THOUGHT LEADERSHIP
Hexagon wird zeitnah den luftgestützten Single-Photon-LiDAR-Sensor (SPL-Sensor) der nächsten Generation vorstellen. Als Weiterentwicklung des Leica SPL100 zur Höhenmessung über weite Flächen, bietet das neue Produkt die aktuellste SPL- Technologie. Dadurch lassen sich die Kosten bei der luftgestützten Datenerfassung umfangreicher Projekte zur Geländekartierung, wie dem ambitionierten und erfolg- reichen 3D Elevation Program (3DEP) des United States Geological Survey (USGS), deutlich senken.
Die kommerzielle Kartierungsbranche befindet sich derzeit in einer spannenden Phase des Wandels, und der LiDAR-Markt wächst rasant. Die Entwicklung von LiDAR wurde durch eine Kombination aus technischen Innovationen und sich wandelnden wirtschaftlichen Anforderungen von Kunden und Anwendern vorangetrieben.
Wo steht die LiDAR-Technologie heute? Sie hat sich in kurzer Zeit umfassend entwickelt. Werfen wir zunächst einen Blick auf die Entwicklung der luftgestützten Laserscanner – heute als LiDAR (Light Detection and Ranging) bezeichnet – und gehen auch auf die aktuellen Systemvarianten ein.
Potenzial des Laser-Profilings
Die heutige Luftbildtechnologie hat ihren Ursprung im ‘Laser Profiling‘ von Hubschraubern, die mit Laserdistanzmessern ausgestattet waren. Da sich der Hubschrauber im Vergleich zu Flugzeugen relativ langsam bewegte, sendete das an Bord befindliche Instrument etwa 1.000 bis 2.000 Laserimpulse pro Sekunde in einer Linie auf das darunter liegende Gelände.
Diese Impulse wurden vom Boden reflektiert, kehrten zum Sensor zurück und wurden mit einer einfachen Flugzeitberechnung in Entfernungsmessungen umgewandelt. In Kombination mit der bekannten Höhe des Hubschraubers wurde jede Berechnung in eine Höhenmessung für einen Punkt auf der Erdoberfläche konvertiert. Die gesammelten Daten erzeugten ein schmales Profil des Geländes, da das Gerät nur Lichtimpulse in einer Linie aussandte, während der Hubschrauber die Landschaft überquerte.
Laser-Profiling war sehr kostenintensiv und der Anwendungsbereich beschränkte sich auf die Daten- erfassung in engen Korridoren, in der Regel für Energie- versorger und Pipeline-Betreiber. Ansonsten wurde das Laser-Profiling auch zur Stichprobenprüfung anderer Höhendatensätze eingesetzt, insbesondere in der Photogrammetrie. Das Potenzial dieser Technik lag auf der Hand. Bis dahin wurde die luftgestützte Geländekartierung meist mit photogrammetrischen Analysen von Bildern durchgeführt. Die überwiegende Mehrzahl der Oberflächenpunkte musste dabei interpoliert werden.
Laser haben nicht nur Punkte direkt und genau gemessen, anstatt sie zu schätzen, sondern die Lichtimpulse durchdrangen auch die Baumkronen und haben die Höhen des darunterliegenden Geländes erfasst – etwas, das mit bildbasierter Photogrammetrie in dicht bewachsenen Gebieten nicht möglich war. Die Laserdaten konnten im Nachgang analysiert werden, um die Impulse, die von Baumkronen und Gebäudestrukturen reflektiert wurden, von denen zu unterscheiden, die auf den Boden getroffen waren. So konnten echte digitale Höhenmodelle der bloßen Erde erstellt werden.
In der Schweiz erfasste Höhendaten mit Leica TerrainMapper-3. Heutiges LiDAR durchdringt Baumkronen zur Messung von Baumhöhe, Kronendichte und Geländehöhe.
Im nächsten Schritt erfolgte die Transformation von luftgestütztem Laser-Profiling hin zu Laser-Mapping. Ein Scanner wurde unterhalb des Lasers angebracht, sodass die Lichtimpulse nicht mehr in einer einzigen Linie, sondern in einer weiten Spanne auf die Oberfläche trafen und so Geländemessungen über große Flächen erfassten. Durch den Einbau dieser neuen Laserscanner in Flugzeuge, die schneller und höher fliegen können, ließen sich Erfassungskapazität und Gesamtkosteneffizienz erheblich steigern. Diese frühe Version des luftgestützten Laserscannings wird als Linear-Mode LiDAR bezeichnet.
Linear-Mode LiDAR aus der Luft wurde zunehmend als praktikable Kartierungstechnik angesehen. Genaue Höhenmodelle der bloßen Erde konnten nun mit Punkt- abständen von nur ein bis zwei Metern erstellt werden, selbst unter Vegetationsdecken. Zu den zahlreichen anfänglichen Anwendungsbereichen dieser Technologie zählten die hydrografische Kartierung zur Bestimmung, wohin sich Oberflächenwasser im Überschwemmungsfall ausbreiten würde.
