LIDAR (Light Detection and Ranging) ist eine optische Fernerkundungstechnik, bei der Laserlicht für ein dichtes Abtasten der Erdoberfläche verwendet wird und hochgenaue X-, Y- und Z-Messwerte ermittelt werden. LIDAR wird hauptsächlich bei der Kartenerstellung mit luftgestützten Laseranwendungen eingesetzt und setzt sich als kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Vermessungstechniken wie etwa der Photogrammetrie durch. LIDAR erzeugt Massen-Punktwolken-Datasets, die Sie mit ArcGIS verwalten, visualisieren, analysieren und freigeben können.
Die wichtigsten Hardwarekomponenten eines LIDAR-Systems sind ein Erfassungsfahrzeug (Flugzeug, Hubschrauber, Fahrzeug und Stativ), ein Laserscannersystem, GPS (Global Positioning System) und INS (Trägheitsnavigationssystem). Ein INS-System misst Roll- und Neigungswinkel sowie die Ausrichtung des LIDAR-Systems.
LIDAR ist ein aktiver optischer Sensor, der Laserstrahlen zu einem Ziel sendet und sich dabei entlang bestimmter Vermessungsrouten bewegt. Die Reflexion des Lasers durch das Ziel wird mit Empfängern im LIDAR-Sensor erfasst und analysiert. Diese Empfänger zeichnen die präzise Zeitspanne zwischen der Ausgabe des Laserpulses aus dem System und seiner Rückgabe auf und berechnen so die Entfernung zwischen Sensor und Ziel. In Kombination mit den Positionsinformationen (GPS und INS) wird mit diesen Entfernungsmesswerten ein tatsächlich dreidimensionales Abbild des reflektierenden Zieles in Objektraum ermittelt.
Die Punktdaten werden nach der LIDAR-Datenerfassung nachbearbeitet und durch eine Analyse von Laserzeitraum, Laserabtastwinkel, GPS-Position und INS-Informationen in ein hochgenaues georeferenziertes XYZ-Koordinatensystem integriert.
Rückgabe des LIDAR-Lasers
Die von einem LIDAR-System ausgegebenen Laserpulse reflektieren von Objekten auf und oberhalb der Bodenoberfläche: Vegetation, Gebäude, Brücken usw. Ein ausgegebener Laserpuls kann einfach oder auch mehrfach zum LIDAR-Sensor zurückgegeben werden. Wenn ein ausgegebener Laserpuls auf seinem Weg zum Boden auf mehrere Reflexionsoberflächen trifft, wird er in ebenso viele Rückgaben wie Reflexionsoberflächen geteilt.
Der zuerst wieder eintreffende Laserpuls ist die wichtigste Rückgabe und wird dem höchsten Feature einer Landschaft zugeordnet, etwa einem Baumwipfel oder dem Dach eines Gebäudes. Die erste Rückgabe kann auch den Boden darstellen; in diesem Fall erkennt das LIDAR-System nur eine Rückgabe.
Bei mehreren Rückgaben ist es möglich, die Höhen mehrerer Objekte innerhalb des Laser-Footprints eines ausgehenden Laserpulses zu erkennen. Der mittleren Rückgaben werden im Allgemeinen für die Vegetationsstruktur verwendet, und die letzte Rückgabe wird für Bodenoberflächenmodelle verwendet.
Die letzte Rückgabe muss nicht immer vom Boden stammen. So kann beispielsweise ein Puls auf einen dicken Ast treffen und den Boden gar nicht erreichen. In diesem Fall stammt die letzte Rückgabe nicht vom Boden, sondern von dem Ast, der den gesamten Laserpuls reflektiert hat.
