Airborne Laserscanning

mini|Airborne Laserscanner am Hubschrauber Laserscanning (auch LiDAR = Light Detection And Ranging genannt) ist eine Methode der Fernerkundung. Sie nutzt die Eigenschaften des gestreuten Lichts, um entfernte Objekte zu charakterisieren.George L. Heritage, Andrew R. G. Large: Principles of 3D Laser Scanning. In: George L. Heritage, Andrew R. G. Large (Hrsg.): Laser Scanning for the Environmental Sciences. Wiley-Blackwell, Chichester u. a. 2009, ISBN 978-1-4051-5717-9, S. 21–34. Beim Airborne Laser Scanning (ALS), das auch als flugzeuggetragenes Laserscanning bezeichnet wird, ist die Scaneinheit auf oder an einem Flugobjekt (meist auf/an einem Flugzeug oder Helikopter) angebracht.Bernhard Höfle, Martin Rutzinger: Topographic airborne LiDAR in geomorphology: A technological perspective. In: Zeitschrift für Geomorphologie. Bd. 55, Supplement Nr. 2, 2011, , S. 1–29, doi:10.1127/0372-8854/2011/0055S2-0043. Mittels Laserstrahl wird die Erdoberfläche abgetastet. Ermittelt wird die Distanz zwischen dem erfassten Punkt an der Erdoberfläche und dem Sensor.Aloysius Wehr, Uwe Lohr: Airborne laser scanning – an introduction and overview. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Bd. 54, Nr. 2/3, 1999, , S. 68–82, doi:10.1016/S0924-2716(99)00011-8. Die aus den gewonnenen Höheninformationen erstellten Oberflächenmodelle finden heutzutage in vielen Fachgebieten Anwendung.

Geschichte Die Anfänge des ALS sind in den USA und Kanada zu finden. Sie reichen bis in die 1970er-Jahre zurück. Damals war bereits bekannt, dass luftgestützte LiDAR-Systeme die Distanz zwischen Flugzeug und Bodenoberfläche mit einer Genauigkeit von unter einem Meter messen können. Jedoch wurden Höhenmessungen mittels flugzeuggetragenem Laser aus zwei Gründen nicht für topographische Kartierungen verwendet. Eines der Probleme war, dass die vertikale Position des Flugsystems und die horizontale des Lichtkegels an der Bodenoberfläche nicht in der benötigten Genauigkeit zu erfassen waren. Diese Schwierigkeit wurde Ende der 1980er-Jahre durch das GPS behoben. Durch Verwendung eines Differenziellen Globalen Positionierungssystem (DGPS) konnten die horizontale und vertikale Position des Scanners zentimetergenau bestimmt werden. Laser Scanning aus der Luft wurde außerdem durch die technische Weiterentwicklung des Lasers machbar. Pulslaser konnten nun Licht im Wellenlängenbereich des nahen Infrarots aussenden, das nach der Streuung und Reflexion an der Bodenoberfläche vom Empfänger wieder eindeutig registriert werden konnte. Die hohe geometrische Genauigkeit der Methode und das Potenzial, das diese für die Erstellung von digitalen Höhenmodellen darstellt, wurde durch Versuche an der Universität Stuttgart im Zeitraum von 1988 bis 1993 bewiesen. Durch wichtige Erkenntnisse über die Systemparameter entwickelten sich die Geräte und die Methode seither rasant weiter. Heutzutage ist das ALS in vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken und findet Anwendung in zahlreichen Fachrichtungen.Friedrich Ackermann: Airborne laser scanning – present status and future expectations. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Bd. 54, Nr. 2/3, 1999, S. 64–67, doi:10.1016/S0924-2716(99)00009-X.George Vosselman, Hans-Gerd Maas (Hrsg.): Airborne and Terrestrial Laser Scanning. Whittles Publishing, Dunbeath u. a. 2010, ISBN 978-1-904445-87-6.

Bestandteile Ein flugzeuggestütztes Laser Scanning System setzt sich zumindest aus folgenden Bestandteilen zusammen:

Laserdistanzmesser: dieser enthält den Laser, den Sender für den Laserstrahl, Signalempfänger für den reflektierten Strahl, Verstärker und Zeitmesser; ein System zur Georeferenzierung: GPS-Empfänger und Inertiales Navigationssystem (INS) Speichermedium für die Laser-, GPS-, INS-Daten und möglichen Bilddaten;Emmanuel P. Baltsavias: Airborne laser scanning: existing systems and firms and other resources. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Bd. 54, Nr. 2/3, 1999, S. 164–198, doi:10.1016/S0924-2716(99)00016-7.

