Alles Gute kommt von oben: Gebäudeinspektion mit Drohnen

INHALTE DES BEITRAGS

Heutige Anwendungsgebiete
Dach- und Fassadeninspektion mit Drohnen
Vermessung und 3-D-Modelle
Thermische Inspektion
Häufige Fehlerquellen falsche Anwendung
Kosten vs. Nutzen

Heutige Anwendungsgebiete

Drohnen sind heute dazu in der Lage, 3-D-Modelle für die Planung von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) zu erstellen, aus denen die genauen Maße des Daches entnommen werden können. Die Daten werden dann in vorhandene PV-Planungssoftware eingespielt, sodass direkt in das 3-D-Modell geplant werden kann. Für die Überprüfung von PV-Anlagen eignen sich mit Wärmebildkameras ausgestattete Drohnen. So lassen sich defekte Zellen identifizieren und Leistungsabfälle beheben.

Mit Wärmebildkameras können zudem ganze Gebäude inklusive des Daches auf Wärmebrücken bspw. durch Konstruktionsfehler, Vogellöcher o. Ä. überprüft werden. Auch die Überprüfung und Leckortung an Fernwämeleitungen ist so sehr effizient und leicht möglich.

Im Denkmalschutz kann mit 3-D-Modellen und Orthofotos der Fassaden der Zustand des Gebäudes genau dokumentiert werden. Daran besteht einerseits öffentliches Interesse, andererseits lassen sich wichtige Information zu Schäden am Gebäude gewinnen – man denke z. B. an Notre Dame in Paris.

Für Industrie- und Fabrikgebäude ermöglichen Drohnen eine Inspektion anderweitig gar nicht oder nur mit erheblichem Aufwand zugänglicher Bereiche wie Schornsteine, Rohrleitungsanlagen o. Ä. Für solche Anwendungen können geeignete Sensoren ausgewählt werden: RGB-Bilder, Wärmebilder, aber auch Gassensoren sind möglich.

Für die genaue Vermessung filigraner, homogener Strukturen wie bspw. Leitungen oder Antennen oder sehr schattiger Bereiche kann ein Laserscan die benötigten Daten liefern.

 

Dach- und Fassadeninspektion mit Drohnen

Für die Verkehrssicherheit seines Gebäudes oder seiner Liegenschaft trägt der Eigentümer die Verantwortung. Er muss sicherstellen, dass von seinem Gebäude keine Gefahr für dessen Bewohner und Personen in den öffentlich zugänglichen Bereichen ausgeht.

Drohnen bieten deutliche Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Effizienz und Sicherheit für die Überprüfung der Gebäudeaußenhaut auf potenzielle Gefahren. Mit einer Drohne kann ein Gutachter auch die höher liegenden Teile der Fassade genau und im gleichen Winkel überprüfen und etwaige Schäden exakt dokumentieren. Ausgestattet mit hochauflösenden RGB-Kameras, können auch kleine Risse, Roststellen oder lose Bauteile entdeckt werden. Auch das Dach kann so genau untersucht und dokumentiert werden, ohne dass der Gutachter selbst für eine augenscheinliche Überprüfung hinaufsteigen muss. Gerade bei Schrägdächern bedeutet dies einen erheblichen Zeit- und Sicherheitsgewinn; das Risiko von Arbeitsunfällen durch Abstürze wird verringert.

Als Ergänzung und Verfeinerung der klassischen Augenscheinüberprüfung im Rahmen der ÖNORM B 1300 oder als reine Inspektion können Drohnen bspw. folgende Mängel an der Gebäudeaußenhaut aufdecken:

