Technology

Methodik und Durchführung der Testflüge

Zielsetzung

Ziel des Versuchs war die Evaluierung und der direkte Vergleich verschiedener DJI-Wärmebildsensoren hinsichtlich Bildqualität, Detaildarstellung und thermischer Differenzierung bei der Inspektion von Photovoltaik-Anlagen.

Versuchsaufbau und Durchführung

Flugplanung und Durchführung

Für die Durchführung der Tests wurde eine standardisierte Wegpunktroute mit definierten Points of Interest (POIs) erstellt, welche präzise Reproduzierbarkeit gewährleistet. Die Kopplung der UAVs an die DJI D-RTK 3 Multi Station ermöglichte eine hochgenaue Positionierung. Zur besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurde der Gimbalwinkel konstant auf -55° eingestellt, um eine möglichst parallele Ausrichtung des Sensors zu den PV-Modulen sicherzustellen.

Alle thermografischen Aufnahmen erfolgten im High-Gain-Modus mit dem Farbschema „Iron Red“ sowie unveränderten Standardparametern der Infrarot-Thermometrie ohne Limitierung des Temperaturbereichs.

Aufnahmeraster

An den Wegpunkten 2 bis 5 wurden thermografische Bilder in vier festen Höhen (15 m, 25 m, 35 m, 45 m AGL) aufgenommen. Weitere Aufnahmen in variierenden Höhen erfolgten an den Wegpunkten 6 bis 11 (Abbildung 1).

Die Flüge der verschiedenen Systeme wurden in kurzen Abständen (ca. 5 Minuten) nacheinander durchgeführt, um vergleichbare Umweltbedingungen zu gewährleisten.

Betrachtete UAV-Systeme und Sensorik

Umweltbedingungen während der Tests

Bewertungskriterien

Ergebnisse und Interpretation

Einfluss von Field of View (FoV) und Sensorik auf den Bildausschnitt

Wie in Abbildung 1 dargestellt, unterscheiden sich die Systeme hinsichtlich Bildausschnitt und Detaildarstellung deutlich. Die Mavic 3T (61° FoV) erfasst größere Flächen, liefert aber eine geringere Detaildichte. Die Matrice 4T und die H30T (je ca. 45° FoV) ermöglichen einen engeren Ausschnitt mit höherem Detailgrad. Die auffällige unterschiedliche Farbgebung ist durch verschiedene Temperaturbereiche bedingt. Der Zusammenhang zwischen Sensor, Optik und Bildausschnitt entspricht den physikalischen Erwartungen:

Großes FoV (M3T)
großer Bildausschnitt, weniger Details pro Fläche.

Kleineres FoV (M4T, H30T)
höherer Detailgrad, kleinerer Ausschnitt.

Abbildung 2: Vergleich der Bildausschnitte der drei untersuchten Sensoren in Abhängigkeit von der Flughöhe

1: 15m AGL (Above Ground Level)

2: 45m AGL (Above Ground Level)

3: 65m AGL (Above Ground Level)

Zusammenhang zwischen FOV, Sensorgröße und Bildausschnitt

Der Field of View (FoV) beschreibt den Öffnungswinkel, den das Kamerasystem abdeckt, und steht in direktem Zusammenhang mit der Brennweite der Optik und der Sensorgröße. Bei gleichem Sensor führt eine kürzere Brennweite (Weitwinkeloptik) zu einem größeren Bildausschnitt, während eine längere Brennweite (Teleoptik) den Bildausschnitt verengt und ein vergrößertes, detaillierteres Abbild des erfassten Bereichs liefert.

Ein großes FoV wie bei der Mavic 3T (61°) ermöglicht die Erfassung eines deutlich größeren Areals in einer einzelnen Aufnahme, was insbesondere für Übersichtsaufnahmen im Nahbereich oder für eine schnelle räumliche Orientierung von Vorteil ist. Gleichzeitig reduziert sich jedoch der Detailgrad pro Flächeneinheit, da sich die vorhandene Sensorauflösung auf eine größere Fläche verteilt. In Verbindung mit typischen Weitwinkel-Optiken treten zudem verstärkte tonnenförmige Verzerrungen („Fisheye-Effekt“) an den Bildrändern auf, die sich in thermischen Bildern durch unnatürliche Geometrien bemerkbar machen.

Im Gegensatz dazu besitzen Matrice 4T und H30T mit ihren moderateren FoV-Werten von ca. 45° ein ausgewogeneres Verhältnis von Detailgenauigkeit und Bildausschnitt. Diese Brennweiten liefern ein präziseres Abbild des Zielbereichs mit weniger Verzerrung, was insbesondere bei der Detailinspektion und distanzierten Beobachtung von Vorteil ist.

Einfluss von Sensorgröße und Auflösung

Neben dem Field of View (FoV) haben sowohl die Sensorgröße als auch die thermische Auflösung einen wesentlichen Einfluss auf den wahrgenommenen Detailgrad von Wärmebildaufnahmen. Grundsätzlich gilt: Ein Sensor mit großer Fläche und hoher physikalischer Auflösung ermöglicht auch bei einem weiten FoV eine hohe Bildqualität. Demgegenüber erreichen Sensoren mit kleiner Fläche und geringerer Pixelanzahl deutlich schneller ihre physikalischen Grenzen.

