem europäischen Sentinel-2-Programm“, sagt Prof. Dr. Frank Künemund mit Blick auf die kommenden Jahre. Dahinter verbirgt sich eine durchdachte und hocheffiziente Arbeitsteilung der verschiedenen Systeme.
Die KI analysiert zunächst die großräumigen Satellitenbilder und filtert auffällige Veränderungen heraus, wie Areale mit Anzeichen von extremem Trockenstress. Anschließend startet die Drohnenformation der Fachhochschule Dortmund zu einem gezielten, hochauflösenden Kontrollflug vor Ort. Diese Kombination aus globaler Überwachung und lokaler Präzision könnte die Umweltbeobachtung nachhaltig verändern.
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