WO2024099583A1 - Verfahren zur ermittlung der höhe von wasserwellen - Google Patents

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WO2024099583A1
WO2024099583A1 PCT/EP2023/025404 EP2023025404W WO2024099583A1 WO 2024099583 A1 WO2024099583 A1 WO 2024099583A1 EP 2023025404 W EP2023025404 W EP 2023025404W WO 2024099583 A1 WO2024099583 A1 WO 2024099583A1
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sensor
water surface
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height
reference object
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PCT/EP2023/025404
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Michael Fuerstner
Ehsan SHARAFIAN ARDAKANI
Xiaohai Lin
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Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the height of waves on a water surface, whereby the water surface is scanned using radiation directed from a sensor onto the water surface and reflected there, and the distance between the sensor and the measuring points on the water surface is measured.
  • the invention also relates to the use of the method in surfing and to a device for carrying out the method.
  • Determining the height of ocean waves is not only necessary for predicting weather events, but also for warning shipping or for warning coastal areas and structures exposed to waves in the event of extreme wave formation.
  • Measuring devices and sensors are often used for this purpose, which are arranged on buoys or fixed points in the water, floating or on the seabed or on land, such as Doppler profile current meters, pressure sensors, wave height sensors or radar and lidar sensors.
  • DE 10 2013 002 127 A1 discloses a method for determining a wave elevation and/or velocity potential field in a wave-moving body of water, whereby measurement data is determined at at least two measuring locations that are located on a measuring surface oriented parallel to a still water level. So-called Doppler flow profilers are used as sensors here.
  • JP 2014 232087 A discloses a method and a device for measuring wave height, in which a radar device arranged on land emits an electromagnetic wave directed at the water surface and determines the wave height based on the intensity of the reflected wave.
  • determining wave height is also useful for another, more enjoyable application that serves as a means of sporting comparison and competition. Since its Olympic debut in Tokyo in 2020, surfing has become an Olympic discipline. While the difficulty, type and variety of the surfers' maneuvers are assessed by a jury in the Olympic competition, there is increasing public interest in the area of "big wave surfing" and in this case in the spectacular surfing of the largest, highest waves possible.
  • the latter essentially involves documenting, comparing and evaluating the height of the wave for a record attempt.
  • the determination of wave height has so far been rather subjective, for example according to the Hawaiian method, in which the height of the wave is estimated from its back, or according to the Bascom method commonly used in America, in which the height of the front of a wave available for surfing is estimated.
  • determining the height of water waves is not trivial, as they are so-called gravity waves, the speed of which is dominated by the acceleration of gravity.
  • Water waves deviate more or less strongly from the theoretically symmetrical shape of a wave.
  • the height of the wave is considerably lower when viewed from the rear than when viewed from the front.
  • an observer such as a sailor, who is in a trough in front of a wave estimates its height to be about twice its amplitude.
  • the spatial position coordinates of a sensor starting from the spatial position coordinates of a sensor, position coordinates of a large number of measuring points in three-dimensional space and the respective solid angle of the measuring points to the sensor are determined and stored.
  • the measuring points recorded when scanning the water surface form a measuring point cloud describing the water surface, and the wave height is determined by forming the difference in the height coordinates (Z coordinate) of at least two automatically or manually selected measuring points.
  • the method according to the invention allows the actual, current and local wave height for each wave to be determined using relatively simple means and independently of complex warning systems.
  • position coordinates and solid angles are recorded and stored as digital values and thus form a digital measurement point cloud.
  • the measuring points are specified starting from a reference object located on the water surface and moving on a spatial trajectory such that the measuring points form a measuring point cloud that at least partially contains the spatial trajectory of the reference object.
  • Such a method makes it possible to determine the actual, current and local wave height as it is formed at or on the reference object, i.e. not at more or less distant points on the crest or at the foot of the wave, but where the reference object, for example a surfer, is moving on its path.