• Durch die Bewohner angebrachte Gegenstände wie Blumenkästen, Sonnenschutz, Schilder oder SAT-Anlagen können mittels Drohne und hochauflösender Kamera genau dokumentiert und untersucht werden, ohne dass Wohnungen betreten oder eine Aufstiegshilfe besorgt werden muss.
• Risse, Abplatzungen oder Bewuchs der Fassade können in jeder Höhe entdeckt und genau beurteilt werden. Durch die Möglichkeit reproduzierbarer Flugpfade und Kameraeinstellungen (Aufnahmewinkel und Zoom) kann die Entwicklung von Rissen beurteilt werden.
• Korrosionsstellen, Feuchtigkeitseintritte und andere Schäden der Fassade können ebenfalls in jeder Höhe entdeckt und genau dokumentiert werden.
• Mit Drohnen können Schäden der Dacheindeckung sicher identifiziert und genau lokalisiert werden. Das Dach kann sowohl punktuell als auch gesamt sehr genau beurteilt werden, ohne dass das Dach bestiegen werden muss.
• Flachdächer können auf das Auftreten von Pfützen, Bewuchs oder sonstige Schäden überprüft werden.
• Mit Drohnen lassen sich die Schneefänge überprüfen, ohne dass der Gutachter selbst auf das Dach steigen muss. Mithilfe der Kameras kann er vom Boden zuverlässig beurteilen, ob ein Schneefang verbogen, verrostet oder lose ist und ob sich Gegenstände in ihm gefangen haben, welche sich lösen und vorbeigehende Passanten gefährden können.
• Wie für die Schneefänge lassen sich mit einer Drohne auch die Regenrinnen einfach und genau auf Beschädigungen, lose Teile oder Ansammlungen/Verlegungen untersuchen, ohne dass ein Gutachter unmittelbar zur Dachkante klettern muss.
• Der Zustand von Kaminen, Lüftungsköpfen, Leitungen und anderen Dachaufbauten lässt sich mit einer Drohne mit geeigneter Sensorik genau vom Boden aus überprüfen und dokumentieren.
• Der Zustand der Blitzschutz-Einrichtung kann mithilfe von Drohnen augenscheinlich beurteilt werden, ohne dass das Dach bestiegen werden muss. Roststellen oder verbogene Teile können anhand von Bildern gut vorbeurteilt und dann spezifisch genauer überprüft werden.
• Korrosionsstellen, Sprünge, Abplatzungen, Feuchtigkeitseintritte können mit Drohnen umfassend entdeckt und mit Detailaufnahmen genau dokumentiert und beurteilt werden.

Wird aus den Aufnahmen zusätzlich ein Orthofoto, d. h. eine entzerrte, „plane“ Aufnahme der Fassade und des Daches angefertigt, können die identifizierten Schäden in einer interaktiven Karte verzeichnet werden. Professionisten, welche mit der Behebung des Schadens beauftragt werden, sehen so direkt, wie viel und wo etwas zu tun ist.

Durch die umfassende Datenaufnahme werden auch die augenscheinlich intakten Bereiche bildlich genau dokumentiert und können im Falle eines Schadens als Nachweis der Erfüllung der Sorgfaltspflicht herangezogen werden.

 

Vermessung und 3-D-Modelle

Für Sanierungsmaßnahmen, Umbauten oder Installationen bspw. von PV-Anlagen können die Gebäudehülle oder Teile von ihr mittels Drohnen genau vermessen und ein präzises 3-D-Modell erstellt werden. Mittels eines solchen Modells können die Maße der Außenhaut exakt bestimmt und Besonderheiten wie Aufbauten, Vorsprünge, starke Winkel etc. in der Planung genau berücksichtigt werden. Für PV-Anlagen kann auf diese Weise die verfügbare Fläche optimal ausgenutzt und die Anlage direkt in das 3-D-Modell geplant werden.

Für die Erstellung eines solchen 3-D-Modells werden das Dach und die Fassade in einem Überflug mit einer RGB-Kamera überlappend fotografiert. Aus den Bildern erstellt eine Fotogrammetrie-Software das Modell, indem es die einzelnen Bildpunkte in jedem Bild identifiziert und daraus ihre Position im Raum berechnet.