Mithilfe von zwei weiteren Innovationen gelang LiDAR der entscheidende Schritt nach vorn, was die Genauigkeit der Systeme betrifft, aber auch die Akzeptanz bei Kartierungsorganisationen.
Enablers and drivers
Die erste war die Einführung der GPS-Inertialmesseinheit (GPS/IMU) an Bord eines Flugzeugs Ende der 1990er Jahre. Gleichzeitig mit der Erfassung der Höhenpunkte sammelte dieses Gerät präzise Koordinaten der Position des Flugzeugs sowie dessen Ausrichtung (Pitch und Roll) während des Fluges. Bei der Nachbearbeitung wurden diese GPS-/IMU-Daten mit den LiDAR-Daten kombiniert, um für jeden Höhenpunkt bemerkenswert genaue X-, Y- und Z-Koordinaten zu bestimmen.
Als zweiter wichtiger Faktor ist der Beginn der Digitalisierung in der Kartografie und der Fernerkundung zu nennen. Die traditionelle Photogrammetrie erlebte dank der Softcopy-Photogrammetrie einen Wandel vom analogen zum digitalen Verfahren. Kurz darauf ersetzten digitale Luftbildsensoren die Filmkameras bei der optischen Bildaufnahme. Innerhalb kürzester Zeit wurde der gesamte Kartierungsprozess mit Fernerkundungsbildern – von der Erfassung bis zur Ausgabe – digitalisiert.
Für viele langjährig in der Luftbildkartierung tätige Unternehmen war dies ausschlaggebend für die schnelle Einführung von LiDAR. Da LiDAR ohnehin eine digitale Technologie war und sich die luftgestützte Fernerkundung rasch auch in diese Richtung entwickelte, stand durchgängigen digitalen Verarbeitungsabläufen nichts im Wege. Die riesigen digitalen LiDAR-Punktwolken konnten besser bewältigt werden und der Laserscanner wurde als praktikable neue Lösung für die Kartierung begrüßt.
Von Ende der 1990er bis Anfang der 2000er Jahre verzeichnete luftgestütztes LiDAR eine weitere Wachstumsphase. Das war auf mehrere Gründe zurückzuführen: Einige Hardware-Unternehmen, darunter Optech und Azimuth Corp. (2001 von Leica Geosystems übernommen), stellten kommerzielle luftgestützte Systeme her. Aufgrund des hohen Wettbewerbs entwickelten diese immer leistungsfähigere Geräte, um Bodenmessungen mit höherer Punktdichte durchführen zu können. Bei höherer Fluggeschwindigkeit und größerer Flughöhe ließen sich immer genauere Daten erfassen.
Introduced in 2002, the ALS40 provided 45 kHz max pulse rate and 70 Hz max scan rate
Dieser Multiplikator führte dazu, dass die Produktpreise fielen, während gleichzeitig der Flugbetrieb dank technischer Innovationen ebenfalls kosteneffizienter wurde.
Auch die Kundennachfrage beeinflusste den Einsatz von LiDAR positiv. Anwender von Höhendaten, insbesondere in Küstengebieten wie Louisiana in den USA, wo die Modellierung komplexer Gezeiten- und Hochwasserströmungen von der Genauigkeit der Daten und der Punktdichte abhing, waren von LiDAR begeistert. Die Interpolation von 3D-Werten anhand von Bildern erzielte keine ausreichenden Ergebnisse, sodass man in Ausschreibungen nun ausdrücklich nach LiDAR-Technologie fragte.
Staatliche und bundesstaatliche Behörden waren dabei maßgeblich beteiligt. Obwohl die 3DEP-Initiative erst 2012 mit dem Einsatz von LiDAR startete, hatten die USGS und andere Organisationen dies bereits mehrere Jahre zuvor so festgelegt. Seitdem haben nationale Kartierungsbehörden weltweit ähnliche 3D-Programme ins Leben gerufen, die LiDAR explizit vorschreiben.
Vereinfachung der Systeme
Das harte Wettbewerbsumfeld führte dazu, dass luftgestützte LiDAR-Systeme bald in der Lage waren, die Erdoberfläche mit höherer Dichte an Laserimpulsen zu scannen und dabei immer schneller und höher zu fliegen. Dabei wurden die Möglichkeiten der Linear-Mode-Technologie getestet. Um die Leistung zu skalieren, wurden Multi-Pulse-Technologien integriert und später auch Gateless-Multi-Pulse-Funktionen mit überlappenden Impulsen während des Fluges zur Überwindung der Grenzen der Lichtgeschwindigkeit. Da Millionen von sich überlappenden Impulsen pro Sekunde übertragen wurden, musste das Gerät diese nachverfolgen, was insbesondere in Stadtlandschaften äußerst kompliziert war. Hohe Gebäude führten beispielsweise dazu, dass einige Impulsreflektionen den Sensor bereits vor den zuvor ausgesendeten Impulsen erreichten. Diese Herausforderung galt es zu meistern.