  • Such an assignment to the position of a reference object is further improved by a further development of the inventive method, in which the wave height is determined by forming the difference between the height coordinates (Z coordinate) of at least two measuring points located on the spatial trajectory.
  • the wave height is determined that is actually relevant on the trajectory or at the location of the reference object, i.e. the wave height that is "surfed” and not a wave height that is still building up behind the surfer.
  • One embodiment of the method according to the invention consists in that the sensor is arranged on an unmanned aircraft, preferably on a remote-controlled multicopter or on a drone. Since surfing, for example, is a very dynamic and mobile process, it is advantageous if the sensor is also correspondingly mobile.
  • an unmanned aircraft i.e. attaching it to a drone or a remote-controlled multicopter, a carrier for the sensor is obtained that is movable during the measurement, can track the reference object and can also be easily transported to any location and used there.
  • Such an unmanned aircraft for example a drone, can then either launched from a boat or from the beach and positioned accordingly to the surfer.
  • any wave within the sensor range can be measured using the method according to the invention.
  • the sensor can also be attached to fixed positions such as towers, masts, platforms, etc.
  • the influence of the radiation on objects or people in the field of action must then be taken into account, as well as the accuracy decreasing with the distance of the measurement point cloud from the sensor.
  • a further embodiment of the method according to the invention consists in controlling the unmanned aircraft in such a way that it maintains a predetermined position relative to the reference object during the movement of the reference object. Maintaining a predetermined position relative to the reference object, such as a surfer, facilitates the specification or determination of the measurement point cloud and the evaluation of the measurement points selected from it on the trajectory.
  • the aircraft is controlled in such a way that it maintains a position above and to the side of the reference object in the direction of movement, as well as above a wave crest located behind the reference object.
  • the remote-controlled aircraft flies or hovers above the sea area or wave front to be scanned at a sufficient height above the area to be measured, i.e. above the wave (“follow-me” function).
  • the water surface is continuously scanned in accordance with the method using the measurement point cloud.
  • the position of the aircraft “above” and “in front of” the surfer is maintained, either via a “position hold function” in the aircraft’s control system or by the pilot controlling it himself.
  • a further development of the method consists in controlling the unmanned aircraft with the aid of a position determination by a GPS system, or differential GPS system using fixed reference stations, preferably using an additional position sensor of the aircraft, whereby starting from the position of the aircraft, ie the sensor, the absolute position coordinates of the measuring points are determined in all three spatial directions.
  • a further embodiment of the method according to the invention consists in using a lidar or radar sensor as the sensor.
  • a lidar or radar sensor as the sensor.
  • Such measuring systems that work with laser beams or electromagnetic radiation are extremely precise and can now be used as compact modules and sensors for a wide variety of applications.
  • Lidar sensors are already being used for various applications in the automotive sector. Lidar sensors scan their surroundings using laser beams and thus generate a digital point cloud with scanned measuring points.
  • a further development of the method consists in the fact that, while the distance between the sensor and the measuring points is being measured, a video recording of the water surface is made, which contains the reference object moving on a spatial trajectory and the surface assigned to the measuring points. In this way, a camera on the remote-controlled aircraft can record the video recordings for later review of the data in the measuring point cloud.
  • the data from the distance measurement and/or the video recording are sent via a telemetry system and in real time to a stationary evaluation unit, for example to a stationary receiving station in which a higher computing power is available for storage and evaluation than in the remote-controlled aircraft or in the drone.
  • the data from the distance measurement and/or the video recording are stored on board the aircraft and subjected to a time-delayed evaluation. This simplifies the design of the aircraft or drone because a transmission unit, such as a transmitter, and an evaluation unit requiring high computing power are no longer required.
  • an advantageous use of the method according to the invention is to carry out a determination of the wave height at a sporting event, the reference object being a surfer moving on a trajectory on the front side of a wave.
  • the reference object being a surfer moving on a trajectory on the front side of a wave.
