The advent of unoccupied aerial systems (UAS) as disruptive technology has a lasting impact on remote sensing, geophysics and most geosciences. Small, lightweight, and low-cost UAS enable researchers and surveyors to acquire earth observation data in higher spatial and spectral resolution as compared to airborne and satellite data. UAS-based applications range from rapid topographic mapping using photogrammetric techniques to hyperspectral and geophysical measurements of surface and subsurface geology. UAS surveys contribute to identifying metal deposits, monitoring of mine sites and can reveal arising environmental issues associated with mining. Further, affordable UAS technology will boost exploration data availability and expertise in the global south. This thesis investigates the application of UAS-based multi-sensor data for mineral exploration, in particular the integration of hyperspectral imagers, magnetometers and digital cameras (covering the visible red, green, blue light spectrum). UAS-based research is maturing, however the aforementioned methods are not unified effectively. RGB-based photogrammetry is used to investigate topography and surface texture. Image spectrometers measure mineral-specific surface signatures. Magnetometers detect geomagnetic field changes caused by magnetic minerals at surface and depth. The integration of such UAS sensor-based methods in this thesis augments exploration potential with non-invasive, high-resolution, safe, rapid and practical survey methods. UAS-based surveying acquired, processed and integrated data from three distinct test sites. The sites are located in Finland (Fe-Ti-V at Otanmäki; apatite at Siilinjärvi) and Greenland (Ni-Cu-PGE at Qullissat, Disko Island) and were chosen as geologically diverse areas in subarctic to arctic environments. Restricted accessibility, unfavourable atmospheric conditions, dark rocks, debris and vegetation cover and low solar illumination were common features. While the topography in Finland was moderately flat, a steep landscape challenged the Greenland field work. These restraints meant that acquisitions varied from site to site and how data was integrated and interpreted is dependent on the commodity of interest. Iron-based spectral absorption and magnetic mineral response were detected using hyperspectral and magnetic surveying in Otanmäki. Multi-sensor-based image feature detection and classification combined with magnetic forward modelling enabled seamless geologic mapping in Siilinjärvi. Detailed magnetic inversion and multispectral photogrammetry led to the construction of a comprehensive 3D model of magmatic exploration targets in Greenland. Ground truth at different intensity was employed to verify UAS-based data interpretations during all case studies. Laboratory analysis was applied when deemed necessary to acquire geologic-mineralogic validation (e.g., X-ray diffraction and optical microscopy for mineral identification to establish lithologic domains, magnetic susceptibility measurements for subsurface modelling), for example for trace amounts of magnetite in carbonatite (Siilinjärvi) and native iron occurrence in basalt (Qullissat). Technical achievements were the integration of a multicopter-based prototype fluxgate-magnetometer data from different survey altitudes with ground truth, and a feasibility study with a high-speed multispectral image system for fixed-wing UAS. The employed case studies transfer the experiences made towards general recommendations for UAS application-based multi-sensor integration. This thesis highlights the feasibility of UAS-based surveying at target scale (1–50 km2) and solidifies versatile survey approaches for multi-sensor integration. / Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial einer Drohnen-basierten Mineralexploration mit Multisensor-Datenintegration unter Verwendung optisch-spektroskopischer und magnetischer Methoden zu untersuchen, um u. a. übertragbare Arbeitsabläufe zu erstellen. Die untersuchte Literatur legt nahe, dass Drohnen-basierte Bildspektroskopie und magnetische Sensoren ein ausgereiftes technologisches Niveau erreichen und erhebliches Potenzial für die Anwendungsentwicklung bieten, aber es noch keine ausreichende Synergie von hyperspektralen und magnetischen Methoden gibt. Diese Arbeit