Was ist Lidar und wie funktioniert es?

Lidar ist eine Lasertechnologie, die die Oberflächen eines Objekts oder eines Raums dreidimensional erfasst. Das Wort "Lidar" ist eine Abkürzung für LIght Detection And Ranging.

Die Wurzeln dieser Technologie reichen bis ins Jahr 1938 zurück, als erstmals Lichtimpulse zur Messung der Höhe von Wolken verwendet wurden (im Ernst). Aber lassen Sie sich davon nicht täuschen: Lidar ist für eine Vielzahl von Spitzenindustrien von entscheidender Bedeutung, darunter Robotik, autonome Fahrzeuge, Weltraumforschung, Vermessung, Architektur, Ingenieurwesen, Bauwesen und vieles mehr.

Vielleicht befindet sich sogar ein Lidar-Sensor direkt neben der Kamera Ihres iPhones, oder er steuert Ihren Staubsaugerroboter, damit er nicht die Treppe hinunterfällt.

Wie funktioniert Lidar?

Heute werden wir uns auf den Lidar-Typ konzentrieren, der am häufigsten für 3D-Erfassungsanwendungen verwendet wird. Er arbeitet nach dem Prinzip der "Flugzeit". Ähnlich wie bei den Laser-Entfernungsmessern, die Sie verwenden, um die Abmessungen eines Raumes zu bestimmen.

"Beginnen wir damit, zu untersuchen, wie die Laufzeitmessung in einem Laserentfernungsmesser funktioniert:"

1. Das Gerät emitiert einen Laserstrahl
2. Der Laser wird an der Wand reflektiert
3. ...und kehrt zum Gerät zurück
4. Das Gerät misst die Zeit zwischen dem Abschuss und der Rückkehr (das bezeichnet man als Laufzeitmesung)
5. Das Gerät berechnet den Abstand zur Wand

Wie kann das Gerät das tun? Wie Sie wissen, ist die Lichtgeschwindigkeit konstant. Wenn wir uns die sehr einfache Gleichung für die Berechnung der Entfernung anhand der Flugzeit ansehen (Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit), werden wir sehen, dass das Gerät nun zwei der Variablen kennt: Geschwindigkeit und Zeit. Es kann also problemlos die Entfernung berechnen. Voilà.

Es gibt noch einige andere Arten von Lidar-Sensoren, darunter auch solche, die die Entfernung anhand der Verzerrung von Wellenformen messen. Wir werden in einem späteren Artikel auf diese eingehen.

Wie funktioniert ein Lidar-3D-Scanner?

Um mit diesem Lidar-Sensor einen Raum in 3D zu erfassen, braucht man eine Methode, um den Laser so auszurichten, dass er den Raum automatisch abtastet. Die Hersteller haben im Laufe der Jahre viele clevere Methoden entwickelt, um dies zu erreichen, darunter Mikrochips und sich drehende Motoren.

Die älteste Methode ist ein Spiegel. Während der Laser Hunderttausende von Pulsen pro Sekunde abfeuert, dreht sich der Spiegel in zwei Achsen, um die Laser zu lenken, die dann die Umgebung abdecken.

Dieser rudimentäre 3D-Laserscanner kann in Sekundenschnelle Millionen von Punkten in drei Dimensionen messen. So entsteht eine Wolke aus Einzelpunktmessungen, besser bekannt als Punktwolke - der grundlegende Datentyp, der von einem Lidar-Sensor erzeugt wird.

Welche andere Technologie steckt in einem Lidar-Scanner?

Jeder 3D-Laserscanner, den Sie verwenden, ist viel mehr als ein einfacher Lidar-Sensor und eine Methode zur Ausrichtung des Lasers. Er umfasst einige weitere wichtige Technologien, die es Ihnen leicht machen, Ihre Umgebung zu erfassen.

