LIDAR für Vermessungsdrohnen: Funktionsweise, Vorteile und Nachteile

Sie suchen nach der besten Möglichkeit, 3D-Modelle mittels Drohne zu erstellen? Dann ist LIDAR eine von zwei Optionen, die Sie sich näher anschauen sollten. Denn während die Photogrammetrie schon seit mehreren Jahren einen Höhenflug erlebt, blieb das LIDAR bis zuletzt nur einigen wenigen vorbehalten. Der Grund? Preise für LIDAR-Drohnen-Systeme bewegten sich zwischen 100.000 € und 300.000 €, während es bei der Photogrammetrie schon mit einer einfachen Prosumer-Drohne ab 1.500 € losgehen konnte. Mit der Zeit werden die Sensoren aber kleiner und erschwinglicher, sodass die Technik für weitere Anwenderkreise in Frage kommt.

Motivation: Warum mit LIDAR beschäftigen?

Zu Anfang sei gesagt: Photogrammetrie ist nach wie vor die deutlich preiswertere Alternative zum LIDAR. Es lässt aber ein paar Wünsche offen. In Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Vermessungswesen verlangt man bessere Ergebnisse bei der Aufnahme von Oberflächen, die mit dichter Vegetation bedeckt sind. Die Energie- und Baubranche sucht nach Technologien, die detailreichere Modelle von Stromleitungen, Stahlseilen und anderen Objekten mit kleinen Querschnitten erzeugen können. Das LIDAR kommt beiden Wünschen nach. Für Präzisions-Aufgaben verspricht es außerdem eine verbesserte vertikale Richtigkeit von 1-2 cm gegenüber der 2-3 cm, die via Photogrammetrie zu erreichen sind.

Wie funktioniert ein LIDAR?

LIDAR steht für Light Detection and Ranging, was so viel bedeutet wie Distanzmessung per Licht. Im Kern wird ein Lichtstrahl ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und wieder aufgefangen. Die Zeit zwischen Aussenden und Empfangen gibt Auskunft über den Abstand zum Objekt. Darüber hinaus wird die Intensität des reflektierten Lichts bestimmt, d.h. es können Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften des Objekts gezogen werden.

Abbildung 1: LIDAR Funktionsweise

Mögliche Ziele einer LIDAR Messung

Wir wissen jetzt, dass ein LIDAR Informationen über die Distanz zu einem Objekt als dessen Beschaffenheit aufnehmen kann. Aber welche Ziele lassen sich damit verfolgen? Im Allgemeinen ist das Ergebnis eine Punktewolke, d.h. die Menge aller Punkte, die das LIDAR während der Mission erfasst hat. Werfen wir jetzt einen Blick auf die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten.

Oberflächenmodell eines Waldbodens

Abbildung 2: LIDAR (oben) vs. Photogrammetrie (unten) per Drohne über erheblicher Vegetation

Quelle: Forschungsbericht [1]

Laub und Äste beeinträchtigen die Bodensicht über Wäldern erheblich, sodass die Fernerkundung per Drohne vor eine Herausforderung gestellt wird. Im Vergleich zur Photogrammetrie kann das LIDAR zwar deutlich bessere Ergebnisse erzielen, es kann aber dennoch nicht (wie häufig angenommen) durch die Vegetation hindurchsehen. Ein LIDAR kann lediglich die vorhandenen Lücken im Bewuchs besser nutzen, um doch noch einen “Blick” auf den Boden zu erhaschen.

Dokumentation und Untersuchung von Hochspannungsleitungen

Abbildung 3: LIDAR Modell mit Bäumen und Hochspannungsleitung

Quelle: True Reality Geospatial Solutions, LLC [2]

Energie-Unternehmen bekommen durch luftgestütztes LIDAR geometrische Informationen über Ihre Infrastruktur, wie z.B. die Durchbiegung der Kabel, Abstände zwischen den Polen und verschleißende Masten. Die Erkenntnisse über Verschleiß und den Zustand des Korridors werden in einem 3D-Modell dokumentiert und weltweit verfügbar gemacht. So werden Sicherheitsrisiken wie zunehmender Bewuchs sowie tierische oder menschliche Einflüsse schnell erkannt und quantitativ im CAD analysiert. Darüber hinaus können Wartungs- und Reparatureinsätze besser vorbereitet und effizienter gestaltet werden.