Optional können die Systeme mit anderen Sensoren wie Digitalkameras und Videokameras kombiniert werden, um zusätzlich zu den Höheninformationen Bilddaten aufzunehmen. Diese Bestandteile werden mit einer Halterung am Fluggerät befestigt. Im Lieferumfang eines Laser Scanning Systems sind außerdem häufig die Software für die Flugplanung sowie für die Auswertung der Rohdaten (von Laserscanner und GPS) enthalten. Parameter wie Messrate, Scanwinkel und Frequenz können am jeweiligen Scanning System eingestellt werden. Zusammen mit variablen Flughöhen und Fluggeschwindigkeiten kann dadurch die erforderliche Datendichte auf verschiedene Anwendungsbereiche abgestimmt werden.

Funktionsweise Ein Laserscanner ist ein aktives System, das Lichtimpulse aussendet, die von Objektpunkten reflektiert werden. Der Objektpunkt muss dabei mindestens aus einer Richtung einsehbar sein. Voraussetzung ist diffuse Reflexion an der Oberfläche. Diese Technik funktioniert unabhängig von der Sonnenbeleuchtung.Karl Kraus, Paul Dorninger: Das Laserscanning. Eine neue Datenquelle zur Erfassung der Topographie. In: Wiener Schriften zur Geographie und Kartographie. Bd. 16, 2004, , S. 312–318. Die Verwendung von Laser-Scanning-Systemen ermöglicht die Gewinnung von großen Mengen an 3D-Informationen über die Erdoberfläche bei sehr schnellen Aufnahmeraten.Michel Jaboyedoff, Thierry Oppikofer, Antonio Abellán, Marc-Henri Derron, Alex Loye, Richard Metzger, Andrea Pedrazzini: Use of LIDAR in landslide investigations: a review. In: Fausto Guzzetti, Giulio Iovine, Mario Parise, Paola Reichenbach (Hrsg.): Landslides: Forecasting, Hazard Evaluation and Risk Mitigation (= Natural Hazards. Bd. 61, Nr. 1, ). Springer, Dordrecht u. a. 2012, S. 5–28, doi:10.1007/s11069-010-9634-2. Man unterscheidet, abhängig von der Aufzeichnung der Rückstrahlung, zwei Typen von Sensoren: `Discrete Echo´ Sensoren, und `Full-waveform Systeme´. Erstere erfassen nur eine geringe Anzahl von Echos, während zweitere fähig sind, die gesamte zeitabhängige Variation der empfangenen Signalstärke zu registrieren. So kann man aus `Full-waveform´-Daten zusätzliche Parameter, wie etwa die Signalamplitude oder die Echobreite ableiten. Das Untersuchungsgebiet wird in einzelnen, einander überlappenden Flugstreifen beflogen. Diese haben üblicherweise eine Länge von einigen Kilometern und eine Breite von mehreren hundert Metern, abhängig von der Flughöhe über Grund sowie dem maximalen Scanwinkel.

Die Distanzmessung erfolgt bei Pulslasern über die Laufzeitmessung: Distanz = Laufzeit/2 * Lichtgeschwindigkeit.

Die Orientierung der Datenpunkte erfolgt mittels differentiellem GPS (DGPS) sowie INS. Das GPS-System liefert die absolute Position des Sensors, das INS die Lage der Plattform (Roll-, Nick- und Gierwinkel).

Wichtige Parameter

Punktdichte: Die Punktdichte ist abhängig von der Flughöhe sowie von den Eigenschaften des Scansystems, z. B. Geschwindigkeit der Plattform, Sichtfeld, Abtastfrequenz.Peter Axelsson: Processing of laser scanner data – algorithms and applications. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Bd. 54, Nr. 2/3, 1999, S. 138–147, doi:10.1016/S0924-2716(99)00008-8. Laser Footprint: Beleuchtete Fläche an der Erdoberfläche, resultierend aus der Strahldivergenz. Neben der Strahldivergenz ist die Footprintgröße direkt abhängig von der Flughöhe. Signal Amplitude: Parameter für die Stärke des erfassten Echos, abhängig vom Zielbereich sowie dem Reflexionsgrad der Oberfläche.