  • a further aspect of the invention relates to a device for carrying out the method, designed as an unmanned aerial vehicle provided with a measuring device, wherein the measuring device has one or more lidar and/or radar sensors for measuring a distance between the respective sensor and measuring points on the water surface.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of two waves 1 and 2 formed on a water surface 3. Waves 1 and 2 are drawn in a kind of sectional view and have formed over a bottom 5 of a beach area not shown in detail here. On the front of wave 2 you can see a surfer 12 who is moving on a trajectory 4, namely sliding diagonally down the front of the wave, i.e. "riding" the wave.
  • a remote-controlled multicopter 6 is provided, which is controlled by a pilot (not shown here) in such a way that it can control the wave during the movement of the Reference object 12, here the surfer, maintains a predetermined position relative to the surfer 12, namely laterally in front of the surfer 12 in the direction of movement and above the wave crest 7 located behind the surfer 12.
  • the multicopter 6 is equipped with a lidar sensor (not shown in detail here) which emits laser radiation 8 directed at the water surface, here the front of the shaft 2, and reflected there, and thus measures the distance between the lidar sensor and the measuring points 9 on the water surface forming a measuring point cloud.
  • a lidar sensor (not shown in detail here) which emits laser radiation 8 directed at the water surface, here the front of the shaft 2, and reflected there, and thus measures the distance between the lidar sensor and the measuring points 9 on the water surface forming a measuring point cloud.
  • the measuring points 9 are specified, namely starting from the surfer 3 moving on the spatial trajectory 4 on the water surface as a reference point or reference object in such a way that the measuring points 9 form a measuring point cloud which contains the spatial trajectory 4 of the reference object/surfer 12.
  • the absolute position coordinates of the measuring points 9 are then determined in all three spatial directions x, y and in the height direction z.
  • the current wave height relevant for the surfer 12 is then determined by forming the difference between the height coordinates Z10 and Zu of at least two automatically selected measuring points 10 and 11.
  • two measuring points 10 and 11 are selected, which are also located on the trajectory 4.
  • the position of the multicopter 6 is determined by a differential GPS system, whereby the multicopter has an additional position sensor.

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Höhe von Wellen an einer Wasseroberfläche, wobei mit Hilfe einer von einem Sensor aus auf die Wasseroberfläche gerichteten und dort reflektierten Strahlung die Wasseroberfläche abgetastet wird und eine Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten an der Wasseroberfläche erfolgt, wobei ausgehend von den räumlichen Positionskoordinaten des Sensors die Positionskoordinaten einer Vielzahl von Messpunkten im dreidimensionalen Raum sowie der jeweilige Raumwinkel der Messpunkte zum Sensor ermittelt und gespeichert werden, wobei die bei der Abtastung der Wasseroberfläche erfassten Messpunkte eine die Wasseroberfläche beschreibende Messpunktwolke bilden und die Wellenhöhe durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten mindestens zweier automatisch oder manuell ausgewählter Messpunkte ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Höhe von Wasserwellen
FELD DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Höhe von Wellen an einer Wasseroberfläche, wobei mit Hilfe einer von einem Sensor aus auf die Wasseroberfläche gerichteten und dort reflektierten Strahlung die Wasseroberfläche abgetastet wird und eine Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten an der Wasseroberfläche erfolgt. Ebenfalls betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens beim Surfsport sowie eine Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Die Ermittlung der Höhe von Meereswellen ist nicht nur zur Vorhersage von Wetterereignissen erforderlich, sondern auch zur Warnung der Seefahrt oder zur Warnung von wellenbeaufschlagten Küstengebieten und Bauwerken bei extremen Wellenbildungen. Oft werden hierzu Messeinrichtungen und Sensoren genutzt, die an Bojen oder Festpunkten im Wasser, schwimmend oder am Meeresgrund oder an Land angeordnet sind, wie etwa Doppler-Profil-Strömungsmesser, Drucksensoren, Wellenhöhensensoren oder Radar- und Lidarsensoren.
