Notitie Referentienummer Datum Kenmerk GM-0148731 5 december 2014 335067 Betreft Toepasbaarheid RPAS voor rietkraaginspecties 1 Inleiding De opkomst van remotely piloted aircraft systems (RPAS) is al enkele jaren gaande. De systemen worden eenvoudiger te bedienen en het aanbod van sensoren dat bevestigd kan worden neemt toe. Deze ontwikkeling maakt het mogelijk om data in te winnen vanaf nieuwe plaatsen en van objecten die voorheen moeilijk te inspecteren waren. De ontwikkeling van sensoren om data mee te verzamelen gaat ook snel, ze worden kleiner en effectiever. Dit resulteert in nieuwe mogelijkheden op het gebied van inspecties vanuit de lucht. Binnen het project UAS Kenniscentrum werken partijen met een verschillende achtergrond samen om mogelijke toepassingen van RPAS te onderzoeken. Dit rapport is onderdeel van het gebiedsgerichte deelproject, werkpakket I: toepassingsgericht onderzoek en innovatie. Het doel van deze onderzoeken is om de toegevoegde waarde van RPAS inzichtelijk te maken. Eén van de toepassingen is het uitvoeren van inspecties van objecten of omgevingen waar een specialist moeilijk kan komen, of waar de omstandigheden het uitvoeren van een inspectie niet toelaten. Grontmij voert een project uit voor Rijkswaterstaat, waarbij een rietkraag wordt gemonitord. Voor de invulling van de monitoring dit jaar is een pilot voorgesteld waarbij de gevraagde monitoring wordt uitgevoerd met een RPAS. De pilot is uitgevoerd in samenwerking met Delft Dynamics, ook deelnemer in het project UAS Kenniscentrum. De pilot is gebruikt voor het toepassingsgerichte onderzoek van het project. In dit rapport worden de aanleiding voor de rietkraaginspectie, eisen aan de gevraagde informatie, voor- en nadelen van verschillende alternatieven en lessons learned bij de uitvoering gedeeld. 2 Aanleiding van het project In het Zwarte Meer, onderdeel van Randmeren Noord, worden door Rijkswaterstaat ondiepe zones aangelegd. Deze ondiepe zones moeten bijdragen aan een verbeterde visstand en een prettige leefomgeving voor planten en vogels. De ondiepe zones kunnen een impact hebben op de omgeving, bijvoorbeeld verandering van stroming in het water en golfaanslag op de oevers. Het gebied waar dit project wordt uitgevoerd is aangewezen als Natura2000 gebied. Dit betekent dat bepaalde diersoorten en hun natuurlijke leefomgeving worden beschermd. Eén van die diersoorten is de grote karekiet, die broedt in een rietkraag aan de noordwestzijde van het Zwarte Meer. Er leven tussen de zeven tot twaalf broedparen in dit gebied. Het behoud van de kwaliteit van de rietzone is belangrijk voor het voortbestaan van deze vogel. Monitoring van de rietkraag is noodzakelijk (en verplicht vanuit de NB-wetgeving) om de ecologische gevolgen van het aanleggen van de ondiepe zones inzichtelijk te krijgen. De locatie van het projectgebied is te vinden in Figuur 1.
