Vermessung aus der Luft

Luftgestütztes LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine schnelle und genaue Methode zur Gewinnung dreidimensionaler Daten für die Erstellung digitaler Oberflächenmodelle mit Hilfe der LiDAR-Technologie. Mit einer integrierten Kamera können RGB-Bilder durch LiDAR-Daten ergänzt werden, um eine umfassende Auswertung von Bodeninformationen mit einem aktiven Sensor zu erhalten, der mit Hilfe von Lasern Abstände zu Merkmalen und dem Boden misst.

Luftgestütztes LiDAR liefert eine sehr detaillierte, georeferenzierte und genaue Punktwolke. Neben den traditionellen Kartierungsprodukten können aus diesen Daten wertvolle Informationen wie digitale Höhenmodelle (DEM) und digitale Geländemodelle (DTM) gewonnen werden. Luftgestütztes LiDAR ermöglicht in der Regel die Erfassung von Mehrfachimpulsen, wodurch digitale Höhendaten sowohl von Bäumen als auch vom darunter liegenden Boden gleichzeitig erfasst werden können.

Ein Laser erzeugt einen Lichtimpuls, der dann auf einen Spiegel projiziert wird und schließlich ein „Ziel“, in der Regel ein Objekt am Boden, erreicht. Während sich der Laser nach unten bewegt, bis er auf ein Objekt trifft, wird er zum System zurückreflektiert. Die Bestimmung der Entfernung vom Ausgangspunkt ist dank einer mathematischen Gleichung möglich, die die Lichtgeschwindigkeit als konstant annimmt. Diese Messung ergibt die Höhe, auch bekannt als Z-Datenpunkt, eines Objekts. Um mehr Details über die Längen- und Breitengrade (X- und Y-Datenpunkte) einer solchen Einheit zu erhalten, werden gleichzeitig globale Positionierungssysteme verwendet. Darüber hinaus kann eine Trägheitsmesseinheit an Bord digitale Positionsinformationen zu den Dimensionen Neigung, Gieren und Rollen an uns weitergeben.

Jüngste Fortschritte in der LiDAR-Technologie haben es möglich gemacht, Daten schnell aus Flugzeugen und Hubschraubern in Tausenden von Metern Höhe sowie vom Boden aus mit UAVs zu erfassen. Dies ist besonders nützlich für die Vermessung von gefährlichen oder unzugänglichen Bereichen, in denen herkömmliche Methoden unpraktisch sind. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Untersuchungen aus der Luft ohne Gesundheits- und Sicherheitsrisiken für die Beteiligten durchgeführt werden können, da die Laser keine Gefahr für den Menschen darstellen.

Zu den heute verfügbaren LiDAR-Systemen gehören der Leica CityMapper 2, der Teledyne Optech Galaxy T-2000 und der RIEGL VQ-1560-II, die mit beeindruckenden Geschwindigkeiten und Höhen von bis zu 4 Millionen Impulsen pro Sekunde bzw. 7.500 Metern arbeiten können. Darüber hinaus sind sie in der Lage, mehrere Rückmeldungen pro Impuls oder sogar eine unbegrenzte Anzahl von Rückmeldungen zu erfassen, indem sie die gesamte Wellenform digitalisieren.

Auch die Systeme für kleine UAVs haben sich rasant weiterentwickelt – sie können Hunderttausende von Punkten pro Sekunde generieren und so Hunderte von Punkten pro Quadratmeter erfassen, wenn sie in einer angemessenen Höhe und Geschwindigkeit geflogen werden.

Solche Systeme bestehen aus einer Kombination von Komponenten, die im Allgemeinen als „System“ bezeichnet werden; diese können sich manchmal in bestimmten Details unterscheiden, umfassen aber normalerweise einen Laserscanner, ein Trägheitsnavigationssystem (INS) und Kameras.

Laserscanner sind hochentwickelte Systeme, die eine Reihe von zeitlich abgestimmten Laserimpulsen aussenden und den reflektierten Rückimpuls messen. Diese Information wird verwendet, um die verstrichene Zeit oder die Phasenverschiebung sowie die Stärke der zurückkehrenden Lichtintensität zu erkennen. Diese Systeme verfügen in der Regel über eine feste Laserquelle, wobei der Scanvorgang durch rotierende oder oszillierende Spiegel erzeugt wird.

Alternativ können auch Faserarrays zur Erzeugung eines Abtastmusters verwendet werden. Hochentwickelte Fluglaser ermöglichen mehrere Rückläufe von jedem ausgehenden Impuls sowie einen „Full Waveform“-Rücklauf zur weiteren Verarbeitung. Die dabei gesammelten Daten können zur Erstellung umfangreicher 3D-Modelle von Merkmalen und Landschaften verwendet werden.

Es ist jedoch zu beachten, dass der letzte Impuls nicht zwangsläufig vom Boden zurückkommt und durch Bodenwahrheitsdaten überprüft werden muss.

Die meisten modernen luftgestützten LiDAR-Systeme verfügen über ein Kamerasystem zur gleichzeitigen Erfassung von Bildern, die dann für eine Reihe von Aufgaben verwendet werden können:

• Erstellen von vektororientierten Bildern
• Erstellen echter orthografischer Bilder
• Einfärben der Punktwolke

Ein Trägheitsmesssystem (INS) ermöglicht die erfolgreiche Positionierung und Ausrichtung des Systems während der Datenerfassung durch den Laserscanner und ist für die Erzielung eines präzisen Endergebnisses unerlässlich.

Das INS kombiniert Daten von GNSS-Empfängern und einer Inertial Movement Unit (IMU), um hochgenaue Schätzungen der Flugbahn zu erstellen – allgemein bekannt als SBET (Smoothed Best Estimate of Trajectory).

In der Regel werden dabei die Vorteile der neuesten GNSS-Basisstationstechnologie für die Differentialverarbeitung genutzt.

Die Anwendungsfälle und effektiven Anwendungen von Airborne LiDAR werden immer vielfältiger, vor allem, da KI und maschinelles Lernen immer mehr zur Normalität werden.

Prinzipiell eignet sich jedoch jede Anwendung, die volumetrische oder dreidimensionale Daten eines großen Gebietes benötigt und die von oben eingesehen werden kann, dazu gehören:

• Stadtplanung
• Landwirtschaftliche Kartierung
• Erkennung von Änderungen
• Kartierung von Übertragungsleitungen
• Vermessung von Überschwemmungsgebieten
• Überwachung von Flüssen und Küstengebieten