Lidar-Vermessung erklärt: Eine umfassende Einführung

Lidar (Light Detection and Ranging) verwendet Laser, um Datenpunkte zu messen, die die Welt darstellen. Die 3D-Modelle werden von Vermessungsingenieuren für topografische Karten, die Erfassung von Gebäuden und mehr verwendet.

Ein Überblick über die Vermessung

Vermessungsarbeiten waren schon im alten Ägypten wichtig für die Entscheidungsfindung und spielten eine Schlüsselrolle bei der Festlegung von Grundstücksgrenzen zu Steuerzwecken und bei der Verwaltung neu erworbener Ländereien.

Ursprünglich wurde die Vermessung mit manuellen Methoden durchgeführt, z. B. mit Stangen und Ketten, Kompass, Lot und vielen handschriftlichen Berechnungen zur Bestimmung relativer Entfernungen. Auch heute noch haben die Grundlagen der Vermessung einen festen Platz in der Gesellschaft. Wir haben Kunden bei NavVis die beschreiben, dass sie sich bei der Vermessung komplexer Gebäude zum Teil noch immer stark auf Millimeterpapier verlassen.

Die Technologie entwickelte sich weiter, bis die Photogrammetrie aufkam, mit der das Gelände anhand von Fotos, die vom Boden oder aus der Luft aufgenommen wurden, kartiert werden konnte.

In den späten 1990er Jahren und vor allem ab dem Jahr 2000 begann das Lidar-Scanning (LiDAR und LIDAR sind auch die korrekten Schreibweisen) zum neuen Standard für die Vermessung zu werden. Lidar ist die Abkürzung für "Light Detection and Ranging" (Lichterkennung und Entfernungsmessung) und nutzt Laser, um die Umgebung abzutasten und in Form von zahlreichen Datenpunkten darzustellen.

Diese mit Lidar gesammelten "Punktwolken"-Daten werden zur Erstellung detaillierter 2D- und 3D-Karten verwendet, darunter CAD Liniennetz, Gelände- und Konturkarten, digitale Höhenmodelle (DEMs) und verschiedene andere Modelle und Visualisierungen von Straßen und Gebäuden. Dadurch wurde diese Technologie zu einem Wendepunkt in der Landvermessung.

Einführung in die Lidar-Technologie

Ein wichtiges Lidar-Prinzip, das man sich merken sollte, ist die "Flugzeit". Die schnellen Laserpulse, die von einem Lidar-Gerät ausgesendet werden, prallen vom Gelände ab und kehren zum Sensor zurück. Die Flugzeit gibt an, wie lange der Laserimpuls für die Hin- und Rückreise benötigt.

Wenn man die Zeit und die Geschwindigkeit des Lasers (Lichtgeschwindigkeit) kennt, kann ein Computer die Entfernung berechnen, die der Laser zurückgelegt hat (Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit), was uns die genaue Position verrät, an der der Laser in der Umgebung abgeprallt ist.

Hinweis: Der Winkel, aus dem der Laser die Position aufzeichnet, ist ebenfalls entscheidend für die Kenntnis der Position für diesen Laserimpuls. 

Wenn man Millionen dieser Messungen vornimmt, erhält man ein genaues Modell der Umgebung des Geräts. Die gesammelten "Datenpunkte" werden zusammen als Punktwolke bezeichnet: Alles, was Sie über Punktwolken wissen müssen. Kombiniert man diese Daten präzise mit Farbdaten von Kameras, sieht eine Visualisierung dieser Daten so aus:

Bei einem Lidar-Scanner gibt es drei wichtige Komponenten, die zu beachten sind:

• Eine Laserquelle, die Nahinfrarot-Laser aussendet, tastet die Umgebung ab, verfolgt den Winkel des Lasers und
• Ein Laserempfänger, der die reflektierten Laserimpulse aufzeichnet
• Zeitmess- und Ortungssysteme wie GPS oder IMU (Inertia Measurement Unit).

Arten von Lidar-gestützten Erhebungen

Lidar-Scanner können in den unterschiedlichsten Formen eingesetzt werden, von Geräten am Boden bis hin zu Drohnen, die aus der Luft scannen.