umfasste drei Fallstudien, bei denen die Drohnengestützte Vermessung von geologischen Zielen in subarktischen bis arktischen Regionen angewendet wurde. Eine Kombination von Drohnen-Technologie mit RGB, Multi- und Hyperspektralkameras und Magnetometern ist vorteilhaft und schuf die Grundlage für eine integrierte Modellierung in den Fallstudien. Die Untersuchungen wurden in einem Gelände mit flacher und zerklüfteter Topografie, verdeckten Zielen und unter oft schlechten Lichtverhältnissen durchgeführt. Unter diesen Bedingungen war es das Ziel, die Anwendbarkeit von Drohnen-basierten Multisensordaten in verschiedenen Explorationsumgebungen zu bewerten. Hochauflösende Oberflächenbilder und Untergrundinformationen aus der Magnetik wurden fusioniert und gemeinsam interpretiert, dabei war eine selektive Gesteinsprobennahme und Analyse ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit und für die Validierung notwendig. Für eine Eisenerzlagerstätte wurde eine einfache Ressourcenschätzung durchgeführt, indem Magnetik, bildspektroskopisch-basierte Indizes und 2D-Strukturinterpretation integriert wurden. Fotogrammetrische 3D-Modellierung, magnetisches forward-modelling und hyperspektrale Klassifizierungen wurden für eine Karbonatit-Intrusion angewendet, um einen kompletten Explorationsabschnitt zu erfassen. Eine Vektorinversion von magnetischen Daten von Disko Island, Grönland, wurden genutzt, um großräumige 3D-Modelle von undifferenzierten Erdrutschblöcken zu erstellen, sowie diese zu identifizieren und zu vermessen. Die integrierte spektrale und magnetische Kartierung in komplexen Gebieten verbesserte die Erkennungsrate und räumliche Auflösung von Erkundungszielen und reduzierte Zeit, Aufwand und benötigtes Probenmaterial für eine komplexe Interpretation. Der Prototyp einer Multispektralkamera, gebaut für eine Starrflügler-Drohne für die schnelle Vermessung, wurde entwickelt, erfolgreich getestet und zum Teil ausgewertet. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Vorteile und Potenziale von Multisensor-Drohnen als praktisches, leichtes, sicheres, schnelles und komfortabel einsetzbares geowissenschaftliches Werkzeug, um digitale Modelle für präzise Rohstofferkundung und geologische Kartierung zu erstellen.

Dissertation of Chief Fire Officer Dipl.-Ing. M. Sc. Dirk Schneider for achieving the academic degree of Dr.-Ing. of the Faculty of Forestry, Geo and Hydro Sciences of the Technical University of Dresden with the title: “Early Detection of Fires in Areas of Forests and other Vegetation” Fires threaten and destroy extensive forest and vegetation areas every year, endangering people and its settlements, leading to significant pressures on the environment and destroying considerable high value resources. The expenditures in manpower, logistics and finance for safety in general and fire suppression in particular are considerable. To minimize these varied and extensive consequences of fires, early detection is desirable, making an effective firefighting strategy possible. This early detection is particularly of importance in remote, large-scale areas and territories not under observation by the population, especially if they are subject to an increased or high vulnerability. After investigating and considering the causes, that repeatedly lead to forest fires not only in the Federal Republic of Germany but worldwide, the author describes different traditional and modern methods for early detection of fires in areas of forests and other vegetation. Furthermore the author develops a performance item catalog, basing on practical and economic experience, by which not only novel early warning systems can be developed, but the systems and methods described in the present study also are assessed and compared. The comparison of various early warning systems is guided not only by means of technical features, but also from an economic perspective. Financial calculation methods, staff costs and the peculiarities in public administration are particularly noted. The author also shows the different parameters that influence the selection of an appropriate early warning system for the detection of forest and vegetation areas. It becomes clear that it is the scene of the incident with its specific parameters that determines the most useful early warning system.

