Drohnen mit Wärmebildkamera

Thermografie mit Drohnen, die Anwendung machts!

Der Einsatz von Drohnen als Wärmebildlösung hat sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt. Immer öfter setzen professionelle Anwender Drohnen gezielt für thermografische Zwecke ein. Durch die einfache Handhabung der Technik ist dessen Einsatz mittlerweile auch für den Laien ein Kinderspiel geworden. Dennoch sollten Sie die wichtigsten Randbedingungen beachten, denn nicht jeder von uns ist ein zertifizierter Thermograph. Wir geben einen Überblick über die Theorie und Technik.

Aus einer Oberfläche entsteht ein Bild

Thermografie beruht auf Messungen der Infrarotstrahlung im elektromagnetischen Frequenzspektrum. Die Intensität emittierter Infrarotstrahlung an der Körperoberfläche wird mit Infrarot-Detektoren, umgangssprachlich "Wärmebildkameras" berührungslos erfasst. Das Messergebnis wird bildhaft in Falschfarben dargestellt, da die originäre Wellenlänge der Infrarotstrahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Die Messwerte werden dann in Grau- oder Farbwertbilder angezeigt, wobei jeder Wert anhand einer Greyscale bzw. Farbskala einer Intensität zugeordnet wird. Werden radiometrische Infrarotmessgeräte genutzt, kann einem Messwert auch eine Temperatur zugeordnet werden. Hierfür sind aber aufwendige Kalibrierungen notwendig. Der Hersteller FLIR kennzeichnet diese Geräte durch ein "R" (kurz für radiometric) in der Produktbeschreibung und diese sind entsprechend preislich teurer.

Um Sensoren an Drohnen leicht, klein und kompakt zu halten, werden ungekühlte Microbolometer eingesetzt. Der verbaute Wärmebildsensor absorbiert eingehende Strahlung im Infrarotbereich (Wellenlänge 8 bis 13µm). Dabei wird die Temperaturänderung im Inneren ausgewertet. In der Wissenschaft wird für die Detektion kleinster Temperaturdifferenzen auf gekühlte Systeme zurückgegriffen. Die Empfindlichkeit des Sensors ist erheblich höher.

Doch für die meisten Anwendungsgebiete in Kombination mit Drohnen sind relative Intensitätsmessungen ausreichend. Entscheidend ist das Wissen zu möglichen Einflussfaktoren auf das Messergebnis.

Worauf habe ich bei der Bildaufnahme zu achten?

Jede Oberfläche gibt Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab (Emission). Eine Infrarotaufnahme ist demzufolge immer die Summe aller auf die Linse bzw. den dahinterliegenden Sensor treffende Strahlung. Diese wird maßgeblich durch die Emission und Reflexion der Umgebung beeinflusst.

Die Emission eines Objektes muss sich deutlich von der Emission der Umgebung unterscheiden lassen. Besonders an warmen, sonnigen Tagen ist dies zu berücksichtigen. Objekte wären sonst nur mäßig von der Umgebung zu unterscheiden. Auch Wind oder Regen führt zur Wärmekonvektion an der Oberfläche und verfälschen damit das Messergebnis.

Trifft Umgebungsstrahlung, wie bspw. der Sonne, auf ein Objekt, wird diese in Abhängigkeit von Form und Farbe der Oberfläche zusätzlich reflektiert. Hellere oder glänzende Oberflächen, bspw. bei Metallen führen zu erhöhter Reflexion. So kann Sonneneinstrahlung durch starke Reflexionen die Emission einer Oberfläche übertreffen und Fehlinterpretationen verursachen.

Das heißt es muss auch sichergestellt sein, dass das was ich erkennen möchte, überhaupt erkannt werden kann. Andernfalls werden Aufnahmen ohne Aussagekraft erzielt.

Um entsprechende Temperaturdifferenzen bei einer Messung vorzufinden, ist bspw. in der Rehkitzrettung wichtig auf die richtige Tageszeit zu achten. Das Rehkitz was man erkennen möchte, muss sich mit seiner Körpertemperatur ausreichend von der Umgebung abheben, damit man es erkennen kann.

Generell ist auch von Schrägaufnahmen in der Thermografie abzuraten, um Parallelprojektionen zu vermeiden. Auffälligkeiten werden bei Missachtung des Aufnahmewinkels in der falschen Ausprägung interpretiert bzw. dokumentiert. Besonders bei gekrümmten Oberflächen ist dies eine Herausforderung für die Thermografie. Um ein bestmögliches Ergebnis zu erzielen, ist es daher sinnvoll sich mit folgenden Zusammenhängen auseinander zu setzen.

Zusammenhang Entfernung und Detailgrad

Die Auflösung beschreibt den Detailgrad der Bildaufnahme, ausgedrückt in Millimeter pro Pixel. Einfluss auf diese Größe haben Brennweite, Entfernung oder Flughöhe sowie Pixelanzahl (Megapixel) des Kamerasensors.