Bei einer Lidar-Vermessung aus der Luft sind die Scanner auf einem Flugzeug, einem Hubschrauber oder einer Drohne montiert. Dadurch können sie schnell ein größeres Gebiet abdecken, was jedoch mit zusätzlichen Kosten und in der Regel mit einer geringeren Dichte verbunden ist.

Bei einer terrestrischen Lidar-Vermessung wird ein terrestrischer Laserscanner verwendet, das auch als TLS bezeichnet wird. Dabei kann es sich um eine stationäre Einrichtung handeln, die auf einem Stativ montiert ist, oder um eine mobile Lösung (allgemein als MTLS oder MMS bekannt), die von den Vermessungsingenieuren getragen oder auf Fahrzeugen montiert wird.

In einem beispielhaften TLS-Arbeitsablauf würde Vermesser:in ein Kontrollnetzwerk mit einer Totalstation, einem Laser Tracker oder GNSS einrichten. Sobald Vermesser:in ins Büro zurückkehrt, werden die Scans gemeinsam registriert, die Fotos organisiert und die Ergebnisse erstellt.

Eine tragbare Lidar-Scannerlösung wie NavVis MLX oder NavVis VLX 3 ist ebenfalls eine Kombination aus beidem. Diese Geräte erfassen genaue topografische Details der Umgebung in Form von georeferenzierten, fotorealistischen Punktwolken und hochauflösenden 360-Panoramen in Schrittgeschwindigkeit und können nahtlos neben einem stationären TLS eingesetzt werden.

Vorteile der Lidar-Vermessung

Im Gegensatz zur Photogrammetrie können mit Lidar-Scans 3D-Modelle erstellt werden, sie funktionieren bei allen Lichtverhältnissen und können dichte Strukturen durchdringen, um Informationen zu liefern, die Fotos einfach nicht sehen können. Es handelt sich außerdem um eine flexible Erfassungsmethode, die ebenso effektiv bei der Vermessung von stationären Gebäuden, Strukturen oder Landschaften eingesetzt werden kann.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Vorteile von Lidar folgende sind:

• Hohe Präzision und Genauigkeit
• Schnelligkeit und Effizienz bei der Datenerhebung
• Vielseitigkeit in verschiedenen Umgebungen und Bedingungen
• Kosteneffizienz im Vergleich zu traditionellen Methoden

In Kombination mit der Technologie der simultanen Lokalisierung und Kartierung (SLAM) vervielfachen sich die Vorteile des Lidar-Scannings: Ein Standort kann noch schneller gescannt werden, auch in gefährlichen Bereichen oder bei schwieriger Geometrie.

Praktische Anwendungen von Lidar-Erhebungen

Die Lidar-Technologie gehört zum Handwerkszeug von lizenzierten Vermessungsingenieuren, die an verschiedenen Projekten arbeiten:

• Topographische und Detailaufnahmen
• Gebäudevermessung
• Infrastrukturerhebungen wie Straßen- oder Brückenerhebungen

Eine topografische Vermessung, manchmal auch Topo oder Detailvermessung genannt, kartiert die Grenzen und Merkmale eines Grundstücks. Sie erstellt eine genaue Karte der aktuellen topografischen Bedingungen, in der Regel als Vorbereitung für Ingenieur- oder Bauprojekte.

Bei einer Gebäudevermessung werden verschiedene bestehende Strukturen sowohl im Innen- als auch im Außenbereich (z. B. Fassaden und Höfe) erfasst. Die daraus resultierenden digitalen Modelle und visuellen Darstellungen können als Referenz für die Dokumentation, Restaurierung oder Erhaltung von Baudenkmälern dienen.

Bei einer Straßenvermessung werden nicht nur die Straßen, sondern auch die dazugehörigen Objekte (auch als Straßenausstattung bezeichnet) wie Bordsteine, Schilder, Laternenpfähle und Bänke erfasst.