3D-Modellierung von komplexen Bauwerken

Abbildung 4: LIDAR Modell des Rohbaus eines Hochhauses

Quelle: SPAR3D [3]

Das LIDAR spielt seine Stärken in allen Bauphasen aus, in denen es auf Präzision und Kleinteiligkeit ankommt. Während die Photogrammetrie für größere Abstände gute Ergebnisse bringt, kann ein LIDAR bei kleinen und verwinkelten Baubereichen seine Vorzüge einbringen. Das ist z.B. im Rohbau der Fall. Das 3D-Modell wird nach der Datenaufnahme direkt im CAD-System Ihrer Wahl analysiert und weiter verwendet.

Grenzen des LIDAR

Ein LIDAR ist natürlich nicht die Rettung für alle Probleme. Die wichtigsten Grenzen seien an dieser Stelle noch einmal genannt.

LIDAR kann NICHT durch Vegetation hindurch sehen!

Der Vorteil eines LIDAR besteht darin, dass einzelne Punkte direkt untersucht werden und deshalb auch kleine Lücken in der Vegetation aufschlussreich genutzt werden können. Die verwendete Wellenlänge kann aber keine Vegetation durchdringen.

LIDAR kann KEINE Farben erfassen!

Trotzdem Licht ausgesendet und reflektiert wird, können keine Aussagen über die Farbe des detektieren Objektes gemacht werden. Sie können lediglich die Reflektionsfähigkeit des Gegenstands einschätzen. Um farbechte Punktewolken zu erzeugen, wird in einem LIDAR aber üblicherweise auch eine RGB Kamera verbaut. Das Problem ist in der Praxis also i.d.R. nicht von Relevanz.

Positionierungsgenauigkeit der Drohne wichtig! D-GNSS erste Wahl

Wir haben nun verstanden, dass ein LIDAR gute Daten liefern kann. Bis jetzt haben wir aber einen entscheidenden Faktor außer Acht gelassen, nämlich die Drohne! Das LIDAR bestimmt die Position jedes gemessenen Punkts in Relation zur Position der Drohne. Daraus folgt, dass eine schlecht bestimmte Position der Drohne auch zwangsläufig zu einem schlechten Modell führt.

Stellen Sie sich folgende Situation vor: Sie haben den Auftrag die Koordinaten eines Turms zu bestimmen, dürfen sich aber nicht bewegen und nur ein GPS-Gerät und einen Kompass benutzen. Sie wissen aus sicherer Quelle, dass der Turm 50 m entfernt ist. Sie schauen auf Ihren Kompass und stellen fest dass der Turm exakt nördlich von Ihnen steht. Danach lesen Sie Ihren eigenen Standort vom GPS-Gerät ab und korrigieren die Position um 50 m nach Norden. Super!

Aber was haben wir nicht bedacht? GNSS-Empfänger können den Standort nur auf 5 - 10 m genau bestimmen! Die Folgen sind gravierend: Wenn das GPS Ihre Position auf 7 m zu weit links bestimmt hat, dann sind auch die Koordinaten des Turms um 7 m falsch. Stellen Sie sich jetzt vor, Sie messen eine Reihe von exakt nebeneinander stehenden Türmen. Sie machen alles richtig, aber was passiert? Die Koordinaten der Türme variieren um 5 - 10 m in alle Richtungen. Wenn Sie die Ergebnisse in eine Karte eintragen, dann ist die Reihe keine Reihe mehr sondern eine Schlangenlinie mit wild verteilten Türmen. Und das ist genau das Problem, das bei Drohnen auftritt, wenn Sie über ein Gebiet fliegen und eine Reihe von Objekten aufnehmen. Aber was ist die Lösung? D-GNSS.

