LiDAR-Fernerkundung: Prinzip, Anwendung, kostenlose Ressourcen und Software

Luftgestützte LiDAR-Sensorenkann entweder bestimmte Punkte eines Laserimpulses erfassen, was als diskrete Rücklaufmessungen bezeichnet wird, oder das vollständige Signal bei der Rückkehr aufzeichnen, das als Vollwellenform bezeichnet wird, in festen Intervallen wie 1 ns (was etwa 15 cm abdeckt). Vollwellenform-LiDAR wird hauptsächlich in der Forstwirtschaft eingesetzt, während LiDAR mit diskreter Rückführung breitere Anwendungen in verschiedenen Bereichen bietet. In diesem Artikel geht es hauptsächlich um LiDAR mit diskreter Rückführung und seine Verwendung. In diesem Kapitel behandeln wir mehrere Schlüsselthemen zu LiDAR, darunter seine Grundkomponenten, seine Funktionsweise, seine Genauigkeit, Systeme und verfügbaren Ressourcen.

Grundkomponenten von LiDAR

Bodengestützte LiDAR-Systeme verwenden typischerweise Laser mit Wellenlängen zwischen 500 und 600 nm, während luftgestützte LiDAR-Systeme Laser mit längeren Wellenlängen im Bereich von 1000 bis 1600 nm verwenden. Ein Standard-LiDAR-Setup in der Luft umfasst einen Laserscanner, eine Einheit zur Entfernungsmessung (Entfernungseinheit) und Systeme zur Steuerung, Überwachung und Aufzeichnung. Es umfasst außerdem ein Differential Global Positioning System (DGPS) und eine Inertial Measurement Unit (IMU), die oft in ein einziges System integriert sind, das als Positions- und Orientierungssystem bekannt ist. Dieses System liefert genaue Standortdaten (Längengrad, Breitengrad und Höhe) und Orientierungsdaten (Rollen, Nicken und Kurs).

 Die Muster, in denen der Laser den Bereich abtastet, können variieren, einschließlich zickzackförmiger, paralleler oder elliptischer Pfade. Durch die Kombination von DGPS- und IMU-Daten sowie Kalibrierungsdaten und Montageparametern kann das System die erfassten Laserpunkte präzise verarbeiten. Diesen Punkten werden dann Koordinaten (x, y, z) in einem geografischen Koordinatensystem unter Verwendung des Datums World Geodetic System of 1984 (WGS84) zugewiesen.

Wie LiDARFernerkundungFunktioniert? Erklären Sie es auf einfache Weise

Ein LiDAR-System sendet schnelle Laserimpulse auf ein Zielobjekt oder eine Zieloberfläche aus.

Die Laserimpulse werden vom Ziel reflektiert und kehren zum LiDAR-Sensor zurück.

Der Sensor misst präzise die Zeit, die jeder Impuls benötigt, um zum Ziel und zurück zu gelangen.

Aus der Lichtgeschwindigkeit und der Reisezeit wird die Entfernung zum Ziel berechnet.

Kombiniert mit den Positions- und Orientierungsdaten von GPS- und IMU-Sensoren werden die präzisen 3D-Koordinaten der Laserreflexionen ermittelt.

Dadurch entsteht eine dichte 3D-Punktwolke, die die gescannte Oberfläche oder das gescannte Objekt darstellt.

Physikalisches Prinzip von LiDAR

LiDAR-Systeme verwenden zwei Arten von Lasern: gepulste und kontinuierliche Laser. Gepulste LiDAR-Systeme funktionieren, indem sie einen kurzen Lichtimpuls aussenden und dann die Zeit messen, die dieser Impuls benötigt, um zum Ziel und zurück zum Empfänger zu gelangen. Diese Messung der Umlaufzeit hilft bei der Bestimmung der Entfernung zum Ziel. Ein Beispiel ist in einem Diagramm dargestellt, in dem die Amplituden sowohl des gesendeten Lichtsignals (AT) als auch des empfangenen Lichtsignals (AR) angezeigt werden. Die in diesem System verwendete Grundgleichung umfasst die Lichtgeschwindigkeit (c) und die Entfernung zum Ziel (R), sodass das System die Entfernung basierend auf der Zeit berechnen kann, die das Licht benötigt, um zurückzukehren.