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Abbildende Laseraltimetrie

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  1. Was ist Abbildende Laseraltimetrie
  2. Wie funktioniert ein Laseraltimeter
  3. 3D Geländeerfassung
  4. Erzeugung von Geländemodellen, digitalen Landschaften und 3D-Ansichten
  5. Thematische Modellierung und Visualisierung
  6. 3D-Stadtmodelle und GIS
Anwendungsbeispiele
Bildbeispiele

Was ist Abbildende Laseraltimetrie

Laseraltimetrie ist eine Methode, die Höhe des Geländes vom Flugzeug oder Satelliten aus vollautomatisch direkt zu messen. Scannende Laseraltimetrie liefert flächenhaft dreidimensionale Information über die Form der Erdoberfläche. Die Geräte, die diese Messungen durchführen, heißen 'Laseraltimeter' oder 'Laserscanner'. Die modernsten Laseraltimeter sind heute in der Lage, zusätzlich zur Geländehöhe die vertikale Struktur der Oberfläche und die Höhe von Objekten wie Bäumen, Büschen, Gebäuden, sowie die Helligkeit (Reflexionsgrad) der Oberfläche zu erfassen. Wird außer der Geometrie der Erdoberfläche auch die Helligkeit erfaßt, dann spricht man von abbildender Laseraltimetrie.

Neben der Laseraltimetrie existieren zwei weitere Verfahren, dreidimensionale topographische Daten zu gewinnen: Stereophotogrammetrie und Radar-Interferometrie mit SAR (Synthetische Apertur Radar).

All diese Verfahren vereinfachen den früher sehr personalintensiven und langwierigen Prozeß der Erfassung von Geländehöhen drastisch. Während beispielsweise an einem Tag mehrere Hundert Quadratkilometer mit einem Laseraltimeter erfaßt werden können, und die Auswertung in der gleichen Zeit erfolgen kann, wären dafür Vermessungstrupps je nach Gelände mehrere Wochen bis Monate unterwegs, um die Daten manuell zu erfassen. Die Eingabe und Auswertung würde ebenfalls eher Wochen als Tage dauern, bis ein Geländemodell vorläge.

Da Laseraltimetrie ein direktes Meßverfahren ist, in dem alle Messungen unmittelbar dreidimensional erfolgen, erfordert es von den genannten automatischen oder halbautomatischen Verfahren den geringsten manuellen oder interaktiven Aufwand bei der Auswertung.

Obwohl wir bei GeoLas Consulting auf abbildende Laseraltimetrie spezialisiert sind, werden wir Ihnen gerne helfen, dasjenige Meßverfahren zu finden, das für Ihrer Anwendung das geeignetste ist.

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Laser-Entfernungsmessung

Wie funktioniert ein Laseraltimeter

Ein Laseraltimeter wird von einem Flugzeug oder Hubschrauber aus eingesetzt. Es bestimmt die Entfernung zur Erdoberfläche, indem es die Laufzeit eines kurzen Blitzes infraroter Laserstrahlung mißt. Das Gerät emittiert Laserpulse zur Erdoberfläche, wo sie reflektiert werden. Ein Teil der reflektierten Strahlung kehrt zum Laseraltimeter zurück, wird dort detektiert, und stoppt einen Zeitzähler, der gestartet wurde, als der Puls ausgesandt wurde. Die Entfernung läßt sich unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit dann leicht aus der Laufzeit berechnen.

Um die genauen geographischen Koordinaten (Länge, Breite und Höhe über Meeresspiegel) eines von einem Laserpuls angemessenen Bodenpunkts bestimmen zu können, werden zwei weitere Größen benötigt: die Position des Flugzeugs, von dem aus die Messung gemacht wurde, und die Richtung, in die das Laseraltimeter während der Messung "blickte". Diese Größen werden üblicherweise durch GPS-Empfänger (GPS steht für das Navstar Global Positioning System, ein Satelliten-Navigationssystem) im Flugzeug und als Referenz an einer bekannten Stelle am Boden, und einem INS (Inertial-Navigationssystem, meist optische Kreisel) im Flugzeug gewonnen. Mit einem Laseraltimetriesystem, das aus diesen Komponenten zusammensetzt ist, können die absoluten Koordinaten der Punkte auf der Erdoberfläche mit vertikalen und horizontalen Fehlern von weniger als 10 cm bzw. 50 cm gemessen werden.