GM-0148731 2 van 11 Figuur 1: locatie Zwartemeerdijk De rietkraag, zie Figuur 2, heeft een lengte van ongeveer 2,5 km. Vanaf 2013 wordt deze jaarlijks geïnspecteerd om de toestand van de rietkraag vast te leggen. In 2013 en 2014 zijn nulmetingen uitgevoerd, om de natuurlijke veranderingen vast te stellen. De bestaande monitoring bestaat uit inspecties ter plaatse door specialisten. Hierbij wordt gekeken naar de breedte van de rietkraag, karakteristieken van het riet, maar ook naar de broedplaatsen van de grote karekiet. Nadeel van deze methode is dat de specialisten op locatie moeten zijn, en hierbij schade kunnen toebrengen aan de bewuste rietkraag. Een vorm van inspectie waarbij geen schade wordt toegebracht aan de rietkraag kan dit probleem verhelpen. Figuur 2: rietkraag ter plaatse van de Zwartemeerdijk. 3 Eisen aan de oplossing In hoofdstuk 2 is toegelicht dat het gebied broedgebied van de grote karekiet is. Deze vogel is kieskeurig in zijn keuze voor locatie van het nest. Hij zoekt een omgeving waarin het riet stevig genoeg is om het nest te kunnen houden. Daarnaast moet het nest in het waterriet zitten, zodat er bescherming is tegen roofdieren. Het doel van de jaarlijkse monitoring van de rietkraag is het in kaart brengen van de kwaliteit van de rietkraag. Hierbij worden de volgende aspecten vastgelegd: afmetingen vegetatiezones (areaal van land-, inundatie- en waterriet); bodemtype;
GM-0148731 3 van 11 dichtheid van de rietstengels; strooiseldikte en percentage; aanwezigheid erosie of sedimentatie; vraatsporen; jonge aanwas. Daarnaast wordt de ontwikkeling van het aantal broedparen grote karekieten geregistreerd. Hierbij wordt gekeken naar eigenschappen van de bestaande en nieuwe nesten: afstand tot het open water; aantal rietstengels door het nest; hoogte nest ten opzichte van zomerpeil; afstand tot het fietspad. Een aantal aspecten is kwantitatief, zoals het bepalen van de afmetingen en het aantal nesten. Deze aspecten worden voor de gehele rietkraag vastgelegd. De overige aspecten zijn kwalitatief. 4 Mogelijke oplossingen 4.1 Huidige oplossing De benodigde informatie wordt vanaf 2013 verkregen door een veldbezoek en een analyse van de jaarlijkse luchtfoto. Bij het veldbezoek wordt over de gehele lengte van de rietkraag om de 50 m een dwarsraai gelopen. Hierbij wordt de breedte van de rietzone geschat, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen de vegetatiezones (land-, inundatie- of waterriet). In elke dwarsraai worden voor een gebied van 1x1 m de detaileigenschappen van het riet bepaald. Daarbij wordt er vanuit gegaan dat deze delen representatief zijn voor de gehele rietkraag. De jaarlijkse luchtfoto wordt gebruikt om de breedte van de rietzone vast te stellen, en de overgang van land- naar waterriet te bepalen. Voordelen van deze methode: kleine details zijn zichtbaar (zoals de dikte van de rietstengel); een expert kan direct het riet beoordelen. Nadelen van deze methode: de afstand tussen de meetraaien, hierdoor kunnen kleine ruimtelijke variaties onopgemerkt blijven; de luchtfoto kan enkele maanden oud zijn, omdat er geen invloed is op het moment van opname van deze foto; opname luchtfoto is meestal in het groeiseizoen, door de bladgroei zijn verschillen moeilijk te herkennen; beperkte resolutie van de luchtfoto (10 cm of meer). 4.2 Oplossing met RPAS Een deel van de eisen uit hoofdstuk 3 kan mogelijk ingevuld worden door inspecties met een RPAS. Het gaat dan met name om de bepaling van de afmeting van de vegetatiezone. Andere aspecten zijn waarschijnlijker moeilijker te inspecteren met een RPAS, omdat deze lastig waar te nemen zijn op een foto. Voordelen van deze methode: er is een real-time opname van de rietkraag, waarbij voor goede omstandigheden gekozen kan worden;