Die Ergebnisse einer Umfrage könnten Folgendes umfassen:

• Konturlinien
• Begrenzungslinien
• natürliche Merkmale
• Gebäude

Sie sind in verschiedenen Industriezweigen und Berufen wichtig, unter anderem:

• Stadtplanung und -entwicklung
• Bau- und Infrastrukturprojekte
• Umweltüberwachung und Umweltschutz
• Gebäudemanagement und Building Information Modeling (BIM)
• Staatliche und kommunale Zwecke

Ergebnisse der Lidar-Vermessung

Digitales Höhenmodell (DEM): Eine 3D-Darstellung der nackten Erdoberfläche, ohne natürliche Merkmale. Zeigt die Höhenwerte in regelmäßigen Abständen an.

Digitales Geländemodell (DGM): Ein 3D-Modell, das das DEM um natürliche Merkmale wie Flüsse, Vegetation usw. ergänzt.

3D-Gebäudemodell: Ein geografisch verortetes Modell, das die Position, den Grundriss und die Abmessungen aller Strukturen vor Ort anzeigt.

Karte mit computergestütztem Entwurf (CAD): Eine 2D-Karte, die mit Hilfe von Punkten und Linienzeichnungen alle notwendigen Details und Merkmale anzeigt.

Lidar-Vermessung in Aktion: A Fallstudie

Sova Surveys in Bath, England, wurde von einem Kunden gebeten, ein BIM Modell von Schloss Margam in Wales für ein Renovierungsprojekt zu erstellen.

Bei diesem Arbeitsablauf werden mehrere Arten von Lidarscannern eingesetzt, sowohl ein stationäres TLS als auch ein NavVis VLXum die geforderte Genauigkeit zu erreichen, aber mit einer viel höheren Geschwindigkeit, als es der TLS allein könnte.

Sie verwendeten eine Totalstation, um ein minimales Kontrollnetz festzulegen: vier externe Punkte und fünf pro Stockwerk im Innenbereich. Dann wurde ein Trimble TLS verwendet, um das "Rückgrat" des Gebäudes zu erfassen, d. h. Verbindungsräume wie Flure. Mit dem TLS wurden auch Bereiche erfasst, die mit LOD400 modelliert werden sollten, wie das zentrale Treppenhaus.

Um die Steuerung für den NavVis VLX benutzten sie den integrierten Laserpointer des Trimble, um während des Scannens Markierungen zu setzen. "Auf diese Weise hatten wir die Kontrolle, die wir brauchten, ohne die Totalstation erneut benutzen zu müssen", berichten sie. Dann war es eine einfache Angelegenheit, das Schloss mit dem NavVis VLX um die Punktwolke fertigzustellen und umfassende Panoramabilder aufzunehmen.

Tipps für die Auswahl einer Umfrage-Scanlösung

Bei der Planung einer Umfrage sind unter anderem folgende Faktoren zu berücksichtigen:

• Größe des Projekts
• Haushalt
• Zeitleiste
• Erforderliche Genauigkeit
• Umwelt und Bedingungen

Die Anforderungen des Projekts bestimmen, welche Technologie oder Kombination von Technologien am besten geeignet ist. Die Vermessungsfachleute müssen berücksichtigen, welchen Herausforderungen sie im Feld begegnen werden. So kann die topografische Kartierung von Städten beispielsweise gefährliche oder stark frequentierte Bereiche umfassen, die eine zeitaufwändige Erfassung erfordern oder herkömmliche Vermessungstechniken weniger effektiv machen.

Mobile Lidar-Scanner, die die SLAM Technologie nutzen, können einige dieser Herausforderungen überwinden oder zumindest abmildern. Premier SLAM-basierte Laserscanning-Lösungen liefern hochauflösende Panoramabilder mit Laserscan-Genauigkeit. Die Ergebnisse können schneller und flexibler produziert werden als mit einem TLS.

Bei der Integration in topografische Arbeitsabläufe ergänzt und verbessert das SLAM-basierte Laserscanning Vermessungsmethoden wie statisches Laserscanning und Totalstationen und bietet einen effizienteren und umfassenderen Ansatz zur Erfassung von Geländedaten.

Erfahren Sie mehr über Lidar-Vermessung

NavVis bietet SLAM-basierte, tragbare Laserscanning-Lösungen an, mit denen Vermessungsfachleute und Reality Capture genaue Daten erfassen, sie effektiv visualisieren und in bestehende Arbeitsabläufe integrieren können. Erfahren Sie mehr auf unserer Vermessungs- und Reality Capture Seite.

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