Abbildung 5: LIDAR Relevanz der GNSS Position

D-GNSS ist ein Ergänzungssystem zum normalen GNSS, das die Positionierungsgenauigkeit der Drohne stark erhöht. Aus 5 - 10 m Genauigkeit können auf die Weise 1 - 2 cm werden. Und diese Genauigkeit ist für LIDAR Systeme von überragender Wichtigkeit! Denn die Fehler in der Positionierung übertragen sich - analog zum Turm-Beispiel - 1:1 in das Modell.

Achten Sie also unbedingt darauf, dass Ihre Drohne entweder RTK besitzt (= unsere Empfehlung) oder Sie PPK nutzen.

Exakte Informationen über Kameraposition und -orientierung unverzichtbar: IMU und geschultes Personal

Die Position der Drohne ist lediglich eine grundlegende Information, um an die zentralen Informationen heranzukommen, nämlich die exakte Position und Orientierung des Kamerasensors! Hier greift wieder unser Beispiel von oben: Wenn die Kameraausrichtung nicht ungenau ist, dann ist der gemessene Punkt an der falschen Stelle. Messen wir nun eine ganze Reihe von Punkten, so wird die Differenz in einem Qualitätsverlust des Modells sichtbar. Ein LIDAR hat deshalb auch immer eine eigene IMU verbaut, welche die genaue Position und Orientierung des Kamerasensors errechnet. Die Qualität der IMU hat direkte Auswirkungen auf die Qualität des Modells. Wenn Sie ein LIDAR kaufen, dann ist ein beträchtlicher Anteil des Preises auch immer auf die Entwicklung eines Sensor-Systems zur exakten Lagebestimmung zurückzuführen.

Wie können Sie eine gute Qualität des Modells gewährleisten? Das Schlüssel sind geschulte Mitarbeiter. Fehler können vor allem in der Nachbearbeitung der Aufnahmen erkannt werden. Manche Fehler sind offensichtlich, wie z.B. Lücken im Modell. Andere Fehler - und das sind die viel schlimmeren - treten auf, obwohl ein augenscheinlich intaktes Modell vorliegt. Das können Verzerrungen oder wellenartige Erscheinungen sein, die Ihren Ursprung in falschen Lage- oder Orientierungsinformationen haben. Eine zuverlässige Methode zur Validierung des Modells sind Referenzpunkte, wie z.B. das Auslegen von Passpunkten, deren Koordinaten und Abstände bekannt sind. Sollte eine Testmessung im Modell eine gravierende Abweichung von der tatsächlichen Distanz zwischen zwei Punkten ergeben, so können Fehler zuverlässig identifiziert werden. Die schlechte Nachricht ist, dass verzogene Modelle i.d.R. nicht repariert werden können und zwingend einen Neubefliegung erfordern.

Fazit: Vorteile und Nachteile eines LIDAR

Wir fassen zusammen, dass das LIDAR eine effektive Alternative zur Photogrammetrie sein kann. Dabei hängt die Sinnhaftigkeit eines Einsatzes aber sehr vom zu erfassenden Ziel ab. Wer detailreiche oder von Vegetation bedeckte Flächen aufnehmen muss, ist mit einem LIDAR sicher auf der richtigen Seite. Außerdem überzeugt das LIDAR durch Wetterfestigkeit und bei widrigen Lichtverhältnissen sowie Dunkelheit. Dafür sollten Sie ein Budget von mind. 30.000 € haben und Ausbildungskosten für Ihr Personal einplanen.

Sie haben Fragen zur Kaufentscheidung? Melden Sie sich per E-Mail an info@airclip.de oder telefonisch unter +49-351-211 68 690.

FAQ

Frage: In welchen Formaten wir eine LIDAR-Punktewolke üblicherweise ausgegeben?

Antwort: .las oder .laz

Referenzen:

[1] https://www.mdpi.com/1999-4907/7/3/62

[2] http://www.liforest.com/?p=14089

[3] https://www.spar3d.com/news/uav-uas/hovermap-powerful-slam-drone-autonomy-lidar-mapping/