GM-0148731 4 van 11 de foto-opnames hebben een hoge resolutie (1-2 cm of zelfs beter), waardoor details goed zichtbaar zijn; opnames in het veld kunnen tegelijkertijd plaatsvinden met opnames uit de lucht, wat de interpretatie van de foto s ten goede kan komen; voor de opnames hoeft de rietkraag niet betreden te worden, waardoor er geen schade wordt toegebracht; opnames vanuit de lucht zijn onafhankelijk van het veldwerk. Nadelen van deze methode: niet alle gevraagde aspecten kunnen worden geïnspecteerd vanuit de lucht; de weersomstandigheden moeten het toelaten om te vliegen. 5 Uitvoering Bij de inspectie van deze rietkraag weegt het zwaar dat er geen schade wordt toegebracht bij de opname met een RPAS. Om de verdere toepasbaarheid te ervaren is er een pilot uitgevoerd samen met opdrachtgever Rijkswaterstaat CIV. 5.1 Voorbereiding 5.1.1 Eisen aan de opnamen De aspecten aan de monitoring zijn vertaald in eisen voor de RPAS opnamen: grondresolutie circa 2 cm; opname zichtbaar licht; opname infrarood; 5.1.2 Vergunningen Voor het uitvoeren van de vlucht is een ontheffing Tijdelijk en Uitzonderlijk Gebruik (TUG) nodig, om een tijdelijke start- en landingsplaats te mogen gebruiken. Complicatie hierbij is dat het gebied onderdeel is van Natura2000 en vlak bij een stiltegebied ligt. De provincie heeft akkoord gegeven voor de ontheffing, met als belangrijkste voorwaarde dat de vlucht wordt uitgevoerd voordat de grote karekiet terugkeert in zijn broedgebied, voor half april of na half juli. Dit betekende dat er een periode van drie weken was tussen aanvraag van de ontheffing en de uiterlijke uitvoering, maar dit was geen belemmering. Daarnaast is er bij de Inspectie Leefomgeving en Transport (IL&T) een projectontheffing worden aangevraagd om te mogen vliegen. 5.2 Uitvoering De vlucht is uitgevoerd door DelftDynamics, deelnemer in het UAS Kenniscentrum. Op basis van de omstandigheden op locatie en de eisen aan de opnamen is gekozen voor de inzet van de RH4 Spyder multicopter, zie Figuur 3. De onbemande helicopter RH2 was hier geen optie, omdat deze voor te veel verstoring van de omgeving zou zorgen in verband met de benzinemotor. De multicopter kan een vlucht van 15 tot 20 minuten uitvoeren, genoeg om ongeveer 1 km rietkraag op te kunnen nemen per vlucht. Met drie vluchten zou de hele rietkraag opgenomen kunnen worden. Eén van de vluchten is gereserveerd voor de infrarood-opnames. Daarom is er voor gekozen om alle opnamen te beperken tot 1 km, waarbij rekening is gehouden met de delen van de rietkraag waar de meeste interesse naar uitgaat.
GM-0148731 5 van 11 Figuur 3: de RH4 'Spyder' van DelftDynamics. Er zijn drie vluchten uitgevoerd: 1 e vlucht: foto s zichtbaar licht, 1 foto per 3 seconden, vlieghoogte ongeveer 10 m boven waterspiegel; 2 e vlucht, foto s zichtbaar licht, 1 foto per 3 seconden, vlieghoogte ongeveer 17 m boven waterspiegel; 3 e vlucht, video infrarood (spectrum 7500-13500 nm), vlieghoogte ongeveer 20 m boven waterspiegel. Voor de foto s is een GoPro Hero3 camera gebruikt. Deze camera geeft op een lagere vlieghoogte een goed overzicht over de gehele breedte van de rietkraag. Voor de infraroodopnames is een FLIR Quark gebruikt. Positiebepaling van de foto s gebeurt in de multicopter met een GPS-ontvanger. Nauwkeurigheid van deze GPS-positie is enkele meters. Daarnaast worden de rotatiehoeken van het toestel vastgelegd, en de kijkhoek van de camera ten opzichte van het toestel. Hiermee is voor elke opname de opnamepositie en de oriëntatie van de camera bekend en kunnen de grondcoördinaten worden bepaald. Om de georeferentie van de beelden te verbeteren zijn verspreid over het gebied paspunten aangebracht. Hiervoor zijn witte platen van 1x1 m gebruikt, waarop een kruis is aangebracht. Deze paspunten zijn ingemeten met GPS-RtK. De positie is hiermee bepaald tot op enkele cm s nauwkeurig. 