Laserscannen

3D Geländeerfassung

Auch die neuesten Laseraltimeter können derzeit jeweils nur die Entfernung zu einem Punkt auf der Oberfläche messen. Um die Höhe der Erdoberfläche flächenhaft erfassen zu können, werden daher je nach System 2000 bis 400000 Entfernungsmessungen pro Sekunde nacheinander durchgeführt. Jede Messung erfolgt dabei auf einen anderen Punkt auf der Oberfläche. Dazu wird der Laserstrahl periodisch quer zur Flugrichtung abgelenkt und über die Oberfläche geführt (gescannt). Von einer Scanzeile zur nächsten hat sich das Flugzeug fortbewegt, so daß während jeder Zeile andere Bodenpunkte angemessen werden. Auf diese Weise werden Streifen von Geländehöhenwerten gesammelt. Die Streifenbreite kann zwischen 50 m und 9 km liegen. Je nach Laseraltimeter und Flughöhe haben die einzelnen Meßpunkte am Boden Durchmesser zwischen 20 cm und 25 m.

Ein abbildendes Laseraltimeter mißt zusätzlich zur Laufzeit des Laserpulses die Energie des reflektierten Laserpulses. Damit und mit der Entfernung kann dann ein Reflexionsbild der Oberfläche bei der Wellenlänge des Lasers erzeugt werden. Dieses Bild ist mit den Höhendaten automatisch ko-registriert und geo-referenziert. Es ist außerdem frei von Objektschatten und entsteht unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen während der Befliegung, also auch nachts.

Oberflächenmodelle

Erzeugung von Geländemodellen, digitalen Landschaften und 3D-Ansichten

Normalerweise wird ein Befliegungsgebiet in mehreren sich teilweise überlappenden Streifen von Höhendaten erfaßt. Diese Streifen müssen dann zusammengefügt werden, um ein einheitliches digitales Höhenbild oder Höhenmodell des Gebiets zu erhalten.

Ein digitales Bild ist eine rechteckige Anordnung (Raster) von Zellen, in der jede Zelle einen Wert enthält. Ein normales Bild enthält Helligkeitswerte. Im Fall eines Höhenbildes sind es Höhenwerte. Während die Oberflächenpunkte in den ursprünglichen Meßdaten normalerweise nicht völlig gleichmäßig verteilt sind, haben die Zellen eines Bildes alle die gleiche Größe und gleichmäßige Abstände voneinander, um die weitere Verarbeitung zu vereinfachen. Eindigitales Höhenmodell (DHM) ist eine mathematische Beschreibung für den Oberflächenverlauf, in der die Geländehöhe als Funktion von Länge und Breite angegeben wird. Zwei Arten von Höhenmodellen werden unterschieden: das digitale Oberflächenmodell (DSM) spiegelt die Höhenwerte wider wie sie gemessen werden. Es enthält alle Objekte auf der Erdoberfläche wie zum Beispiel Bäume und Gebäude. Die zweite Art ist das digitale Geländemodell (DGM), das aus dem DSM abgeleitet wird, indem Objektfilter zur Beseitigung von Oberflächenobjekten angewendet werden. Es gibt die reine Geländehöhe in der Weise wieder, wie sie in topographischen Karten angegeben ist.

Digitale Landschaften können als digitale Oberflächenmodelle mit zusätzlichen Informationen über die Oberfläche wie Farbe, Textur, Bebauungs- oder Vegetationsart angesehen werden. Mit ihnen lassen sich realistischere Visualisierungen erzeugen als mit rein geometrischen Modellen.

Sowohl Höhenbilder wie Höhenmodelle gelten als 2 1/2-dimensionale Beschreibungen der Erdoberfläche. Beide können zur Erzeugung von orthogonalen und perspektivischen (Schrägsicht-) Bildern der Oberfläche genutzt werden. Normalerweise wird der größte Teil der Datenverarbeitung jedoch im (Raster-) Bildformat durchgeführt, da dieses die Verbindung mit anderen bildhaften Datenquellen und die statistische Analyse des Inhalts erleichtert.

Die Bezeichnung "2 1/2"-dimensional besagt, daß jeder Punkt in der horizontalen Ebene nur einen Höhenwert haben kann. In der Realität kann es jedoch vorkommen, daß mehrere Schichten mit verschiedenen Höhenwerten an der gleichen Stelle vorkommen: eine Brücke hat eine Oberfläche, eine zweite Oberfläche findet sich unter der Brücke; ein Baum hat viele Schichten von Laub und Ästen, und der Boden unter dem Baum trägt einen weiteren Höhenwert bei, aber alle Höhenwerte sind an der gleichen Stelle übereinander.

Daher muß eine echtes dreidimensionales Darstellungsformat, also ein 3D Rasterbild oder ein 3D Modell, mehrere Höhenwerte an jeder Stelle unterstützen. Für realistische Schrägsichtvisualisierungen von Oberflächendaten sind echte 3D Datensätze notwendig, da ein bestimmter Standpunkt und Blickwinkel den Blick "unter" die Brücke erlauben kann.

Der folgende Abschnitt erläutert, wie mit abbildenden Laseraltimetern in gewissem Umfang tatsächlich dreidimensionale Information gewonnen werden kann.