Je größer die Flughöhe bzw. die Entfernung zum Objekt, desto größer ist der erfasste Bildausschnitt, doch der Detailgrad einer Aufnahme reduziert sich dadurch. Maßgeblich für eine optimale Entfernung ist das kleinste Maß, dass es noch zu detektieren gilt. Bei jedem Flug muss sich die Frage gestellt werden, ob mit den gewählten Maßnahmen überhaupt etwas erkannt werden kann. Um Wärmebrücken an Gebäuden oder Fehler auf Solaranlagen erkennen zu können, müssen diese entweder erst weit fortgeschritten sein oder die Flughöhe muss entsprechend verringert werden.

Für einen Vergleich wurden drei unterschiedlich temperierte Apfelsaftflaschen aus 5m Entfernung aufgenommen. Während sich die gekühlte Flasche links im Bild noch sehr gut abhebt von der Umgebung, ist die erwärmte Flasche rechts im Bild nur schwer zu erkennen. Eine geringe Auflösung lässt die beiden wärmeren Flaschen gänzlich verschwinden.

Die Flughöhe ist besonders bei Verwendung eines niedrig aufgelösten Bolometers in der Rehkitzrettung zu beachten. Im ungünstigsten Fall muss so tief geflogen werden, dass das Tier eher von den Propellergeräuschen aufgeschreckt wird, als dass es entdeckt wird. Besser ist hier eine höher auflösende Wärmebildkamera zu verwenden, um auch die Rehkitze aus größeren Höhen zu erkennen.

Auf was kommt es bei dem Sensor noch an?

Die entscheidenden Leistungsmerkmale eines Wärmebildsensors sind neben der Auflösung (angegeben in px):

• Sensorgröße und Brennweite
• Empfindlichkeit (angegeben in mK) und Bildoptimierung
• Bildwiederholfrequenz (angegeben in Hz)
• Qualität der Linsen

Grundsätzlich ergibt die Kombination aus Sensorgröße des Bolometers und die Brennweite eines Objektivs den Bildwinkel. Dieser bestimmt abgesehen von der Entfernung den Bildausschnitt. Die Größe einer Abbildung ist bei gleicher Entfernung dagegen nur von der Brennweite abhängig.

Bei gleicher Sensorgröße wirken lange Brennweiten wie ein Teleobjektiv und kurze Brennweiten, wie ein Weitwinkelobjektiv. Letzteres hat den Vorteil einen größeren Bildausschnitt zu erfassen, verzerrt aber zum Rand hin das Motiv zunehmend. Die perspektivische Wahrnehmung des Menschen entspricht einem Bildwinkel von 40° bis 50°. Eine Sensor- / Objektivkombination in diesem Bereich führt daher zu den geringsten Verzerrungen im Bild.

Die Empfindlichkeit eines Wärmebildsensors gibt an, welche Temperaturdifferenzen unterschieden werden können. Je kleiner der Wert, desto präziser können Abweichungen gemessen werden. Für Anwendungen unter freiem Himmel sind unter 100mK üblich. Da im Sensor nur Temperaturänderungen erfasst werden, wird in regelmäßigen Abständen der Sensor auf Referenzwerte zurückgesetzt. Das Verfahren wird als Non-Uniformity-Correction (NUC) bezeichnet und ist am mechanischen Klack-Geräusch hörbar.

Die Bildwiederholfrequenz und Auflösung kommerzieller Infrarotdetektoren sind durch Anwendungs- und Exportregularien beschränkt. Hersteller orientieren sich deshalb oft an den amerikanischen Vorgaben und begrenzen die Auflösung des Bildsensors auf maximal 640 x 512 Pixel. Kameras mit Bildwiederholfrequenzen größer 9 Hz dürfen nur in berechtigte Länder exportiert werden. Höhere Bildraten benötigen eine Endnutzervereinbarung. Die geringe Bildrate (9 Bilder pro Sekunde) macht sich besonders bei bewegten Aufnahmen bemerkbar.

Die Linsen eines Bolometers bestehen nicht aus Glas, sondern aus einer Zinkverbindung oder Germanium. Denn Glas lässt Infrarotstrahlung nur schlecht bis gar nicht hindurch. Aus diesem Grund kann man mit dem bloßen Auge auch nicht durch die Linse sehen.

Chancen und Risiken der Thermografie aus der Luft

Die Möglichkeiten für Thermografie aus der Luft liegen auf der Hand. Temperaturverteilungen und HotSpots können statt punktuell großflächig erfasst werden. Zudem ist das Verfahren berührungslos und aus großer Entfernung, auch bei Nacht einsetzbar. So lassen sich Risiken erkennen, bevor Sie zu Schäden führen.

Jedoch darf man die Grenzen nicht außer Acht lassen. Da nur Oberflächen gemessen werden, ist ohne Kenntnisse der Wirkweise von Emissionen das Messbild nur schwer interpretierbar. Reflexionen können zudem erheblich stören und die Genauigkeit einer radiometrischen Messung ist begrenzt. Um belastbare Aussagen treffen zu können, ist sicher zu stellen, dass das was erkannt werden soll, auch erkannt werden kann.