Datenverarbeitung

Das Ergebnis eines Scanfluges ist eine dreidimensionale Punktwolke, die zunächst referenziert wird. Dieser Schritt ist notwendig, um die gewonnenen Daten von einem Koordinatensystem (das ein internes, instrumentendefiniertes System sein kann) in ein anderes zu transformieren. Im Anschluss daran werden die Daten weiterverarbeitet, um unterschiedliche Objektmodelle zu erzeugen. Zwei wichtige Beispiele sind einerseits das Digitale Oberflächenmodell (DOM), das Informationen über die Beschaffenheit der Erdoberfläche, inklusive aller auf ihr befindlichen Objekte wie etwa Vegetation oder Gebäude liefert, und andererseits das Digitale Geländemodell (DGM), das die nackte Geländeoberfläche repräsentiert. Solche Geländemodelle stellen eine wichtige Grundlage für topographische Analysen dar. Um Geländepunkte von Nicht-Geländepunkten zu unterscheiden, sind Filtermethoden notwendig.Alexander Prokop, Helmut Panholzer: Assessing the capability of terrestrial laser scanning for monitoring of slow moving landslides. In: Natural Hazards and Earth System Sciences. Bd. 9, Nr. 6, 2009, , S. 1921–1928, doi:10.5194/nhess-9-1921-2009. Diese können grob in drei Hauptgruppen eingeteilt werden: a) Basierend auf mathematischer Morphologie, b) basierend auf progressiver Verdichtung eines Dreiecksnetzes und c) basierend auf linearer Vorhersage und hierarchischer robuster Interpolation.Francesco Pirotti, Alberto Guarnieri, Antonio Vettore: Ground filtering and vegetation mapping using multi-return terrestrial laser scanning. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Bd. 76, 2013, S. 56–63, doi:10.1016/j.isprsjprs.2012.08.003.

Vorteile und Limitationen Trotz einiger Limitationen hat sich die ALS-Technologie als eine effektive Methode erwiesen, um Digitale Geländemodelle zu erstellen. Als Vorteile sind vor allem die hohe Messpunktedichte und Messgenauigkeit, eine rasche Datenerfassung und das Durchdringen von Vegetation zu nennen. Die Vorteile gegenüber anderen Fernerkundungsmethoden zeigen sich aufgrund der hohen Messpunktedichte zum Beispiel in Anwendungsgebieten, in denen die Oberflächen eine geringe Rauigkeit aufweisen wie etwa Eis- und Schneeflächen, Sand, Sümpfe und Feuchtgebiete; außerdem in der Untersuchung von Vegetation, da durch die Aufzeichnung des ersten und letzten reflektierten Signals die Vegetationshöhe berechnet werden kann. Durch das ALS wird die Kartierung und vor allem automatische Erfassung kleiner Objekte wie etwa Stromleitungen möglich. Da Laser Scanner aktive Systeme sind, sind sie im Vergleich zu passiven Methoden, wie etwa der Photogrammetrie, nicht auf das Sonnenlicht angewiesen, sondern können theoretisch 24 Stunden pro Tag eingesetzt werden, um Daten zu erfassen. Jedoch kann auch der Laserstrahl auf Hindernisse treffen wie etwa Wolken oder Nebel und Vegetation, die er nur eingeschränkt durchdringt. Während die ausgesendeten Laserstrahlen vor allem im Winter durch Laubwälder bis an die Bodenoberfläche reichen können, zeigen dichte Nadelwälder oder mehrstöckige Regenwälder die Grenzen des ALS auf. Im Vergleich zur luftgestützten Photogrammetrie, in der die Trägersysteme von kleinen Ballonen bis zu geostationären Satelliten reichen können, werden Airborne-Laserscanning-Systeme auf Drohnen, Helikoptern und Flugzeugen angebracht. Die minimale und maximale Flughöhe ist aufgrund der Sicherheit für Personen am Boden, vor allem der möglichen gesundheitsschädigenden Wirkung für die Augen, und aufgrund der Energie des Lasers sowie der Leistung des Sensors eingeschränkt. Diese kann innerhalb von 20 bis 6000 m liegen, meistens allerdings zwischen 200 und 1000 m.

Fehlerquellen Die vertikale und horizontale Genauigkeit der durch ALS gewonnenen Höhendaten beträgt 0,05 bis 0,2 m bzw. 0,2 bis 1 m. Ursachen für Fehler lassen sich in der Kalibrierung von GPS, INS und Scannerdaten finden. An stark geneigten Oberflächen können Positionsfehler auch zu falschen Angaben der Höhe führen. Eine weitere häufige Fehlerquelle ist die mehrfache Reflexion des Laserstrahls, beispielsweise, wenn der Laser nach der Reflexion auf der Bodenoberfläche nochmals von einem Objekt abgelenkt wird, bevor er beim Sensor eintrifft. Die Genauigkeit der Messwerte kann außerdem durch Fehler in der Datenverarbeitung beeinflusst werden, wie etwa bei der Transformation in ein anderes Koordinatensystem.

Anwendungsgebiete