Die DE 10 2013 002 127 A1 offenbart hierzu ein Verfahren zur Bestimmung eines Wellenerhebungs- und/oder Geschwindigkeitspotentialfelds in einem wellenbewegten Gewässer, wobei Messdaten an wenigsten zwei Messorten ermittelt werde, die sich auf einer parallel zu einem Ruhewasserspiegel orientierten Messfläche befinden. Als Sensoren werden hier beispielsweise so genannte Doppler-Strömungsprofiler verwendet.
Die JP 2014 232087 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Wellenhöhe, bei dem der eine an Land angeordnete Radar-Einrichtung eine auf die Wasseroberfläche gerichtete elektromagnetische Welle ausstrahlt und anhand der Intensität der reflektierten Welle die Wellenhöhe ermittelt. Neben der Nutzung für Vorhersage und Warnung ist die Bestimmung der Wellenhöhe aber noch für eine andere, eher erfreuliche und dem sportlichen Vergleich und Wettkampf dienende Anwendung von Nutzen. Seit seinem olympischen Debüt in Tokio im Jahre 2020 ist der Surfsport eine olympische Disziplin geworden. Während im olympischen Wettbewerb Schwierigkeit, Art und Vielfalt der Manöver der Surfer von einer Jury bewertet werden, richtet sich parallel dazu ein steigendes Publikumsinteresse auf den Bereich des „Big Wave Surfing“ und hier auf das spektakuläre Surfen möglichst großer, hoher Wellen.
Bei Letzterem geht es im Wesentlichen darum, die Wellenhöhe für einen Rekordversuch zu dokumentieren, zu vergleichen und zu bewerten. In diesem sportlichen Bereich erfolgte die Ermittlung der Wellenhöhe bisher eher subjektiv, etwa nach der Hawaiianischen Methode, bei der die Wellenhöhe von ihrer Rückseite abgeschätzt wird oder nach der in Amerika üblichen Bascom-Methode, bei der die für das Surfen zur Verfügung stehende Höhe der Vorderseite einer Welle abgeschätzt wird.
Grundsätzlich ist die Bestimmung der Höhe von Wasserwellen nicht trivial, da es sich um sogenannte Schwerewellen handelt, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Schwerebeschleunigung dominiert wird. Wasserwellen weichen von der theoretisch-symmetrischen Form einer Welle mehr oder weniger stark ab. In Uferbereichen ist zudem die Wellenhöhe von ihrer Rückseite aus gesehen erheblich geringer als von ihrer Vorderseite aus gesehen. Darüber hinaus schätzt ein Beobachter, beispielsweise ein Seemann, der sich in einem Wellental vor einer Welle befindet, deren Höhe etwa auf das Doppelte ihrer Amplitude ein.
All das macht bereits deutlich, dass es auch für die Vergleichbarkeit von Rekordversuchen beim „Big Wave Surfing“ wünschenswert ist, die Wellenhöhen genauer bestimmen zu können als durch eine Schätzung. Andererseits sind teure und nur mit erheblicher Infrastruktur einzurichtende Warnsysteme, wie sie oben für Vorhersage und Warnung beschrieben sind, nicht dazu vorgesehen, als Nebenprodukt Rekordversuche zu dokumentieren. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine möglichst genaue, nachvollziehbare, dokumentierbare und mit messtechnisch Mitteln objektiv erfolgende Bestimmung der Wellenhöhe bereitzustellen, die von großen und komplexen Warnsystemen unabhängig ist und mit einfachen Mitteln auch ohne eine große Infrastruktur von Land- oder seegestützten Messstellen arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine besondere Verwendung des Verfahrens ist in Anspruch 12 beschrieben. Außerdem ist in Anspruch 13 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart.