Aus diesem Modell können die Maße genau bestimmt werden. Die Genauigkeit eines solchen Modells bzw. der mit ihm ermittelten Längen liegt bei korrekter Datenaufnahme durchschnittlich im Zentimeterbereich für die Längen-, Höhen- und Breitenmaße. Die Genauigkeit hängt dabei von der Anzahl und Qualität der Aufnahmen ab.

Die Dauer für die Befliegung eines Daches eines typischen Einfamilienhauses beträgt ca. 20 bis 30 Minuten, für ein ganzes Gebäude entsprechend mehr. Das Einspielen der Daten die Modell-Software sowie die Erstellung des 3-D-Modells liegt je nach Rechnerkapazität zwischen zwei und drei Stunden. Das Modell muss dann noch auf Artefakte (das sind Punkte, denen wegen zu gleichmäßiger Oberflächenstruktur oder zu geringer Datenmengen kein eindeutiger Ort im Raum zugewiesen wird) kontrolliert und ggf. bereinigt werden. Diese Nachbereinigung kann allerdings mit einer sorgfältigen Datenaufnahme und korrekten Einstellung der Berechnungsparameter meist sehr gering gehalten werden.

Die Dateigröße eines typischen Oberflächenmodells reicht von einigen Mega- bis zu mehreren Gigabyte, je nach Aufgabenstellung und Weiterverarbeitung. Schließlich wird der Zustand des Daches vor der Errichtung dokumentiert, und eventuelle Haftungsansprüche bei der Errichtung können so geltend gemacht oder ausgeschlossen werden.

Für die Erstellung eines 3-D-Modells werden typischerweise RTK-(Real Time Kinematik-)fähige Drohnen wie die Phantom 4 RTK, Mavic 3 Enterprise, Matrice 300 RTK, Autel EVO 2 Pro RTK V3 oder Yuneec H850-RTK verwendet. Für nicht RTK-fähige Drohnen müssen zusätzlich Ground Control Points mit einer RTK-fähigen Messlanze vermessen werden.

Verbreitete Programme für die Modellerstellung sind Pix4d, 3dsurvey, Autodesk ReCap Pro, Agisoft Metashape, Bentley Context Capture oder RealityCapture.

Ein solches Modell kann in alle Programme, die den Import eines 3-D-Modells unterstützen, exportiert werden.

Weiterführend kann auf Grundlage eines solchen 3-D-Modells ein kompletter digitaler Zwilling eines Gebäudes erstellt werden. Informationen zu technischen Anlagen und Bauteilen können übersichtlich und intuitiv hinterlegt werden.

 

Thermische Inspektion

Drohnen leisten auch bei der thermischen Inspektion eines Gebäudes einen wichtigen Beitrag zu Sanierungsmaßnahmen. Dafür wird ein Gebäude von einer Drohne mit Wärmebildkamera über- und umflogen und werden Wärmebildaufnahmen der Fassade und des Daches gemacht.

Mit der am Markt bereits erhältlichen Sensorik, bspw. Seek Thermal, Flir oder Fluke, können bereits Temperaturunterschiede von einem Zehntel Grad erkannt und dokumentiert werden. Wärmebrücken durch bspw. Konstruktionsfehler, Spechtlöcher o. Ä. in der Fassade und andere wärmeleitende Bereiche können so genau erkannt werden.

Werden zusätzlich je ein RGB-Orthofoto der Fassade und des Daches angefertigt, können in ihnen die entdeckten problematischen Bereiche genau verzeichnet und lagegerecht dokumentiert werden.

Eine solche thermische Inspektion wird zunehmend als Ergänzung zur Erstellung eines Energieausweises nachgefragt. Auch wenn sie nicht explizit vorgeschrieben sind, bieten sie dem Gebäudebesitzer oder Käufer oft wertvolle Hinweise über den energetischen Zustand des Gebäudes und notwendige Sanierungs- und Isolierungsmaßnahmen.

Zu beachten ist, dass eine thermische Inspektion seriös nur in der kalten Jahreszeit durchgeführt werden sollte. Nur bei hinreichend niedrigen Außentemperaturen von max. 10 °C können die Bereiche der Fassade und des Daches sicher identifiziert werden, die durch Wärmebrücken ins Innere des Hauses über der Umgebungstemperatur liegen.

