3D-Lidar

Lidar ist eine Methode zur Bestimmung variabler Entfernungen, bei der ein Objekt mit einem Laser anvisiert und die Zeit gemessen wird, die das reflektierte Licht benötigt, um zum Empfänger zurückzukehren. Aufgrund der unterschiedlichen Laserrücklaufzeiten und der verschiedenen Laserwellenlängen können Sie damit digitale 3-D-Darstellungen von Meeresböden und Bereichen der Erdoberfläche erstellen.

Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung von 3D-Lidar-Systemen, Anwendungen und modernen 3D-Laserscanning-Systemen. Die Entwicklung von 3D-Lidar begann in den 1980er Jahren und wurde bis zum Aufkommen der vielseitigen modernen Scanner fortgesetzt.

Darüber hinaus werden die beiden Haupttypen von 3D-Lidar-Systemen – luftgestützte und terrestrische Lidar-Systeme – und ihre Einsatzmöglichkeiten erörtert.

Was also ist 3D-Lidar? Lidar ist eine einzigartige Kombination aus Laserscanning und 3-D-Scanning und wird manchmal auch als 3-D-Laserscanning bezeichnet. Die Technologie wird vor allem zur Erstellung hochauflösender Karten eingesetzt, unter anderem in den Bereichen Geomatik, Geografie, Vermessung, Geologie, Atmosphärenphysik, Seismologie, Laseraltimetrie, Forstwirtschaft, Archäologie und Airborne Laser Swath Mapping (ALSM).

Entwicklung von Lidar-Systemen

Die Entwicklung von nicht scannenden luftgestützten Lidar-Systemen begann in den frühen 1980er Jahren, und Vermessungsingenieure verwendeten topografische Kartierungen. Krabill et al. (1984) beispielsweise kartierten die Topographie eines Wassereinzugsgebiets in der Nähe von Memphis in Tennessee mit einem luftgestützten Lidar-System. Mitte der 1980er Jahre setzten Forscher 3D-Lidar-Systeme ein, um die Höhe des Kronendachs und die Veränderungen der Dichte des Kronendachs zu bestimmen.

Allerdings waren diese Systeme nicht scannend, und man konnte nur eine einzige Zeile an Daten erhalten. Die gewonnenen Daten waren ein Querschnittsprofil unterhalb des Flugzeugs. Es gab also mehr Einschränkungen, vor allem wenn große Gebiete abgedeckt werden mussten.

Mitte der 1990er Jahre wurde das luftgestützte Scanning-Lidar verfügbar. Die Technologie wurde zunächst für die topografische Vermessung des Geländes und die Durchführung von Waldmessungen eingesetzt. Das liegt daran, dass die Abtastsysteme durch die seitliche Ablenkung der ausgesandten Laserstrahlen, die bei der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs entsteht, ein Band von Landschaften abtasten können. So kann der luftgestützte 3D-Lidar-Scanner ein großes Gebiet in mehreren Bändern scannen. Dies ist auf den relativ kleinen Durchmesser des Laserstrahls zurückzuführen, der zwischen 10 und 30 cm auf dem Boden liegt.

Im Allgemeinen werden Lidar-Viewer-Anwendungen in luftgestützte und terrestrische Typen unterteilt. Für diese beiden Typen werden Scanner mit unterschiedlichen Spezifikationen benötigt. Die erforderlichen Spezifikationen wurden u. a. nach dem Zweck der benötigten Daten, der Größe des zu erfassenden Gebiets, den Kosten für die Ausrüstung und dem Umfang der zu erfassenden Messungen ausgewählt.

Lidar-Anwendungen aus der Luft

Hier wird ein Laserscanner verwendet, um 3-D-Punktwolkenmodelle einer Landschaft zu erstellen, während er während des Fluges an einem Flugzeug befestigt ist. Dies ist derzeit die präziseste und genaueste Methode zur Erstellung digitaler Höhenmodelle. Im Vergleich zur Photogrammetrie kann dieses System Reflexionen von der Vegetation herausfiltern, um digitale Geländemodelle zu erstellen, die Bodenoberflächen wie Kulturerbestätten und Flüsse wesentlich besser darstellen.

Großflächige Scanning-Lidar-Systeme werden in der großflächigen Waldfernerkundung von Satelliten aus eingesetzt. Sie haben eine größere Grundfläche mit einem Durchmesser von 10 bis 25 Metern. Außerdem werden sie aus größerer Höhe aufgenommen, was zu breiteren Bildausschnitten führt.

Die Hauptbestandteile des luftgestützten Lidar-Viewers sind digitale Oberflächenmodelle und digitale Höhenmodelle. Wenn eine Interpretation von Spannungsrissen, Erosion oder Erdrutschen unter der Vegetation erforderlich ist, wird ein luftgestütztes Lidar verwendet. Das liegt daran, dass sie leicht durch die Baumkronen sehen können.

Terrestrische Anwendung von Lidar

Dabei handelt es sich um terrestrische Laserscanverfahren auf der Erdoberfläche, die mobil oder stationär sein können. Es wird jedoch erwartet, dass das statische Scannen zur Überwachung, Forensik und Dokumentation des kulturellen Erbes als Erhebungsmethode eingesetzt wird.

Mobiles 3D-Lidar bedeutet, dass zwei oder mehr Scanner, die an einem fahrenden Fahrzeug angebracht sind, Daten entlang eines Pfades sammeln.

Reichweite des Lichts

Lidar verwendet Nahinfrarot-, Ultraviolett- und sichtbares Licht, um ein breites Spektrum von Objekten abzubilden, z. B. Felsen, chemische Verbindungen, Wolken, Regen, Aerosole, Regen, einzelne Moleküle und sogar nichtmetallische Objekte.

Laserstrahlen sind stark und können Objekte mit sehr hoher Auflösung abbilden. Flugzeuge können zum Beispiel Gelände mit einer Auflösung von 30 Zentimetern oder sogar noch höher kartieren.

Statisches Lidar-Scanning

Ein modernes Standard-3D-Lidar-Scangerät ist der ScanX3D. Es nutzt 3D-Laserscanning, um 3-D-Datenprodukte zu erhalten. Außerdem kommt ein RIEGL VZ400i-Scanner zum Einsatz, der Punktwolken im Format 1000×3600 erzeugt. Außerdem nimmt es hochauflösende Bilder für eine echte Farbgebung auf.

Die Laserscan-Daten sind leicht zugänglich und können jederzeit in Echtzeit georeferenziert und heruntergeladen werden. Außerdem sind die Daten an vertikale oder horizontale standortspezifische Bezugspunkte gebunden, um den Zugriff zu erleichtern.

Zusätzlich zum RIEGL VZ400i verwendet ScanX3D eine 3D-Kamera, um 3D-Räume zu messen und gleichzeitig ultrahochauflösende 4K-Bilder zu erfassen. Dieses Werkzeug ist praktisch für die Erstellung von 3D-Modellen und schematischen Grundrissen.