Erfindungsgemäß werden, ausgehend von den räumlichen Positionskoordinaten eines Sensors, Positionskoordinaten einer Vielzahl von Messpunkten im dreidimensionalen Raum sowie der jeweilige Raumwinkel der Messpunkte zum Sensor ermittelt und gespeichert. Dabei bilden die bei der Abtastung der Wasseroberfläche erfassten Messpunkte eine die Wasseroberfläche beschreibende Messpunktwolke, und die Wellenhöhe wird durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z-Koordinate) mindestens zweier automatisch oder manuell ausgewählter Messpunkte ermittelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die tatsächliche, aktuelle und lokale Wellenhöhe für jede Welle mit relativ einfachen Mitteln und unabhängig von komplexen Warnsystemen ermitteln.
In einer die digitale Verarbeitung in Recheneinrichtungen erleichternden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Positionskoordinaten und Raumwinkel als digitale Werte erfasst und gespeichert und bilden so und eine digitale Messpunktwolke.
In einer weiteren Ausbildung des erfinderischen Verfahrens werden die Messpunkte ausgehend von einem auf der Wasseroberfläche befindlichen und sich auf einer räumlichen Bahnkurve (Trajektorie) bewegenden Bezugsobjekt so vorgegeben, dass die Messpunkte eine die räumliche Bahnkurve des Bezugsobjekts mindestens teilweise beinhaltende Messpunktwolke bilden.
Durch ein solches Verfahren lässt sich die tatsächliche, aktuelle und lokale Wellenhöhe ermitteln, wie sie beim oder am Bezugsobjekt ausgebildet ist, also nicht an mehr oder weniger entfernten Stellen am Kamm oder am Fuß der Welle, sondern dort, wo sich das Bezugsobjekt, beispielsweise ein Surfer, auf seiner Bahn bewegt.
Verbessert wird eine solche Zuordnung zur Position eines Bezugsobjektes noch durch eine weitere Ausbildung des erfinderischen Verfahrens, bei dem die Wellenhöhe durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z-Koordinate) mindestens zweier auf der räumlichen Bahnkurve befindlicher Messpunkte ermittelt wird.
Durch eine solche Festlegung der Messpunktwolke und die daraus auf der Bahnkurve ausgewählten Messpunkte wird die Wellenhöhe ermittelt, die tatsächlich auf der Bewegungsbahn bzw. am Ort des Bezugsobjektes maßgeblich ist, also die Wellenhöhe, die „gesurft“ wird, und nicht etwa eine Wellenhöhe, die sich hinter dem Surfer noch aufbaut.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist man also auch bei der Untersuchung und Bewertung von Rekordversuchen beim „Big Wave Surfing“ nicht mehr auf die bisher üblichen Auswertungen von Bildmaterial oder Abschätzungen angewiesen.
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Sensor an einem unbemannten Luftfahrzeug angeordnet ist, vorzugsweise an einem ferngesteuerten Multicopter oder an einer Drohne vorgesehen ist. Da beispielsweise das Surfen einen sehr dynamischen und ortsveränderlichen Vorgang darstellt, ist es vorteilhaft, wenn der Sensor auch entsprechend mobil ist. Durch dessen Anordnung an einem unbemannten Luftfahrzeug, also die Befestigung an einer Drohne oder an einem ferngesteuerten Multicopter, erhält man einen Träger für den Sensor, der während der Messung beweglich ist, das Bezugsobjekt verfolgen kann und zudem leicht an jeden beliebigen Ort transportiert und dort eingesetzt werden kann. Ein solches unbemanntes Luftfahrzeug, beispielsweise eine Drohne, kann dann entweder von einem Boot oder vom Strand aus gestartet und entsprechend zum Surfer positioniert werden.
Ganz grundsätzlich kann damit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jede beliebige Welle im Rahmen der Sensorreichweite vermessen werden. Damit kann, je nach verwendeter Strahlung, der Sensor auch an ortsfesten Positionen wie Türmen, Masten, Plattformen o.ä. befestigt sein, allerdings ist dann der Einfluss der Strahlung auf Gegenstände oder Personen im Wirkungsfeld zu beachten als auch eine sich etwa mit dem Abstand der Messpunktwolke vom Sensor verringernde Genauigkeit.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das unbemannte Luftfahrzeug so gesteuert wird, dass es während der Bewegung des Bezugsobjekts eine vorbestimmte Position relativ zum Bezugsobjekt behält. Das Halten einer vorbestimmten Position relativ zum Bezugsobjekt, etwa zu einem Surfer, erleichtert die Vorgabe bzw. die Festlegung der Messpunktwolke und die Auswertung der daraus auf der Bahnkurve ausgewählten Messpunkte.
