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

Airborne LiDAR-SensorenLiDAR kann entweder bestimmte Punkte eines Laserpulses erfassen (diskrete Rückstreumessungen) oder das gesamte zurückkehrende Signal in festen Intervallen wie 1 ns aufzeichnen (Vollwellenformmessung, was etwa 15 cm entspricht). Vollwellenform-LiDAR wird hauptsächlich in der Forstwirtschaft eingesetzt, während diskrete Rückstreumessungen in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Dieser Artikel befasst sich primär mit diskreter Rückstreumessung und ihren Einsatzmöglichkeiten. In diesem Kapitel werden wir wichtige Aspekte von LiDAR behandeln, darunter seine grundlegenden Komponenten, seine Funktionsweise, seine Genauigkeit, Systeme und verfügbare Ressourcen.

Grundlegende Komponenten 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 nutzen. Ein Standard-LiDAR-System für die Luftbildaufnahme umfasst einen Laserscanner, eine Entfernungsmesseinheit (Ranging Unit) sowie Systeme zur Steuerung, Überwachung und Datenaufzeichnung. Es beinhaltet außerdem ein differentielles globales Positionierungssystem (DGPS) und eine Inertialmesseinheit (IMU), die häufig in einem einzigen System, dem sogenannten Positions- und Orientierungssystem, integriert sind. Dieses System liefert präzise Positionsdaten (Längengrad, Breitengrad und Höhe) sowie Orientierungsdaten (Roll-, Nick- und Kurs).

 Die Muster, mit denen der Laser die Fläche abtastet, können variieren und zickzackförmige, parallele oder elliptische Bahnen umfassen. Die Kombination von DGPS- und IMU-Daten mit Kalibrierungsdaten und Montageparametern ermöglicht dem System die präzise Verarbeitung der erfassten Laserpunkte. Diesen Punkten werden anschließend Koordinaten (x, y, z) in einem geographischen Koordinatensystem unter Verwendung des Weltgeodätischen Systems von 1984 (WGS84) zugewiesen.

Wie LiDARFernerkundungWerkeErklären 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.

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

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

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

Physikalisches Prinzip von LiDAR

LiDAR-Systeme nutzen zwei Lasertypen: gepulste und kontinuierliche Laser. Gepulste LiDAR-Systeme senden einen kurzen Lichtimpuls aus und messen dessen Laufzeit zum Ziel und zurück zum Empfänger. Diese Laufzeitmessung dient zur Entfernungsbestimmung. Ein Beispiel ist in einem Diagramm dargestellt, in dem die Amplituden des gesendeten (AT) und des empfangenen (AR) Lichtsignals abgebildet sind. Die grundlegende Gleichung dieses Systems verwendet die Lichtgeschwindigkeit (c) und die Entfernung zum Ziel (R). Anhand der Laufzeit des Lichts berechnet das System die Entfernung.