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

Luftgestützte LiDAR-Sensorenkann entweder bestimmte Punkte eines Laserpulses erfassen (sogenannte diskrete Rücklaufmessungen) oder das gesamte Signal bei dessen Rücklauf (Vollwellenform) in festen Intervallen wie 1 ns (was etwa 15 cm entspricht) aufzeichnen. Vollwellenform-LiDAR wird hauptsächlich in der Forstwirtschaft eingesetzt, während diskretes Rücklauf-LiDAR breitere Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen bietet. Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit diskretem Rücklauf-LiDAR und seinen Einsatzmöglichkeiten. In diesem Kapitel behandeln wir verschiedene wichtige Themen rund um LiDAR, darunter seine Grundkomponenten, Funktionsweise, Genauigkeit, Systeme und verfügbaren Ressourcen.

Grundlegende Komponenten von LiDAR

Bodengebundene LiDAR-Systeme verwenden typischerweise Laser mit Wellenlängen zwischen 500 und 600 nm, während luftgestützte LiDAR-Systeme Laser mit längeren Wellenlängen zwischen 1000 und 1600 nm verwenden. Ein standardmäßiges luftgestütztes LiDAR-System umfasst einen Laserscanner, eine Entfernungsmesseinheit (Ranging Unit) sowie Systeme zur Steuerung, Überwachung und Aufzeichnung. Es umfasst außerdem ein Differential Global Positioning System (DGPS) und eine Inertial Measurement Unit (IMU), die oft in einem einzigen System, dem sogenannten Positions- und Orientierungssystem, integriert sind. Dieses System liefert präzise Standort- (Längen-, Breiten- und Höhengrad) und Orientierungsdaten (Roll-, Nick- und Kursrichtung).

 Die Muster, in denen der Laser das Gebiet abtastet, können variieren und beispielsweise Zickzack-, Parallel- oder Ellipsenpfade umfassen. Die Kombination von DGPS- und IMU-Daten sowie Kalibrierungsdaten und Montageparametern ermöglicht dem System die präzise Verarbeitung der erfassten Laserpunkte. Diesen Punkten werden dann Koordinaten (x, y, z) in einem geografischen Koordinatensystem unter Verwendung des World Geodetic System von 1984 (WGS84) zugewiesen.

Wie LiDARFernerkundungWerke? Auf einfache Weise erklären

Ein LiDAR-System sendet schnelle Laserimpulse in Richtung eines Zielobjekts oder einer Zieloberfläche.

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

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

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

In Kombination mit den Positions- und Orientierungsdaten von GPS- und IMU-Sensoren werden die präzisen 3D-Koordinaten der Laserreflexionen bestimmt.

Das Ergebnis ist eine dichte 3D-Punktwolke, die die gescannte Oberfläche oder das gescannte Objekt darstellt.

Physikalisches Prinzip von LiDAR

LiDAR-Systeme verwenden zwei Lasertypen: gepulste und Dauerstrichlaser. Gepulste LiDAR-Systeme senden einen kurzen Lichtimpuls aus und messen anschließend die Zeit, die dieser Impuls benötigt, um zum Ziel und zurück zum Empfänger zu gelangen. Diese Messung der Umlaufzeit hilft, die Entfernung zum Ziel zu bestimmen. Ein Beispiel hierfür ist in einem Diagramm dargestellt, das die Amplituden des gesendeten Lichtsignals (AT) und des empfangenen Lichtsignals (AR) darstellt. Die in diesem System verwendete Grundgleichung basiert auf der Lichtgeschwindigkeit (c) und der Entfernung zum Ziel (R). So kann das System die Entfernung anhand der Zeit berechnen, die das Licht für die Rückkehr benötigt.