HYPOD – Hyperspektrale Pipeline-Überwachung aus der Luft

Hyperspektral-Fernerkundung und Bilddatenanalyse

Das Fraunhofer IOSB mit seiner Abteilung Szenenanalyse entwickelte im Projekt HYPOD die Methoden zur hyperspektralen Erkennung von Öl. Dabei kamen Erkenntnisse zur Anwendung, die bereits 2015 bei einer Messkampagne gewonnen wurden (siehe Lenz et al. 2015). Aber auch weitere Detektions-Algorithmen wurden zur zuverlässigen und automatischen Detektion von Öl getestet. Das grundsätzliche Prinzip der Detektionsmethode ist in der Hyperspektral-Fernerkundung dabei folgendes:

Gewöhnliche (Multispektral-)Kameras sind im Bereich der sichtbar reflektierten Sonnenstrahlung sensitiv. Aufwändigere Kameras zeichnen mitunter auch nahinfrarote oder thermale Signale auf. Bei einer Hyperspektral-Kamera hingegen wird der gesamte Wellenlängenbereich des sichtbaren, nah- und kurzwellig-infraroten Lichts gemessen. Dabei stehen dem Sensor nicht nur drei oder mehr Kanäle zur Verfügung (wie bei einer normalen Handy-/RGB-Kamera), sondern mehrere hundert bis tausend Kanäle. Das daraus resultierende Reflexionsspektrum bildet eine spektrale Signatur, die objekt- und materialspezifisch ist. Auch Öl besitzt ein spezifisches Reflexionsverhalten. Die Schwierigkeit der Hyperspektral-Fernerkundung liegt darin, dass sich durch die Vermischung von Öl und Bodensubstraten/Vegetation auch die Reflexionseigenschaften dieser Materialien überlagern. Hinzu kommen externe Faktoren wie Atmosphäreneinflüsse und Verzerrungen der aufgenommenen Bilder durch die Flugbewegung der Flugplattform.

Um eine zuverlässige Detektionsmethode zu entwickeln, erfolgte der Aufbau eines möglichst realitätsnahen Testszenarios. Dazu wurden mehrere Ölauffangwannen mit unterschiedlichen Bodensubstraten gefüllt und mit drei verschiedenen Rohöl-Sorten, sowie Diesel versetzt. Einige dieser Ölwannen dienten der Simulation von Falschalarmen durch Plastikgegenstände, um ungewollte Verwechslungen mit Objekten ähnlicher Materialeigenschaften zu provozieren. Zur hyperspektralen Vermessung aus der Luft kommt beim Fraunhofer IOSB u.a. neuste Hyperspektral-Sensorik zum Einsatz, deren immer geringer werdendes Gewicht mittlerweile sogar die Installation auf Drohnen (z.B. DJI Matrice 600 Pro) erlaubt. Durch das geringe Gewicht von 2.83 kg ermöglicht der Hyperspec Co-Aligned VNIR-SWIR von Headwall pro Batterie-Set einen 12- bis 18-minütigen Flug, was bei einer Flughöhe von 80 m einer Flächenleistung von ca. 4.2 ha entspricht und in einer ungefähren Pixelauflösung von 4 cm resultiert.

Erste Ergebnisse

Eine zuverlässige Detektion der drei Rohöl-Sorten und Diesel bei geringer Anzahl an Falschalarmen ist möglich. Falschalarme konnten sowohl in der Umgebung, als auch in den Ölwannen mit Objekten ähnlicher spektraler Eigenschaften unterdrückt werden, ohne dass die Detektionsrate von Öl negativ beeinflusst wurde. Dunklere Bodensubstrate und Vegetationsbedeckung verringerten die Detektionsleistung leicht, weshalb in Zukunft auch Machine Learning Ansätze in der hyperspektralen Öl-Detektion zum Einsatz kommen sollen, die zusätzlich die Falschalarmrate senken könnten.