LiDAR

Aus GEOWiki@LMU
Version vom 19. Dezember 2020, 09:24 Uhr von PhilippGewalt (Diskussion | Beiträge) (Die Seite wurde neu angelegt: „LiDAR (Light Detection and Ranging) zur Erhebung topographischer Daten Grundprinzip LiDAR-Messgeräte scannen die Umgebung, indem sie per Laser-Entfernungsmess…“)
(Unterschied) ← Nächstältere Version | Aktuelle Version (Unterschied) | Nächstjüngere Version → (Unterschied)
Wechseln zu:Navigation, Suche

LiDAR (Light Detection and Ranging) zur Erhebung topographischer Daten Grundprinzip LiDAR-Messgeräte scannen die Umgebung, indem sie per Laser-Entfernungsmesser den Abstand zwischen dem Messgerät und den Objekten in seiner Umgebung bestimmen. Durch die Kombination vieler einzelner Entfernungsmessungen entsteht ein Modell der Umgebung. Für die Entfernungsbestimmung werden zwei Methoden angewandt. Bei der time-of-flight-Methode wird ein Laserpuls ausgesendet, der beim Auftreffen auf die Geländeoberfläche oder einen Baum o.ä. reflektiert wird. Die Reflexion wird vom Messgerät registriert. Mithilfe der konstanten Lichtgeschwindigkeit und der Zeitspanne zwischen der Aussendung des Laserpulses und dem Empfang der Reflexion kann der Abstand zwischen Scanner und Objekt bestimmt werden. Bei der continuous-wave-Methode wird ein kontinuierliches Messsignal ausgesendet und die Entfernung mithilfe der Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und reflektiertem Signal bestimmt (Petrie & Toth 2008: 4ff.). Unterschieden werden terrestrial laser scanning (TLS) und airborne laser scanning (ALS). Spezielle Anforderungen an Messungen Gute Messergebnisse haben: - Homogene Punktverteilung (Schürch et al. 2011: 1857) - Ausreichende Überschneidungen zwischen verschiedenen Scanstationen (Kemeny & Turner 2008: 43 f.) - wenig Okklusion (wenige Schattenzonen) (Schürch et al. 2011: 1849) - hohe Punktdichte (v. a. ALS) - Möglichst steiler Einfallswinkel des Laserstrahls auf Oberfläche (TLS und ALS) (z. B. Schürch et al. 2011: 1849) Datenverarbeitung Der Umfang der Datenverarbeitung und das Vorgehen ist stark abhängig von der Zielsetzung. Wichtige Schritte dabei sind die Filterung und Registrierung der Rohdaten, häufig werden außerdem aus den Punktwolken Datensätze in anderem Format abgeleitet. - Filterung (Pradhan & Sameen 2017: 7; Abellán et al. 2014: 84) o Entfernung „uninteressanter Punkte“ (fehlerhafte Punkte, Vegetation) o Optimierung der Datenverarbeitung o Reduktion der benötigten Rechenleistung - Registrierung o Überführung der Daten aus dem Scannerkoordinatensystem in ein gemeinsames Referenzkoordinatensystem (Abellán et al. 2014) o Kombination mehrerer Einzelscans zu einem zusammenhängenden Modell (Abellán et al. 2014; Kemeny & Turner 2008: 43 f.) - Ableitung von Datensätzen (TINs, DGMs/Rasterdatensätzen) Fehlerquellen Nach Kemeny & Turner (2008) gibt es drei Hauptquellen für Fehler bei LiDAR-Messungen: 1. Die Genauigkeit des Messgeräts und Einstellungen im Feld 2. Das Vorgehen und die Genauigkeit der Registrierung 3. Die Software und das Vorgehen bei der Prozessierung der Daten Die Genauigkeit der Entfernungsmessung hängt hauptsächlich von der Genauigkeit der Zeitmessung und dem Signal/Rauschen-Verhältnis ab. Dieses wird z. B. durch die Empfindlichkeit des Signaldetektors, Verstärkerrauschen und Hintergrundstrahlung negativ beeinflusst (Petrie & Toth 2008: 5, 17; Wehr & Lohr 1999: 72). Ungünstige Bedingungen für LiDAR-Messungen sind schlechtes