Nicht direkt im Gebäude, aber ein interessanter Anwendungsfall, ist die thermische Inspektion von Fernwärmeleitungen. In einem Pilotprojekt wurde der Bereich des Fernwärmenetzes in Wels in Oberösterreich beflogen. Der Leitungsverlauf war deutlich sichtbar, und auch ein Leck konnte eindeutig identifiziert werden.

Auch hier ist die Durchführung im Winter notwendig, um die durch die Leitungen erwärmten Bereiche von den kalten Bereichen unterscheiden zu können. Zu beachten sind weiterhin die Auswirkungen unterschiedlicher Oberflächen, da bspw. der Bewuchs auf Grünstreifen nicht durch die Leitungen erwärmt wird. Leitungen und mögliche Lecks werden dort nur schwer erkennbar sein.

 

Häufige Fehlerquellen falsche Anwendung

Genaue Definition der Fragestellung
Drohnen sind in aller Munde – aber was genau sie nun können oder nicht, sorgt immer wieder für Überraschungen. Während einige Kunden ehrlich beeindruckt sind, wenn sie erfahren, dass Drohnen die Vitalität von Pflanzen messen und in Schornsteine fliegen, sind andere ehrlich enttäuscht, wenn die Drohne nicht eigenständig ein Gebäude vermisst und unter Blätter schauen kann.

Die Kommunikation und eine genaue Erhebung der Problem- und Fragestellung ist somit für eine erfolgreiche Drohnendienstleistung das Wichtigste. Zunächst muss genau abgefragt werden, welche Informationen benötigt werden, in welchem Zeitraum und mit welcher Regelmäßigkeit, in welchem Gebiet geflogen werden soll und welches Budget vorhanden ist. Außerdem ist eine genaue Auskunft über das vorhandene Wissen zur Weiterverarbeitung der Daten essenziell für eine erfolgreiche Abwicklung.

Korrekte Datenaufnahme
Jedes Modell und seine Auswertung sind nur so gut wie die zugrunde liegenden Daten. Je genauer die erhobenen Daten sind, desto genauer sind die auf ihrer Grundlage getroffenen Aussagen.

Für ein 3-D-Modell betrifft dies bspw. die Anzahl der aufgenommenen Bilder und ihre Überlappung. Generell gilt: Je mehr Bilder, je größer die Überlappung und je diverser der Aufnahmewinkel, desto genauer kann ein Fotogrammetrie-Programm aus RGB-Bildern ein Modell erstellen.

Weiter spielt die Auswahl der richtigen Sensorik eine große Rolle. So lassen sich bspw. heterogene Oberflächen wie Altbaufassaden oder strukturierte Dächer hervorragend mittels Fotogrammetrie aus RGB-Bildern modellieren. Für feingliedrige, homogene Strukturen wie Leitungen oder Blattwerk ist ein Laserscanner meist besser geeignet.

Sorgfältige Datenverarbeitung
Die Modelle müssen teilweise bereinigt werden, weil je nach verwendeter Sensorik sogenannte „Artefakte“, d. h. falsch verortete Bildpunkte, geschaffen werden. Bei RGB-Aufnahmen treten solche Artefakte vorwiegend an sehr homogenen oder spiegelnden Flächen wie einer Wasseroberfläche oder einer gläsernen Hauswand auf. Dort fehlen dem Programm eindeutige Hinweise, wo ein Punkt genau liegt (weil die Punkte alle ähnlich aussehen), und es entstehen Fehler. Beim Laserscan sind absorbierende und sehr dunkle Bereiche wie bspw. Teerpappe problematisch, weil sie das Licht nicht zurücksenden. Im Modell erscheinen solche Bereiche als Löcher.