5.3 Processing 5.3.1 Foto s zichtbaar licht De GoPro heeft een grote lenshoek, waardoor de opnamen een fisheye effect hebben. Dit effect is zo goed mogelijk gecorrigeerd in de nabewerking. Op basis van de GPS-coördinaten zijn de foto s geplaatst in ArcGIS. De posities van de foto s zijn gecontroleerd met behulp van de paspunten. Daarbij is gebleken dat er een verschuiving van enkele meters kan zijn, zie Figuur 4. Dat komt overeen met de verwachte nauwkeurigheid van de positiebepaling van de multicopter. Volgende stap is om een orthofoto te maken van de losse foto s. Hiervoor is gebruik gemaakt van verschillende softwarepakketten: Agisoft Photoscan (commerciële software); VisualSFM (open-source);
GM-0148731 6 van 11 Airphoto (Universiteit Keulen); SURE (Universiteit Stuttgart). Figuur 4: verschuiving foto ten opzichte van gemeten positie paspunt (paarde punt). In al deze softwarepakketten in het niet gelukt om een goede orthofoto te maken. Voor het berekenen van de onderlinge relatie tussen de foto s wordt gekeken naar natuurlijke punten in de overlappende delen, op basis van de pixeleigenschappen. Het fisheye-effect van de lens zorgt voor een vervorming van de pixels. Richting de rand van de foto s is dit effect het sterkst. Gevolg van deze vervormingen aan de randen is dat er weinig tot geen vergelijkbare punten in de overlappende delen zitten. Hierdoor is het lastig, zo niet onmogelijk, om de foto s goed aan elkaar te rekenen. De sterk op elkaar lijkende foto s (er is met name gras, riet en water zichtbaar) maken het ook moeilijk om een goede orthofoto te berekenen. De positie van de foto s is in ArcGIS zo goed mogelijk bepaald, door gebruik te maken van de paspunten. Wanneer er genoeg overlap is, zijn de best gepositioneerde foto s gebruikt voor de verdere verwerking in het project. Deze foto s zijn aan elkaar gestitcht in ArcGIS, zodat er één beeld ontstaat (zie Figuur 5). 5.3.2 Video infrarood De infraroodbeelden geven in het gemeten spectrum een intensiteit weer. Voor de interpretatie van de video is een overzicht beschikbaar van de positie van de multicopter voor elk tijdstip in de video.
GM-0148731 7 van 11 Figuur 5: overzicht opgenomen foto's op een bestaande luchtfoto. 6 Resultaten pilot De foto s zijn gebruikt voor het uitvoeren van een aantal analyses: kwantificeren oppervlakte waterriet; kwantificeren oppervlakte landriet; kwantificeren verschil met 2013. In de analyse van de verschillen tussen 2013 en 2014 wordt de luchtfoto van 2013 vergeleken met de gemaakte foto s in de pilot. Hier vallen de hogere resolutie, zie ook Figuur 6, en het hogere detailniveau, zie Figuur 7, van de RPAS-foto s op waardoor de grens tussen land- en waterriet nauwkeuriger is te reconstrueren. Dit resulteert ook in een hogere nauwkeurigheid van de verschillen tussen de jaargangen. Belangrijk onderdeel hierbij is het georefereren van de luchtfoto en de orthofoto, omdat dit bepalend is voor de kartering van de grenzen.
GM-0148731 8 van 11 Figuur 6: vergelijking resolutie luchtfoto (links) en de opgenomen foto's met RPAS (rechts) Andere gevraagde aspecten, zoals bodemtype, eigenschappen van de rietstengels, aanwezigheid erosie of sedimentatie (zie ook onderdeel 3) kunnen niet worden bepaald met de opnames. Hiervoor blijft veldwerk noodzakelijk, zodat er direct expert judgement mogelijk is. Figuur 7: vergelijking detailniveau luchtfoto (links) en opgenomen foto's met RPAS (rechts). De infraroodbeelden hadden als doel om de grens tussen land en water goed te kunnen bepalen en de verschillende soorten oeverplanten te onderscheiden. Hier kon helaas geen gebruik van worden gemaakt, omdat niet in het juiste spectrum is gemeten.