Thematische Modelle

Der Informationsgehalt eines Laserpulsechos ist nicht auf einen Höhenwert pro Messung beschränkt. Mit modernen Signaldetektionsverfahren ist es möglich, aus jeder Messung Informationen über die vertikale Struktur der Oberfläche (Rauhigkeit, Höhe und Form von Objekten, Laubdichte der Baumkronen, Baumhöhe etc.) und den Reflexionsgrad der Oberflächenschichten zu gewinnen. Diese zusätzliche Information bietet sich für eine Reihe von Analysen und zur Erzeugung thematischer Oberflächenmodelle an. Thematische Modelle können beispielsweise die Vegetationsdichte, Baumhöhen, oder das Flächenverhältnis von versiegelten (Asphalt, Beton) zu porösen Oberflächen (Erde, Sand, Pflanzen) wiedergeben.

Zu Visualisierungszwecken kann die Oberflächenrauhigkeit zur Erzeugung von realistischer Textur verwendet werden. Daten über Pflanzenwuchs (Höhe, Dichte) können zur Erzeugung "durchsichtiger" Wälder oder als Eingangsdaten in Software dienen, die realistische Bäume generiert.

Heutzutage erfassen nur wenige der kommerziellen Laseraltimeter die Oberflächenhelligkeit. Die häufigere Lösung ist die Verwendung einer digitalen Kamera, die parallel zum Laseraltimeter die Oberfläche aufnimmt. Dieser Ansatz hat normalerweise den Vorteil, Helligkeitsbilder höherer Auflösung zu erzeugen, als sie das Laseraltimeter erzeugen könnte. Auch lassen sich so mehrere Spektralbänder (Farbe) aufzeichnen. Andererseits benötigt eine separate Kamera eine Beleuchtungsquelle, während das abbildende Laseraltimeter als aktives System unter allen Beleuchtungsverhältnissen einsetzbar ist. Außerdem enthalten Kamerabilder immer Schatten von Objekten auf der Oberfläche, was eine automatische Objekterkennung basierend auf Objektfarbe oder -helligkeit erheblich erschwert. Das Reflexionsbild eines abbildenden Laseraltimeters ist schattenfrei und kann so kalibriert werden, daß man den exakten Bodenreflexionsgrad bei der Wellenlänge des Lasers erhält.

Die Kombination von scannendem Laseraltimeter und multispektralem und/oder Thermalscanner und digitalen photogrammetrischen Kameras ist ein vielversprechender Ansatz zur Automatisierung zahlreicher Aufgabenstellungen der Fernerkundung, die in der Vergangenheit erheblichen manuellen Aufwand erforderten, um die Daten zu sammeln, zu verarbeiten, zu verschmelzen und zu analysieren.

3D-Stadtmodelle und GIS

3D-Stadtmodelle können als die nächste Abstraktionsstufe von Laseraltimetrie-Produkten angesehen werden. Digitale Oberflächenmodelle (DSM) geben die Oberflächenhöhe an allen Punkten des dargestellten Gebietes wieder, aber sie enthalten keine direkte Information über die Objekte auf der Oberfläche. Die Höheninformationen von Gruppen von DSM-Zellen können allerdings dazu genutzt werden, um zwischen Boden und Objekten auf der Oberfläche zu unterscheiden (Segmentierung), und um einige der Objekteigenschaften zu bestimmen. Im Fall von 3D-Stadtmodellen sind die Oberflächenobjekte natürlich die Gebäude. Im einfachsten Fall wird in einem 3D-Stadtmodell jedes Gebäude durch ein rechteckiger Quader repräsentiert, dessen Basis, Orientierung und Höhe der des Gebäudes entsprechen.

Mit Hilfe der Laseraltimetrie können DSMs städtischer Gebiete mit einer planimetrischen Auflösung von 0.5 - 2 m erzeugt werden. Dies ist ausreichend genau für eine Rekonstruktion von Grundriß, Höhe und sogar der ungefähren Dachform der allermeisten Gebäude.

In ähnlicher Weise können andere Parameter, die als Eingangsdaten für Geographische Informations-Systeme (GIS) benötigt werden, mittels der Laseraltimetrie wirtschaftlich erfaßt werden. Geo-Informationssysteme sind im Wesentlichen digitale Datenbanken, die eine Vielzahl von raumbezogenen Informationen wie topographische, geologische, hydrologische, infrastrukturelle, demoskopische, administrative und ähnliche Daten enthalten. Ein GIS ist so aufgebaut, daß der Zugriff auf und die Darstellung der Daten unter raumbezogenen Aspekten, also beispielsweise durch Eingabe geographischer Koordinaten, erfolgen kann.

Laseraltimetrie als digitales, computerbasieres Werkzeug zur Erfassung räumlicher Größen kann Geo-Informationssysteme somit direkt mit georeferenzierten Gelände- und Objekthöhendaten speisen.

 

Für Anwendungsbeispiele, in denen digitale Landschaften und digitale Geländemodelle genutzt werden, folgen Sie bitte dem Pfeil:weiter

 

 
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