Wetter (z. B. Regen, Nebel, heißer Wind), geringe Reflektivität des Ziels, flache Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Ziel, große Entfernungen und unebene Oberflächen (Pradhan & Sameen 2017: 6; Abellán et al. 2014: 82; Jaboyedoff et al. 2012: 8). Vor-/Nachteile und Fazit Da sich ALS und TLS hinsichtlich ihrer Datenerhebung unterscheiden (ALS: Vogelperspektive, TLS: Messung bodengestützt), werden ihre jeweiligen Vor- und Nachteile getrennt behandelt. Vorteile - LiDAR allgemein o Gewinnung echter 3D Informationen (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Hohe Messgenauigkeit (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Schnelle Datenerhebung (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Hohe Auflösung (ermöglicht z. B. die Erzeugung hochauflösender digitaler Geländemodelle) (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Unabhängig von Sonnenlicht (Baltsavias 1999: 201) - ALS o Gewinnung flächendeckender Informationen über große Gebiete (Willi et al. 2011) o Daten z. T. bereits flächendeckend vorhanden (z. B.) Website LDBV Bayern/BaWü/CH) - TLS o Einfacher Aufbau (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Gute Transportfähigkeit (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Sehr hohe Auflösung und Messgenauigkeit (Willi et al. 2011: 275; Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Verhältnismäßig billig im Vergleich zu ALS (Willi et al. 2011: 276) Nachteile/Grenzen - LiDAR allgemein o Große Datenmengen führen zu aufwendiger Prozessierung und stellen hohe Anforderungen an Hard- und Software (Jaboyedoff et al. 2012: 20) o Keine Messungen von unter Wasser liegenden Oberflächen möglich außer mit Spezialgeräten (Scheidl et al. 2008) -> Einschränkungen in fluvialer Umgebung o Geringe Punktdichte in stark bewachsenen Gebieten o Beschränkung der Messungen auf Sichtfeld des Scanners (besonders problematisch für TLS) -> Auftreten von Schattenbereichen (Okklusion) (Abellán et al. 2014: 81; Jaboyedoff et al. 2012: 20; Schürch et al. 2011: 1847) - ALS o Teuer (Willi et al. 2015: 275) o i.d.R. geringe zeitliche Auflösung (Willi et al. 2015: 275) - TLS o Begrenzte Reichweite in Abhängigkeit der Reflektivität des Ziels und der Atmosphärenbedingungen (Riegl 2017: 3) o Besonders aufwendige Datenerhebung und -verarbeitung (Willi et al. 2015: 276) o Mindestens zwei Personen für Feldarbeit notwendig (Willi et al. 2015: 276) o Kombination mehrerer Messstationen notwendig zur Gewinnung flächendeckender Daten (Jaboyedoff et al. 2012: 20; Wehr & Lohr 1999: 74) Einsatzbereiche - Bauüberwachung - Erstellung von digitalen Geländemodellen z. B. als Grundlage für: o Morphologische Änderungsdetektion im fluvialen Bereich, in Küstenbereichen, im Gebirge (Williams 2012) o Hydrologische Modellierung o Erforschung von Hangbewegungen (Pradhan 2017; Jaboyedoff et al. 2012) Ausstattung an der LMU/TUM? - TUM: Fachgebiet Hangbewegungen hat Riegl-VZ 400 und Software -> klären, ob das im GeoWiki stehen darf - LMU: ? Lehrveranstaltungen - Numerische Methoden 1 (TUM Master) - Sensorgestützte und mobile Informationssysteme, Laser Scan Modellierung (VT 3) (Lehrstuhl Geodäsie TUM)