Das gilt gleichermaßen für eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Luftfahrzeug so gesteuert wird, dass es eine Position oberhalb und in Bewegungsrichtung seitlich vor dem Bezugsobjekt sowie oberhalb eines hinter dem Bezugsobjekt sich befindenden Wellenkamms behält. Dabei fliegt oder schwebt das ferngesteuerte Luftfahrzeug über dem abzutastenden Meeresbereich bzw. der Wellenfront in einer ausreichenden Höhe über dem zu messenden Bereich, also über der Welle („Follow-me“ Funktion). Dabei wird die Wasseroberfläche mit Hilfe der Messpunktwolke kontinuierlich verfahrensgemäß gescannt. Während des Messvorgangs, d.h. während der Surfer die Welle abreitet, wird die Position des Luftfahrzeugs „über“ und „vor“ dem Surfer beibehalten, entweder über eine „Position-Hold-Funktion“ in der Steuerung des Luftfahrzeugs oder durch den steuernden Piloten selbst.
Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass das unbemannte Luftfahrzeug mit Hilfe einer Positionsbestimmung durch ein GPS-System, oder Differential-GPS-System mit Nutzung fest vermessener Referenzstationen, gesteuert wird, vorzugsweise unter Verwendung eines zusätzlichen Lage-Sensors des Luftfahrzeugs, wobei ausgehend von der Position des Luftfahrzeugs, d.h. des Sensors, die absoluten Positionskoordinaten der Messpunkte in allen drei Raumrichtungen bestimmt werden.
Durch die Ermittlung solcher Absolut-Koordinaten, nämlich der Koordinaten für die absoluten Positionen der Messpunkte ergibt sich eine eindeutige und sichere Vergleichbarkeit an beliebigen Orten. Dadurch vereinfacht sich die eindeutige Bestimmung und Vergleichbarkeit von Wellenhöhen. Die Ermittlung solcher absoluten Positionskoordinaten kann mit einem Differential-GPS-Systems erreicht werden, bei dem mit Hilfe fest vermessener Referenzstationen die Laufzeiten der Signale für jeden GPS-Satelliten sehr genau bestimmbar sind.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass als Sensor ein Lidar- oder Radarsensor vorgesehen ist. Solche mit Laserstrahlen oder elektromagnetischer Strahlung arbeitenden Messsysteme sind überaus genau und mittlerweile als kompakte Module und Sensoren für die verschiedensten Anwendungen einsetzbar. Lidar-Sensoren werden bereits für verschiedene Anwendungen im Automobilbereich eingesetzt. Lidar-Sensoren tasten ihre Umgebung durch Laserstrahlen ab und erzeugen so einen digitale Punktewolke mit abgetasteten Messpunkten.
Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass während der Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten eine Video-Aufnahme der Wasseroberfläche erfolgt, welche das auf einer räumlichen Bahnkurve bewegte Bezugsobjekt und die den Messpunkten zugeordnete Oberfläche enthält. Auf diese Weise kann eine Kamera des ferngesteuerten Luftfahrzeugs die Videoaufnahmen zur späteren Überprüfung der Daten der Messpunktwolke mit aufzeichnen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme über ein Telemetrie-System und in Echtzeit an eine stationäre Auswerteeinheit gesendet, zum Beispiel an eine stationäre Empfangsstelle, in der zur Speicherung und Auswertung eine höhere Rechenleistung zur Verfügung steht als in dem ferngesteuerten Luftfahrzeug bzw. in der Drohne. In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens werden die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme an Bord des Luftfahrzeugs gespeichert und einer zeitlich versetzten Auswertung zugeführt. Hierdurch vereinfacht sich die Konstruktion des Luftfahrzeugs bzw. der Drohne dadurch, dass auf eine Übertragungseinheit, beispielsweise einen Sender, sowie auf eine hohe Rechenleistung erfordernde Auswerteeinheit verzichtet werden kann.