Auswahl der Sensorik
Für die richtige Datenaufnahme ist die Auswahl der Sensorik entscheidend. Für eine Vermessung, also für die Erstellung eines 3-D-Modells ist eine Kamera mit 20 MP bspw. deutlich besser geeignet als eine vermeintlich genauere Kamera mit 100 MP. Der Grund ist die andere Linsenform und die dadurch bedingte unterschiedliche Verteilung und Dichte der „Bildpunkte“. Die hochauflösende Kamera mit optischer Zoomfunktion ist hingegen für eine Detailinspektion aus größerer Entfernung hervorragend geeignet.

Besitzt das zu vermessende Objekt allerdings eine gleichförmige oder sehr zerstreute Oberfläche, welche für eine RGB-Fotogrammetrie zu wenig unterscheidbare Punkte besitzt, sollte ein Laserscan zur Erstellung des Modells verwendet werden.

Lichtverhältnisse
„Bestes Flugwetter mit Sonnenschein“ kann für die Datenaufnahme eines 3-D-Modells genau das Gegenteil bewirken. Herrscht ein großer Lichtunterschied zwischen beschienenen und schattigen Flächen, steigt die Wahrscheinlichkeit eines Datenverlustes durch eine falsch eingestellte Lichtempfindlichkeit. Besser wäre ein leicht bedecktes Wetter mit diffusem Licht. Für einen Laserscan hingegen sind die Lichtverhältnisse nahezu egal.

Kenntnis der rechtlichen Rahmenbedingungen
Eine der größten Fehlerquellen in der Drohnenanwendung ist wohl die rechtliche Komponente. Als sehr neue Technik sind die rechtlichen Rahmenbedingungen für Drohnenflüge noch im Umbruch und nur wenigen im vollen, aktuellen Umfang bekannt. In Österreich regelt die Austro- Control die Drohnenanwendung, also die Behörden für die bemannte Luftfahrt.

Häufige Probleme entstehen durch Unkenntnis der rechtlichen Vorgaben wie bspw. die Luftraumbeschränkungen für den gesamten Stadtbereich in Wien (Wien LOR15) oder die Einschränkungen in der Nähe von Flughäfen und Krankenhäusern. Auch werden oft Menschenansammlungen mit Drohnen überflogen, die hinsichtlich ihrer Größe und ihres Gewichts dafür gar nicht oder nur nach vorheriger Prüfung zugelassen sind.

„Instandhaltungsbedarf“ der Drohnen
Der Zeitaufwand für Genehmigungen, die Abstimmung des Flugzeitpunkts hinsichtlich der Fragestellung, des Wetters, der rechtlichen Erlaubnis sowie der möglichen Sperrung des Bereichs für unbeteiligte Personen wird oft massiv unterschätzt. Das Training im Flugbetrieb sowie für die verwendete Software erfordert erhebliche Zeitressourcen der Mitarbeiter. Die Drohnen selbst müssen gewartet, ihre Akkus geladen und ihre Software auf dem neuesten Stand gehalten werden.

Der gewerbsmäßige Betrieb von Drohnen ist technisch und rechtlich somit sehr zeitintensiv und muss einer dementsprechend großen Auftragslage gegenüberstehen, wenn er sich rentieren soll. Somit ist die externe Vergabe von Drohnendienstleistungen letztendlich oft günstiger als die Anschaffung eigener Geräte.

 

Kosten vs. Nutzen

Trotz der vielen Vorteile einer Drohne gegenüber „herkömmlichen“ Methoden schreckt der Preis für eine Befliegung gerade Privatpersonen, aber auch Firmen noch häufig ab. Inklusive Anfahrt, Genehmigungen, qualifizierter Piloten und Datenauswertung liegt ihr Preis oft über dem, was der Kunde bereit ist, auszugeben. Eine Möglichkeit, die in mehreren Forschungsprojekten derzeit erprobt wird, ist ein Shared-Economy-Ansatz. Anfragen würden damit über ein Web-Portal gesammelt und gebündelt erledigt. Sollten zukünftig automatische Flüge erlaubt sein, könnte diese Dienstleistung wie in einem Web-Shop gebucht werden.