GM-0148731 9 van 11 7 Leerpunten uit de pilot Het doel van de pilot is tweeledig: het verkennen van de mogelijkheden van de inzet van RPAS en het ervaren van knelpunten bij deze toepassing. Er zijn een aantal punten naar voren gekomen: De specificaties van de sensor bepalen het eindresultaat. Zodoende is het belangrijk om vanuit de gewenste nauwkeurigheid van het eindresultaat te redeneren bij het kiezen van de juiste sensor. Voorbeeld hierbij is het inzetten van het verkeerde meetspectrum van de infraroodsensor. Het bereik van de RPAS moet aansluiten bij het project. De rietkraag is 2,5 km lang. Met het oog op het bereik van de RH4 is ervoor gekozen om een deel van de rietkraag intensief op te nemen. Keuze van het model RPAS is bepalend voor het bereik van de opname. Uiteraard is het aanbevolen om de juiste RPAS bij het project te kiezen. De gebruikte camera bleek niet geschikt om een orthofoto mee te maken, door het fisheyeeffect van de lens. Georefereren van de beelden is cruciaal om vergelijking met andere jaargangen mogelijk te maken. 8 Haalbaarheid RPAS voor rietkraaginspecties 8.1 Vanuit technisch oogpunt Uit de uitgevoerde pilot is gebleken dat RPAS-opnames leiden tot beelden met een hogere resolutie, waardoor het oppervlak van het riet nauwkeuriger berekend kan worden. De grens tussen land- en waterriet kan hierdoor beter bepaald worden. In hoofdstuk 3 is benoemd welke informatie er gevraagd wordt. De RPAS voorziet in een deel van deze behoefte. Voor de ecologische aspecten is veldwerk nog steeds noodzakelijk, zodat de ecoloog met zekerheid de eigenschappen kan vaststellen. De invulling met RPAS voorkomt wel voor een deel onnodige schade aan de rietkraag, omdat er geen dwarsraaien in het riet gelopen hoeven worden. De opstarttijd van de meting is een aandachtspunt. Er is een vergunning nodig voordat gevlogen kan worden, en voor dat traject is een periode van meerdere weken nodig. Dit vraagt om een goede planning en gunstige weersomstandigheden bij het geplande vliegmoment. Een korter vergunningstraject zou de inzet van RPAS kunnen vereenvoudigen. De voorbereidingstijd voor een herhalingsvlucht is korter dan voor de eerste vlucht. RPAS is dus geen volledige vervanging van de bestaande methodologie, maar kan wel een aanvulling zijn op de huidige werkwijze. Om een interessant alternatief te zijn voor de huidige werkwijze, kan gedacht worden aan de volgende verbeteringen: een systeem waarmee de ecoloog direct de beelden kan beoordelen, waardoor de expert judgement direct uitgevoerd kan worden; de RPAS vlak boven of tussen het riet laten vliegen voor de opnames, zodat er in meer detail geïnspecteerd kan worden; 8.2 Vanuit financieel oogpunt De bestaande methodiek bestaat uit onderzoek in het veld (twee dagen voor twee personen, vier mandagen), en verwerking van de inspecties op kantoor tot een rapportage (drie mandagen). Inspectie met RPAS, uitgaande van een opname van de volledige rietkraag, reduceert het traditionele veldwerk tot twee mandagen. De kosten van opname en verwerking van de foto s moeten gelijk of minder zijn dan de kosten van twee mandagen buiten. Dit lijkt niet haalbaar te zijn, ge-
GM-0148731 10 van 11 zien de noodzakelijke voorbereiding (één mandag) en begeleiding (twee personen, halve dag bezig, dus één mandag) gedurende de vlucht. De verwerking van de opnames is dan nog niet uitgevoerd. Voor dit project wordt uitvoering met een RPAS pas financieel interessant als het projectgebied groter is. Daarnaast kan gekeken worden naar de meerwaarde van de opnames. Voornaamste meerwaarde is dat de opnames actueel en gesynchroniseerd zijn met het veldwerk. De resolutie van de opname, en daarmee de oppervlaktebepaling, is een stuk beter dan de bestaande oplossing met beschikbare luchtfoto s. Een ander voordeel valt te behalen als de opnames van de rietkraag kunnen worden gecombineerd met andere onderzoeken. Op deze manier wordt de beschikbare data gebruikt voor meerdere doeleinden. Hierbij valt bijvoorbeeld te denken aan de naastgelegen dijk. Andere mogelijkheid is om de aanwezigheid van de RPAS op de locatie te gebruiken om andere objecten in de omgeving te inspecteren. Op deze manier kunnen de kosten van de opname worden teruggebracht. De pilot is mede mogelijk gemaakt door Rijkswaterstaat, dienst Centrale Informatie Voorziening (CIV).
GM-0148731 11 van 11 Verantwoording Projectnummer : 335067 Referentienummer : GM-0148731 Revisie : 0 Datum : 5 december 2014 Auteur(s) : ir. B. van Goor E-mail adres : bas.vangoor@grontmij.nl Gecontroleerd door : drs. M.A.A. de la Haye Paraaf gecontroleerd : b/a Goedgekeurd door : A.H.J. Savelkouls Paraaf goedgekeurd :