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