Wie bereits dargelegt, besteht eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, eine Ermittlung der Wellenhöhe bei einer Sportveranstaltung durchzuführen, wobei das Bezugsobjekt ein auf der Vorderseite einer Welle sich auf einer Bahnkurve bewegender Surfer ist. Eine solche Verwendung erlaubt es an beliebigen Orten, zum Beispiel an besonderen abgelegenen Stränden mit hohen Wellen eine exakte, vergleichbare Messung der Wellenhöhe bereitzustellen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ausgebildet als mit einer Messeinrichtung versehenes unbemanntes Luftfahrzeug, wobei die Messeinrichtung ein oder mehrere Lidar- und/oder Radarsensoren aufweist zur Messung eines Abstands zwischen jeweiligem Sensor und Messpunkten an der Wasseroberfläche.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die in der Figur gezeigte beispielhafte Ausführung beschrieben.
Dazu zeigt Fig. 1 als Prinzipskizze zwei ausgebildete Wellen 1 und 2 auf einer Wasseroberfläche 3. Die Wellen 1 und 2 sind dabei in einer Art Schnittdarstellung gezeichnet und haben sich über einem Grund 5 eines hier nicht näher dargestellten Strandbereiches aufgebaut. Auf der Vorderseite der Welle 2 erkennt man einen Surfer 12, der sich auf einer Bahnkurve 4 bewegt, nämlich an der Vorderseite der Welle schräg hinab gleitet, also die Welle „reitet“.
Zur Ermittlung der Wellenhöhe unter der und bezogen auf die Position des Surfers 12 ist ein ferngesteuerter Multicopter 6 vorgesehen, der von einem hier nicht dargestellten Piloten so gesteuert wird, dass er während der Bewegung des Bezugsobjekts 12, hier des Surfers, eine vorbestimmte Position relativ zum Surfer 12 behält, nämlich in Bewegungsrichtung seitlich vor dem Surfer 12 sowie oberhalb des hinter dem Surfer 12 sich befindenden Wellenkamms 7 behält.
Der Multicopter 6 ist mit einem hier nicht im Detail dargestellten Lidar-Sensor versehen, der eine auf die Wasseroberfläche, hier die Vorderseite der Welle 2 gerichtete und dort reflektierte Laserstrahlung 8 aussendet, und damit eine Messung des Abstands zwischen Lidar-Sensor und den eine Messpunktwolke bildenden Messpunkten 9 an der Wasseroberfläche erfolgt.
Die Messpunkte 9 werden vorgegeben, hier nämlich ausgehend vom sich auf der räumlichen Bahnkurve 4 auf der Wasseroberfläche bewegenden Surfer 3 als Bezugspunkt oder Bezugsobjekt derart, dass die Messpunkte 9 eine Messpunktwolke bilden, die die räumliche Bahnkurve 4 des Bezugsobjekts/Surfer 12 beinhaltet.
Mit Hilfe des Lidar-Sensors am Multicopter 6 werden dann die absoluten Positionskoordinaten der Messpunkte 9 in allen drei Raumrichtungen x, y und in der Höhenrichtung z bestimmt. Die für den Surfer 12 maßgebliche aktuelle Wellenhöhe wird dann durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten Z10 und Zu mindestens zweier automatisch ausgewählter Messpunkte 10 und 11 ermittelt. Hier sind zwei Messpunkte 10 und 11 ausgewählt, die sich auch auf der Bahnkurve 4 befinden.