LIDAR-Punkt-Attribute
Zusätzliche Informationen werden mit jedem X-, Y- und Z-Positionswert gespeichert. Folgende LIDAR-Punktattribute werden für jeden erfassten Laserpuls verwaltet: Intensität, Rückgabenummer, Anzahl der Rückgaben, Punktklassifizierungswerte, Punkte am Rand des Flugweges, RGB-Werte (rot, grün und blau), GPS-Zeit, Abtastwinkel und Abtastrichtung. In der folgenden Tabelle werden die Attribute beschrieben, die mit jedem LIDAR-Punkt bereitgestellt werden können.
| LIDAR-Attribut | Beschreibung |
|---|---|
Die Rückgabestärke des Laserpulses, der den LIDAR-Punkt generiert hat. | |
Rückgabenummer | Ein ausgegebener Laserpuls kann bis zu fünf Rückgaben erzeugen. Dies hängt von den reflektierenden Features und den Funktionen des Laserscanners ab, der die Daten erfasst. Die erste Rückgabe wird als Rückgabe Nummer eins gekennzeichnet, die zweite als Rückgabe Nummer zwei usw. |
Anzahl der Rückgaben | Die Anzahl der Rückgaben entspricht der Gesamtzahl von Rückgaben für einen gegebenen Puls. So kann ein Laserdatenpunkt etwa Rückgabe zwei (Rückgabenummer) von insgesamt fünf Rückgaben sein. |
Jeder nachbearbeitete LIDAR-Punkt kann eine Klassifizierung aufweisen, die den Typ des Objekts definiert, das den Laserimpuls reflektiert hat. Die LIDAR-Punkte können in verschiedenen Kategorien wie nackte Erdoberfläche oder Erde, Oberkante von Baumkronen oder Wasser klassifiziert werden. Die verschiedenen Klassen werden durch numerische Ganzzahlcodes in den LAS-Dateien definiert. | |
Rand des Flugweges | Die Punkte werden mit den Werten 0 oder 1 gekennzeichnet. Punkte am Rand der Fluglinie erhalten den Wert 1 und alle anderen Punkte den Wert 0. |
RGB | LIDAR-Daten können RGB-Werte (rot, grün, blau) zugeordnet werden. Diese Zuordnung stammt oft von Bilddaten, die zur gleichen Zeit wie die LIDAR-Daten erfasst wurden. |
GPS-Zeit | Der GPS-Zeitstempel für den Zeitpunkt, an dem der Laserpunkt vom Flugzeug ausgegeben wurde. Die Zeit wird in GPS-Wochensekunden angegeben. |
Abtastwinkel | Der Abtastwinkel ist ein Wert in Grad zwischen -90 und +90. Bei 0 Grad ist der Laserpuls direkt unter dem Flugzeug am Fußpunkt. Bei -90 Grad wird der Laserpuls zur linken Seite des Flugzeuges und bei +90 in Flugrichtung rechts ausgegeben. Die meisten LIDAR-Systeme decken aktuell einen Bereich unter ± 30 Grad ab. |
Abtastrichtung | Die Abtastrichtung ist die Richtung, in die sich der Laserscannerspiegel zum Ausgabezeitpunkt des Laserpulses bewegt. Ein Wert von 1 bedeutet eine positive Abtastrichtung und ein Wert von 0 eine negative Abtastrichtung. Ein positiver Wert gibt an, dass der Scanner sich in Flugrichtung von links nach rechts bewegt, während ein negativer Wert das Gegenteil bedeutet. |
Was ist eine Punktwolke?
Nachbearbeitete räumlich angeordnete LIDAR-Daten werden auch als Punktwolkendaten bezeichnet. Diese ursprünglichen Punktwolken sind große Sammlungen von 3D-Höhenpunkten, die X-, Y-, und Z-Werte zusammen mit zusätzlichen Attributen wie GPS-Zeitstempeln einschließen. Die spezifischen Oberflächen-Features, auf die der Laser stößt, werden klassifiziert, nachdem die ursprüngliche LIDAR-Punktwolke nachbearbeitet wurde. Höhenwerte für Boden, Gebäude, Baumkronen, Autobahnüberführungen und sonstige Strukturen, auf die der Laserstrahl während der Vermessung trifft, ergeben Punktwolkendaten.
Weitere Informationen zur LIDAR-Klassifizierung finden Sie unter Klassifizierung von LIDAR-Punkten.
LIDAR-Punktwolkendaten in ArcGIS werden am häufigsten entweder als eine Reihe von Rastern oder TINs, als LAS-Dataset, als Terrain-Dataset oder als Mosaik-Dataset dargestellt.