Dissertation of Chief Fire Officer Dipl.-Ing. M. Sc. Dirk Schneider for achieving the academic degree of Dr.-Ing. of the Faculty of Forestry, Geo and Hydro Sciences of the Technical University of Dresden with the title: “Early Detection of Fires in Areas of Forests and other Vegetation” Fires threaten and destroy extensive forest and vegetation areas every year, endangering people and its settlements, leading to significant pressures on the environment and destroying considerable high value resources. The expenditures in manpower, logistics and finance for safety in general and fire suppression in particular are considerable. To minimize these varied and extensive consequences of fires, early detection is desirable, making an effective firefighting strategy possible. This early detection is particularly of importance in remote, large-scale areas and territories not under observation by the population, especially if they are subject to an increased or high vulnerability. After investigating and considering the causes, that repeatedly lead to forest fires not only in the Federal Republic of Germany but worldwide, the author describes different traditional and modern methods for early detection of fires in areas of forests and other vegetation. Furthermore the author develops a performance item catalog, basing on practical and economic experience, by which not only novel early warning systems can be developed, but the systems and methods described in the present study also are assessed and compared. The comparison of various early warning systems is guided not only by means of technical features, but also from an economic perspective. Financial calculation methods, staff costs and the peculiarities in public administration are particularly noted. The author also shows the different parameters that influence the selection of an appropriate early warning system for the detection of forest and vegetation areas. It becomes clear that it is the scene of the incident with its specific parameters that determines the most useful early warning system.:Vorwort 3 Abstract 6 Inhaltsverzeichnis 7 1 Einleitung 12 2 Ziel- und Aufgabenstellung 17 3 Vorbetrachtungen und Stand des Wissens 18 3.1 Die Waldbrandsituation 18 3.2 Brandursachen in Wäldern und Vegetationsgebieten 21 3.3 Methoden der Waldbrandfrüherkennung 27 3.3.1 Herkömmliche Methoden der Waldbrandfrüherkennung 27 3.3.1.1 Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit 27 3.3.1.2 Feuerwachtürme 29 3.3.1.3 Luftbeobachtung 35 3.3.1.3.1 Feuerwehrflugdienst Niedersachsen 39 3.3.1.3.2 Luftrettungsstaffel Bayern 44 3.3.1.3.3 Avialesookhrana 47 3.3.2 Moderne Systeme 50 3.3.2.1 Terrestrische Systeme 51 3.3.2.1.1 Firewatch 53 3.3.2.1.2 Firehawk Forestwatch 69 3.3.2.1.3 Integriertes Waldbrand-Beobachtungssystem (IPNAS) 72 3.3.2.1.4 FireALERT 76 3.3.2.1.5 Fire Wall 83 3.3.2.1.6 Radio-Akustisches-Sondierungssystem (RASS) 87 3.3.2.1.7 Mobile Biological Sensors (MBS) 93 3.3.2.1.8 Light Detection And Ranging (LIDAR) 101 3.3.2.1.9 Golden Eye 104 3.3.2.2 Aeronautische Systeme 108 3.3.2.2.1 National Infrared Operations Program (NIROPS) 108 3.3.2.2.2 Wildfire Airborne Sensor Program (WASP) 116 3.3.2.2.3 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 121 3.3.2.2.4 Luftschiffe 130 3.3.2.3 Orbitale Systeme 135 3.3.2.3.1 Nomos 137 3.3.2.3.2 Bispectral Infrared Detection (BIRD) 141 3.3.2.3.3 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 146 3.3.2.3.4 Polar Operational Environmental Satellite Project (POES) 151 4 Material und Methoden 154 4.1 Material 155 4.1.1 Fachliteratur und Forschungsberichte 155 4.1.2 Fachberichte internationaler staatlicher Dienststellen 155 4.1.3 Technische Betriebsunterlagen von Herstellern 155 4.2 Methoden 156 4.2.1 Gespräche und Interviews 156 4.2.2 Praxisorientiertes Erfahrungs- und Anwenderwissen 156 4.2.3 Vergleich