Literatur BALTSAVIAS, E.P. (1999): Airborne laser scanning: basic relations and formulas. – ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54, 199–214. JABOYEDOFF, M., OPPIKOFER, T., ABELLÁN, A., DERRON, M.-H., LOYE, A., METZGER, R. & PEDRAZZINI, A. (2012): Use of LiDAR in landslide investigations: a review. – Natural Hazards 2012, 61: 5–28. KEMENY, J., TURNER, K. (2008): Ground-Based LiDAR: rock slope mapping and assessment. – Federal Highway Administration Report FHWA-CFL/TD-08-006. PRADHAN, B. (ed.): Laser scanning applications in landslide assessment: 359 S.; Cham (Springer). SHAN, J. & TOTH, C.K. (eds.). Topographic Laser ranging and scanning – principles and processing; Boca Raton (Taylor & Francis Group, LLC). SCHOFIELD, W. & BREACH, M. (2007): Engineering Surveying. – 6th edition: 622 p.; Oxford (Butterworth-Heinemann). WILLI, C., GRAF, C., DEUBELBEISS, Y & KEILER, M. (2015): Methods for detecting channel bed surface changes in a mountain torrent – experiences from the Dorfbach torrent. – Geographica Helvetica, 70: 265–279. DOI: 10.5194/gh-70-265-2015 Referenzen ABELLÁN, A., OPPIKOFER, T., JABOYEDOFF, M., ROSSER, N.J., LIM, M. & LATO, M.J. (2014): Terrestrial laser scanning of rock slope instabilities. – Earth Surface Processes and Landforms, 39: 80–97. BALTSAVIAS, E.P. (1999): Airborne laser scanning: basic relations and formulas. – ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54, 199–214. JABOYEDOFF, M., OPPIKOFER, T., ABELLÁN, A., DERRON, M.-H., LOYE, A., METZGER, R. & PEDRAZZINI, A. (2012): Use of LiDAR in landslide investigations: a review. – Natural Hazards 2012, 61: 5–28. KEMENY, J., TURNER, K. (2008): Ground-Based LiDAR: rock slope mapping and assessment. – Federal Highway Administration Report FHWA-CFL/TD-08-006. PETRIE, G. & TOTH, C.K. (2008): Introduction to laser ranging, profiling and scanning. – In: SHAN, J. & TOTH, C.K. (eds.). Topographic Laser ranging and scanning – principles and processing: 1–29; Boca Raton (Taylor & Francis Group, LLC). PRADHAN, B. & SAMEEN, M.I. (2017): Laser scanning systems in landslide studies. – In: PRADHAN, B. (ed.): Laser scanning applications in landslide assessment: 3–19; Cham (Springer). RIEGL LMS GMBH (2017): Data sheet, Riegl-VZ-400 – 4 S., Horn. SCHEIDL, C., RICKENMANN, D. & CHIARI, M. (2008): The use of airborne LiDAR data for the analysis of debris flow events ins Switzerland. – Natural Hazards and Earth System Sciences, 8: 1113–1127. SCHOFIELD, W. & BREACH, M. (2007): Engineering Surveying. – 6th edition: 622 p.; Oxford (Butterworth-Heinemann). SCHÜRCH, P., DENSMORE, A.L., ROSSER, N.J., LIM, M. & MCARDELL, B.W. (2011): Detection of surface change in complex topography using terrestrial laser scanning: application to the Illgraben debris-flow channel. – Earth Surface Processes and Landforms, 36: 1847–1859. WEHR, A. & LOHR, U. (1999): Airborne laser scanning – an introduction and overview. – ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54: 68–82. WILLIAMS, R.D. (2012): DEMs of difference. – In: CLARKE, L.E. (ed.): Geomorphological Techniques. British Society for Geomorphology, London; 1–17. WILLI, C., GRAF, C., DEUBELBEISS, Y & KEILER, M. (2015): Methods for detecting channel bed surface changes in a mountain torrent – experiences from the Dorfbach torrent. – Geographica Helvetica, 70: 265–279. DOI: 10.5194/gh-70-265-2015 www-03: https://www.lgl-bw.de/unsere-themen/Produkte/Geodaten/Digitale-Gelaendemodelle/, abgerufen am 22.04.2020 www-04: https://www.ldbv.bayern.de/produkte/3dprodukte/gelaende.html, abgerufen am 22.04.2020 www-05: https://www.swisstopo.admin.ch/de/wissen-fakten/geoinformation/lidar-daten.html, abgerufen am 22.04.2020