Für eine entsprechende Leistungssteigerung waren die Systeme mit Linear-Mode LiDAR zu komplex. Die Lösung bestand in der Entwicklung massiv paralleler Sensoren, die entweder mit Single-Photon LiDAR oder Geiger-Mode LiDAR erzielt wurden.
Im Fall von Leica SPL100 beispielsweise arbeitet das System im Wesentlichen mit 100 Linear-Mode LiDARs, die bis zu
Impulse pro Sekunde mit einer sehr einfachen Multi-Pulse-Funktion ausgeben.
So gestalten sich korrekte Entfernungsmessungen in komplexem Gelände wesentlich einfacher. Der Geiger Mode arbeitet mit ähnlicher Technik, jedoch mit einem rotierenden Scanner-Array.
Single-Photon LiDAR und Geiger-Mode LiDAR sind einfacher zu bedienen und zu warten. Gleichzeitig lassen sich mit schnelleren Flugzeugen umfangreiche Datenerfassungsraten über weite Gebiete hinweg erzielen – selbst bei extrem starken Geländeschwankungen.
Die Gesamtgenauigkeit dieser Systeme erreicht derzeit die von Linear-Mode Systemen. Diese erfassen jedoch mehr als zehnmal so viele Daten pro Flugstunde, wodurch die Gesamtkosteneffizienz von luftgestütztem LiDAR erheblich verbessert wird. Anders ausgedrückt: Dank der jüngsten Entwicklung gelingt es, eine viel höhere Dichte an Höhenpunkten auf dem Boden über weitaus größere geografische Gebiete pro Flug zu geringeren Kosten zu messen.
Datenerfassung mit Single-Photon LiDAR.
Autonomes Fahren als Innovationstreiber
Auch die technologische Verbesserung der Laser selbst spielt eine wichtige Rolle. Laser-Entfernungsmesser werden in einigen sehr anspruchsvollen Branchen eingesetzt, wie beim autonomen Fahren. Die Hersteller von selbstfahrenden Autos bemühen sich intensiv um Laser, die besser, leichter, kleiner und kostengünstiger sind als je zuvor.
Die Herausforderung von Laserherstellern bestand schon immer darin, Systeme zu entwickeln, die sich bei jeder Impulsgabe sauber ein- und ausschalten. Andernfalls kommt es zu einem Jitter oder Rauschen in den gesammelten Datensätzen, was zu unklaren und ungenauen Messungen führt. Während Linear-Mode-Systeme zur Kompensation des Laser-Jitters einen Bereich über viele hunderte bis tausende von Photonenreflexionen messen würden, erfolgt bei Single-Photon die Entfernungsmessung anhand von ein bis zwei Photonen, sodass jeder Jitter sofort in der Höhengenauigkeit sichtbar wird.At the same time, they have been developing more lightweight lasers at lower price points to accommodate the automotive industry. In general, lasers can now capture high-quality data with less power, which means lower weight. This, in turn, has enabled LiDAR system makers to build more compact instruments that can be flown on smaller aircraft and even Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) – another leap forward for the mapping industry. Der Jitter in der Lasereinheit, die heute in Single-Photon-Systemen zum Einsatz kommt, konnte erheblich reduziert werden. Dabei orientierte man sich an selbstfahrenden Autos, welche die technologische Entwicklung rasch vorantrieben.
Um den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden, wurden leichtere, kostengünstigere Laser entwickelt. Im Allgemeinen können Laser heute mit weniger Leistung hochwertige Daten erfassen, sodass kompaktere LiDAR-Systeme in kleineren Flugzeugen und sogar in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) eingesetzt werden können – ein weiterer Meilenstein für die Kartierung.
Die Luftbildkartierung verbesserte sich in den vergangenen 25 Jahren dank der Weiterentwicklung in Technologie und Systemdesign erheblich. Auch die Entwicklungsphilosophie hat sich im Laufe der Zeit verändert. Die luftgestützten LiDAR-Systeme von Leica Geosystems sind beispielsweise mit Blick auf eine spätere Aufrüstung konzipiert. So können alle diese Produkte zwei, möglicherweise sogar drei Upgrades durchlaufen, bevor ein Neukauf ansteht. Dank Linear-Mode des Leica TerrainMappers werden LiDAR und Kamera in einem System kombiniert. Der modulare Aufbau vereinfacht Austausch, Reparatur und Aufrüstung einzelner Komponenten.
Zahlreiche weitere LiDAR-Verbesserungen sind in Arbeit – getrieben von internen oder externen Faktoren. Für eine Branche, die bereits seit 25 Jahren erfolgreich auf dem Markt ist, beschleunigt sich die technologische Entwicklung weiterhin rasant. Im nachfolgenden Artikel werden wir einen Blick auf künftige Veränderungen des luftgestützten Laserscannings werfen.
Der englische Originalartikel wurde im ‚LiDAR Magazine‘ (Ausgabe 3, 2025) veröffentlicht.