Ein Lidar-Scanner könnte Folgendes beinhalten:

• Neigungsmesser, Beschleunigungsmesser oder IMU (Trägheitsmessgerät)
  Ein Lidar-Sensor wie oben beschrieben hätte keine Ahnung, wo oben oder unten ist. Diese Mechanismen nutzen die Schwerkraft und ermöglichen es Ihrem 3D-Laserscanner, seine Position im Raum zu erkennen und die Punktwolke korrekt auszurichten.
• Kamera
  Nicht alle Geräte sind mit einer Kamera ausgestattet, aber mit einer Kamera kann ein 3D-Laserscanner-Sensor zusätzlich zu den Entfernungs- und Intensitätsinformationen auch Farbinformationen über die Umgebung erfassen. Eine Kamera wird manchmal in mobiles Mapping Systemen als weiterer Datenstrom für den SLAM Algorithmus verwendet.
  
  (Dieser Algorithmus ist die Technologie, die es Ihnen ermöglicht, während der Erfassung zu gehen. Sie können alles, was Sie über SLAM wissen möchten, auf unserer Lernseite hier erfahren).
• Computer
  Praktisch jeder 3D-Scanner verfügt über einen eingebauten Computer. Dieser übernimmt Aufgaben wie die Steuerung des Lidarsensors, die Verarbeitung der Punktwolke und die Speicherung der Punktwolkendaten im Speicher. In einem mobiles Mapping System führt der Computer auch den SLAM Algorithmus aus.
• Bildschirm
  So können Sie die Einstellungen für Genauigkeit und Entfernung auswählen und in einigen Fällen eine Rückmeldung über den Scanvorgang erhalten.
• Totalstation
  Wenn ein 3D-Laserscanner für Messungen mit absolut höchster Genauigkeit gebaut wurde, kann er mit einer herkömmlichen Totalstation kombiniert werden. Dies macht es einfach, die Punktwolke mit der Vermessungskontrolle zu verbinden.

Für welche Anwendungen wird Lidar 3D-Scanning eingesetzt?

Wie wir bereits erläutert haben, wird Lidar für eine Vielzahl von Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Wenn sie jedoch in 3D-Laserscanner eingebaut werden, sind Lidar-Sensoren auf Anwendungen spezialisiert, bei denen Sie die Messungen von stationären Objekten, Strukturen oder Landschaften erfassen möchten.

Sie werden für Projekte wie diese verwendet:

• Erstellung von Grundrissen
  Verwenden Sie den 3D-Laserscanner, um eine Struktur wie ein Bürogebäude zu erfassen, und schneiden Sie die Punktwolke zu einem 2D-Grundriss für die Raumplanung.
• Überprüfung des Ist-Zustandes
  Erstellen Sie eine Punktwolke von einer laufenden Baustelle. Vergleichen Sie sie mit dem Entwurfsmodell, um zu sehen, ob alles nach Plan läuft.
• Modelle bestehender Bedingungen
  Erfassen Sie vor Beginn eines Bauprojekts den Standort, um ein detailliertes Modell der bestehenden Bedingungen zu erstellen, das die Planungs- und Bauabläufe unterstützt.
  
• Scan-toBIM Workflows
  Viele Gebäude verfügen nicht über die erforderlichen 3D-Daten, um ein Gebäudeinformationsmodell oder ein BIM Modell zu erstellen. 3D-Laserscanner können die Struktur erfassen und die Punktwolke zur Erstellung eines 3D-Modells BIM verwenden.
• Vermessung
  Erfassen Sie eine Landschaft, eine Brücke oder sogar eine Fahrbahn und nutzen Sie die Daten für eine virtuelle Vermessung.
• Viel mehr
  Dies ist eine sehr kurze Liste von Anwendungen für 3D-Scanner. Sie können auch in der Forstwirtschaft, der öffentlichen Sicherheit, der Forensik, der Veranstaltungsplanung, der flächendeckenden Kartierung und einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden.  

Fazit

Die Welt der Lidar-Technologie ist breit gefächert, komplex, verändert sich schnell und erfordert mehr als einen einfachen Artikel, um sie zu erklären. In den kommenden Monaten werden wir weiterhin Artikel wie diesen veröffentlichen, um Ihnen zu helfen, alles zu verstehen, was Sie über Lidar wissen müssen.