zur Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit 157 4.2.4 Wirtschaftlichkeit 159 4.2.4.1 Wirtschaftlichkeit unter betriebs- und finanzwirtschaftlicher Betrachtung 160 4.2.4.1.1 Die Wirtschaftlichkeitsanalyse 161 4.2.4.1.1.1 Wirtschaftlichkeitsrechnung 161 4.2.4.1.1.1.1 Statische Verfahren 161 4.2.4.1.1.1.1.1 Kosten- und Gewinnvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.1.2 Rentabilitätsvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.1.3 Amortisationsvergleichsrechnung 162 4.2.4.1.1.1.2 Dynamische Verfahren 163 4.2.4.1.1.1.2.1 Kapitalwertmethode 163 4.2.4.1.1.1.2.2 Internal Rate of Return 164 4.2.4.1.1.1.2.3 Annuitätenmethode 164 4.2.4.1.1.2 Kosten-Nutzen-Analyse 165 4.2.4.1.1.3 Nutzwertanalyse 165 4.2.4.2 Wirtschaftlichkeit in der öffentlichen Verwaltung 166 4.2.4.3 Personalkosten 170 4.2.4.4 Kostenvergleich verschiedener Früherkennungssysteme 172 5 Entwicklung eines Leistungspositionskataloges 174 5.1 Funktionale Anforderungen 176 5.1.1 Melde- und Dispositionszeiten 176 5.1.1.1 Frühzeitige Branderkennung 176 5.1.1.2 Schnelle Meldewege 177 5.1.1.3 Automatisierte Ortsbestimmung 177 5.1.2 Einsatzbereitschaft 177 5.2 Nicht-Funktionale Anforderungen 178 5.2.1 Zuverlässigkeit 178 5.2.1.1 Geringe Fehlalarm- und Detektionsverlustrate 178 5.2.1.2 Wetterunabhängigkeit 179 5.2.1.3 Temperaturunabhängigkeit 179 5.2.1.4 UV-Beständigkeit 179 5.2.1.5 Elektromagnetische Verträglichkeit 179 5.2.1.6 Reduktion von Täuschungsalarmen 180 5.2.1.7 Zwei-Linien-Abhängigkeit 180 5.2.2 Leistungsvermögen 181 5.2.2.1 Automatisches Wirken 181 5.2.2.2 Einsatzinformationsprojektion 181 5.2.3 Benutzbarkeit 181 5.2.3.1 Bedienbarkeit 181 5.2.3.2 Intuitive Erfassbarkeit 182 5.2.4 Portierung und Übertragung 182 5.2.4.1 Leitstellenaufschaltung 182 5.2.4.2 Geoinformationssystem 182 5.2.4.3 Schnittstelle für Wetterinformationen 183 5.2.4.4 Kommunikationsredundanz 183 5.2.4.5 Kompatibilität 183 5.2.4.6 Ergonomie, Design und Ästhetik 183 5.3 Sicherheitsanforderungen 184 5.3.1 Umweltsicherheit 184 5.3.1.1 Gesundheitsschutz 184 5.3.1.2 Umweltverträglichkeit 184 5.3.2 Technische Betriebssicherheit 185 5.3.2.1 Systemstabilität 185 5.3.2.2 Unabhängigkeit von Dritten 185 5.3.2.3 Zwei-Wege-Energieversorgung 185 5.3.2.4 Umweltresistenz 186 5.4 Wirtschaftlichkeit 186 5.4.1 Wartung und Instandsetzung 186 5.4.2 Erweiterbarkeit 186 5.5 Der Leistungspositionskatalog 187 6 Ergebnisse 188 6.1 Die Notwendigkeit des Einsatzes von Früherkennungssystemen 189 6.2 Grundlegende Bewertung der Leistungsfähigkeit 190 6.2.1 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit) 192 6.2.2 Feuerwachtürme 193 6.2.3 Luftbeobachtung 193 6.2.4 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 194 6.2.5 Luftschiffe 195 6.2.6 Terrestrische CCTV-Technik 196 6.2.7 Terrestrische OSS-Videotechnik 196 6.2.8 Erdgebundene Infrarotsysteme 197 6.2.9 Erdgebundene Temperatursensoren 197 6.2.10 Light Detection And Ranging (LIDAR) 198 6.2.11 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS) 199 6.2.12 Mobile biologische Sensoren (MBS) 200 6.2.13 Satellitentechnologie 201 6.2.14 Zusammenfassung der grundlegenden Bewertung 201 6.3 Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog 204 6.3.1 Erfüllung der funktionalen Anforderungen 205 6.3.2 Erfüllung der nicht-funktionalen Anforderungen 206 6.3.3 Erfüllung der Sicherheitsanforderungen 206 6.3.4 Betrachtung der Wirtschaftlichkeit 207 6.3.5 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit) 207 6.3.6 Feuerwachturm 209 6.3.7 Luftbeobachtung 212 6.3.8 Unmanned Aerial Vehicles (UAV) 213 6.3.9 Luftschiffe 216 6.3.10 CCTV-Technik 218 6.3.11 OSS-Videotechnik 220 6.3.12 Erdgebundene Infrarotsysteme 222 6.3.13 Erdgebundene Temperatursysteme 224 6.3.14 Light Detection And Ranging (LIDAR) 226 6.3.15 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS) 228 6.3.16 Mobile biologische Sensoren (MBS) 229 6.3.17 Satellitentechnologie 232 6.3.18 Zusammenfassung der Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog 235 6.4 Bewertung anhand komplexer Kriterien 243 6.5 Die Vulnerabilität von Ökosystemen 244 6.6 Kostenvergleich ausgewählter Früherkennungssysteme 246 6.7 Bewertung der betriebs- und finanzwirtschaftlichen Methoden 257 6.8 Wirtschaftlichkeit und beeinflussende Nebenaspekte 258 6.9 Die Anwendung von Analysemethoden 261 7 Diskussion 263 7.1 Grundlagen und Methoden der Waldbrandfrüherkennung 263 7.2 Die Komplexität der Findung eines geeigneten Früherkennungssystems 276 7.3 Der Kostenvergleich von Früherkennungssystemen 276 7.4 Allgemeine Wirtschaftlichkeit 278 7.5 Technische Wirtschaftlichkeit 278 7.6 Finanz- und betriebswirtschaftliche Methoden 279 8 Schlussfolgerungen 280 8.1 Lehre zur Bedeutung von Wald- und Vegetationsgebieten 280 8.2 Prävention und Aufklärung 281 8.3 Schutzbedarf feuerunabhängiger Ökosysteme 282 8.4 Notwendigkeit des Einsatzes von Früherkennungssystemen 282 8.5 Der Einfluss der Empfindlichkeit eines Ökosystems 283 8.6 Technische Weiterentwicklung des Systems Feuerwachturm 284 8.7 Erfüllung funktionaler und nicht-funktionaler Anforderungen 285 8.8 Die Gewährleistung der Umweltsicherheit 286 8.9 Unzulässigkeit der Verwendung von Tieren als Früherkennungssystem 286 8.10 Die Wirtschaftlichkeit von Früherkennungssystemen 287 8.11 Die interdisziplinäre Nutzung zur Senkung von Kosten 288 8.12 Der Leistungspositionskatalog als Werkzeug 288 8.13 Orbitaler Systemverbund für den globalen Umweltschutz 289 8.14 Minimierung von Fehlalarmen durch Zwei-Linien-Abhängigkeit 290 8.15 Kombination unterschiedlicher Methoden zum Erhalt eines Idealsystems 291 8.16 Örtliche Bedingungen bestimmen das Früherkennungssystem 292 9 Zusammenfassung 293 10 Quellen- und Literaturverzeichnis (numerisch) 296 11 Quellen- und Literaturverzeichnis (alphabetisch) 338 Anhang I: Abkürzungsverzeichnis 344 Anhang II: Bilderverzeichnis 348 Anhang III: Tabellenverzeichnis 353 Anhang IV: Index 354

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines UAV-basierten Systems und der zugehörigen Methodenentwicklung zur automatisierten Rehkitzsuche in Feldern. Jedes Jahr sterben sehr viele Wildtiere -- vor allem Rehkitze -- während dem Mähen von landwirtschaftlich genutzten Wiesen. Mit herkömmlichen Methoden ist es unter vertretbarem Aufwand bisher nicht gelungen, die Zahl der Mähopfer auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Mit der Entwicklung des in dieser Arbeit beschriebenen "Fliegenden Wildretters" könnte sich das in Zukunft ändern. Mit Hilfe einer Wärmebildkamera aus der Vogelperspektive lässt sich ein warmes Tier, wie ein Rehkitz, wesentlich leichter aufspüren, als mit herkömmlichen Methoden. Auslegung und Aufbau des Systems orientieren sich speziell an dem Aspekt, wie eine möglichst hohe Flächenleistung erreicht werden kann, ohne dabei Tiere zu übersehen. Drei Faktoren sind besonders wichtig, um dieses Ziel zu erreichen: Eine hohe Geschwindigkeit des gesamten Suchprozesses, eine zuverlässige Detektion und eine präzise Lokalisierung der Tiere. Durch Automatisierung lassen sich viele Teilaspekte dieser Aufgabe beschleunigen. Deshalb werden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Methoden entwickelt und validiert, unter anderem zur Flugplanung, Flugsteuerung, Bilddaten-Auswertung, Objekt-Detektion und Georeferenzierung. Die Kenntnis der Rehkitz-Merkmale und der Einflussgrößen bei der Thermalbilderfassung helfen, die Qualität der Detektion zu erhöhen, weshalb sie in dieser Arbeit besondere Berücksichtigung finden. Auch die Präzision der Lokalisierung lässt sich durch Kenntnis der Einflussgrößen auf die Positions- und Lagemessung des UAVs erhöhen. Anhand von umfangreichen Messkampagnen wird die Funktion und Qualität des Systems unter realen Bedingungen belegt.