Wie Tabelle XX zeigt, verfügt die H30T über die doppelte thermische Auflösung und somit über die vierfache Pixelanzahl im Vergleich zu den übrigen untersuchten Sensoren. Dennoch weisen die gespeicherten Bilddateien der Matrice 4T eine nominelle Auflösung von 1280×1024 Pixel auf, obwohl der verbaute Sensor diese physikalisch nicht bietet. Auffällig sind darüber hinaus die unterschiedlichen Dateigrößen:

• H30T: ca. 4 MB
• Matrice 4T: ca. 2,5 MB
• Matrice 3T: ca. 1,8 MB

Diese Unterschiede lassen darauf schließen, dass DJI bei der Matrice 4T eine digitale Interpolation zur künstlichen Erhöhung der Auflösung einsetzt. Dabei wird vermutlich jedes reale Sensorpixel rechnerisch in kleinere Teilbereiche unterteilt, um eine höhere nominelle Auflösung und eine subjektiv gesteigerte Bildschärfe zu erzeugen. Ein physikalisch größerer oder höher auflösender Sensor ist laut Herstellerangaben nicht verbaut.

Die Wirksamkeit dieses Verfahrens zeigt sich in Abbildung 3: Beim Vergleich der in Abbildung 1 dargestellten Aufnahmen sind bei starker Vergrößerung zwischen den Bildern der H30T (a) und der M4T (b) nur geringfügige Unterschiede hinsichtlich der Detailtreue erkennbar. Die Aufnahme der M3T (c) hingegen zeigt deutlich weniger Detailschärfe und fällt im direkten Vergleich merklich ab.

Abbildung 3: Detailausschnitt eines PV-Moduls der drei Sensoren in Abhängigkeit von der Flughöhe

Dargestellt sind die jeweils unbearbeiteten Originaldateien im *.jpg-Format.

1: 15m AGL (Above Ground Level)

2: 45m AGL (Above Ground Level)

Betrachtung der Indexwerte

Zusätzlich zur Betrachtung der unbearbeiteten Bilddaten wurden die thermischen Aufnahmen in farbcodierte Indexwerte überführt, um Unterschiede in der Temperaturdarstellung der Sensoren deutlicher zu visualisieren (Abbildung 3). Diese Transformation ist erforderlich, um aus den Bilddaten tatsächlich Temperaturwerte extrahieren zu können, wie es beispielsweise auch durch das DJI Thermal Analysis Tool ermöglicht wird. Grundlage hierfür waren die im .tiff-Format gespeicherten Rohdaten der Sensoren, welche in entsprechende Farbskalen umgerechnet wurden.

Wie bereits bei der Analyse der .jpg-Dateien zeigen sich auch hier deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Sensorsystemen:

Die H30T (a) liefert auch bei größerem Abstand eine homogene und differenzierte Darstellung der Temperaturverteilung auf der Moduloberfläche. Im Vergleich dazu besitzen die Aufnahmen der Matrice 4T (b) nach der Konvertierung in das .tiff-Format nur noch ihre native physikalische Auflösung von 640 × 512 Pixel. Dadurch zeigt sich eine sichtbar geringere Differenzierung der Temperaturverteilung, insbesondere bei kleinräumigen Strukturen, womit sie qualitativ nicht mit der H30T konkurrieren kann.

Die Matrice 3T (c) weist, ähnlich wie die M4T, bereits bei 15 m AGL eine eingeschränkte Fähigkeit zur Darstellung feiner Temperaturunterschiede auf. Dieser Effekt verstärkt sich bei 45 m AGL nochmals deutlich.

Besonders anschaulich wird dieser Unterschied anhand der Auflösung über die Breite eines einzelnen PV-Moduls. Während die H30T das Modul mit 34 Pixeln abbildet, sind es bei der M4T nur noch 17 Pixel, also exakt die Hälfte. Bei der M3T reduziert sich die effektive Auflösung aufgrund des größeren Field of View (FoV) nochmals auf 13 Pixel.

Die Darstellung der farbcodierten Indexwerte verdeutlicht somit die Unterschiede in der Detail- und Temperaturauflösung der drei Systeme noch klarer als der Vergleich der .jpg-Dateien.

Bewertung der Sensoren

Fazit

Mavic 3T

Die M3T eignet sich vor allem für schnelle Übersichtsaufnahmen und kostengünstige Inspektionen, bei denen eine hohe Detailgenauigkeit nicht im Vordergrund steht.

Matrice 4T

Die M4T bietet ein gutes Mittelfeld zwischen Handhabbarkeit und Bildqualität. Sie liefert durch digitale Interpolation optisch scharfe Ergebnisse, kommt aber bei echter Temperaturdifferenzierung nicht an die H30T heran.

H30T

Das H30T ist die klar leistungsstärkste Lösung im Test. Sie liefert eine sehr hohe Detail- und Temperaturauflösung, eignet sich für präzise Fehleranalysen und zeigt auch auf größere Distanzen noch eine exzellente Bildqualität.

Stand Juni 2025

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