Die Positionsbestimmung des Multicopters 6 erfolgt durch ein Differential-GPS- Systems, wobei der Multicopter einen zusätzlichen Lage-Sensor aufweist.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ermittlung der Höhe von Wellen an einer Wasseroberfläche (3), wobei mit Hilfe einer von einem Sensor aus auf die Wasseroberfläche gerichteten und dort reflektierten Strahlung (8) die Wasseroberfläche (3) abgetastet wird und eine Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten (9) an der Wasseroberfläche (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von den räumlichen Positionskoordinaten des Sensors Positionskoordinaten einer Vielzahl von Messpunkten (9) im dreidimensionalen Raum sowie der jeweilige Raumwinkel der Messpunkte (9) zum Sensor ermittelt und gespeichert werden, wobei die bei der Abtastung der Wasseroberfläche (3) erfassten Messpunkte (9) eine die Wasseroberfläche beschreibende Messpunktwolke bilden und die Wellenhöhe durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z10, Zu) mindestens zweier automatisch oder manuell ausgewählter Messpunkte (10, 11 ) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Positionskoordinaten und Raumwinkel als digitale Werte erfasst und gespeichert werden und eine digitale Messpunktwolke bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Messpunkte (9) ausgehend von einem auf der Wasseroberfläche (3) befindlichen und sich auf einer räumlichen Bahnkurve (4) bewegenden Bezugsobjekt (12) so vorgegeben werden, dass die Messpunkte (9) eine die räumliche Bahnkurve (4) des Bezugsobjekts mindestens teilweise beinhaltende Messpunktwolke bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Wellenhöhe durch Bildung der Differenz der Höhenkoordinaten (Z10, Zu) mindestens zweier auf der räumlichen Bahnkurve befindlicher Messpunkte (10, 11 ) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor an einem unbemannten Luftfahrzeug (6) angeordnet ist, vorzugsweise an einem ferngesteuerten Multicopter (6) oder an einer Drohne vorgesehen ist, außerdem umfassend: - Steuerung des Luftfahrzeugs (6) so, dass es während der Bewegung des Bezugsobjekts eine vorbestimmte Position relativ zum Bezugsobjekt (12) behält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Luftfahrzeug (6) so gesteuert wird, dass es eine Position oberhalb und in Bewegungsrichtung seitlich vor dem Bezugsobjekt (12) sowie oberhalb eines hinter dem Bezugsobjekt (12) sich befindenden Wellenkamms (7) behält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Luftfahrzeug (6) mit Hilfe einer Positionsbestimmung durch ein GPS-System oder Differential-GPS- System gesteuert wird, vorzugsweise unter Verwendung eines zusätzlichen Lage- Sensors des Luftfahrzeugs (6), wobei ausgehend von der Position des Luftfahrzeugs (6) und des dort vorgesehenen Sensors die absoluten Positionskoordinaten der Messpunkte (9) in allen drei Raumrichtungen bestimmt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Sensor ein Lidar- oder Radarsensor vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei während der Messung des Abstands zwischen Sensor und Messpunkten eine Video-Aufnahme der Wasseroberfläche erfolgt, welche das auf einer räumlichen Bahnkurve (4) bewegte Bezugsobjekt (12) und die Messpunkte (9) enthält.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme über ein Telemetrie-System und in Echtzeit an eine stationäre Auswerteeinheit gesendet werden.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Daten der Abstandmessung und/oder der Video-Aufnahme an Bord des Luftfahrzeugs (6) gespeichert und einer zeitlich versetzten Auswertung zugeführt werden.
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Ermittlung der Wellenhöhe bei einer Sportveranstaltung, wobei das Bezugsobjekt (12) ein auf der Vorderseite einer Welle sich auf einer Bahnkurve bewegender Surfer ist.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , ausgebildet als mit einer Messeinrichtung versehenes unbemanntes Luftfahrzeug (6), wobei die Messeinrichtung ein oder mehrere Lidar- und/oder Radarsensoren aufweist zur Messung eines Abstands zwischen Sensor und Messpunkten (9) an der Wasseroberfläche (3).
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