Der nächste Schritt in der LiDAR-(R)Evolution

Sonderbericht

Autor: Ron Roth & Marcos Sirota

Moderne luftgestützte lineare LiDAR-Systeme wie die ALS-Produktreihe von Leica Geosystems erfassen eine Million Punkte pro Sekunde. Eine Erhöhung der Impulsfolgefrequenz ist die beste Möglichkeit zur Erzielung dichterer Punktwolken bei geringen Kosten, da dies eine höhere Fluggeschwindigkeit erlaubt. Allerdings wird die Impulsfolgefrequenz durch Parameter wie Energieverbrauch und Augensicherheit begrenzt. Die Einzelphotonen-LiDAR-Technologie (Single Photon LiDAR – SPL) erlaubt die Erzielung einer deutlich höheren Impulsfolgefrequenz, da pro Impuls wesentlich weniger Energie benötigt wird.

LiDAR-Systeme bestehen in der Regel aus mehreren Elementen:

  • Distanzmesssystem

  • Scanningoptik zur Lenkung der Laserimpulse

  • Positionierungs- und Orientierungssystem zur Aufzeichnung des Ausgangspunkts des Laserimpulses.

Diese Systeme nutzen für jeden abgestrahlten Laserimpuls eine relativ hohe Energiemenge. Jeder Impuls wird vom Flugzeug auf den Erdboden gesendet, von wo aus er zum Scanner zurück reflektiert wird.

Durch die Verwendung von mehr Energie pro Impuls lässt sich eine stärkere Reflexion erfassen, weil das Gelände unterhalb des Flugzeugs mehr Photonen reflektiert. Die mit linearen LiDAR-Systemen erzielten Ergebnisse sind eindrucksvoll, und die gesammelten Daten zeichnen sich durch hohe räumliche und radiometrische Präzision aus. Die Technologie unterliegt jedoch einigen Beschränkungen hinsichtlich der maximal erzielbaren effektiven Impulsfolgefrequenzen.

HÖHERE IMPULSFOLGEFREQUENZEN

Die Impulsfolgefrequenz ist ein entscheidender Parameter zur Festlegung der zulässigen Flughöhe und Fluggeschwindigkeit während der Datenerfassung. Eine schnellere Impulsfolgefrequenz erlaubt eine höhere Fluggeschwindigkeit bei gleichbleibender Punktdichte. Mit einer Steigerung der Impulsfolgefrequenz linearer LiDAR-Systeme geht eine Erhöhung des Energieverbrauchs einher. Darüber hinaus strahlen die verwendeten Laser mehr Wärme ab. Die Fähigkeit, eine immer höhere optische Ausgangsleistung zu erzielen, wie sie für ständig steigende Impulsfolgefrequenzen erforderlich ist, stellt eine technologische Herausforderung dar. Neben Genauigkeit und Impulsfolgefrequenz müssen bei der Sensorentwicklung nicht nur Energieverbrauch und Kühlung, sondern auch noch Größe, Gewicht und Augensicherheit beachtet werden.

Für den nächsten Schritt bei der Weiterentwicklung luftgestützter LiDAR-Systeme muss die pro Impuls benötigte Energie reduziert werden. Eine Möglichkeit dazu sind grundlegende Änderungen bei der Distanzmessung. LiDAR-Technologien der nächsten Generation, darunter SPL-Systeme, nutzen neue Distanzmessverfahren, um einen geringeren Energieverbrauch und höhere Impulsfolgefrequenzen zu realisieren.

AUS DEM WELTALL AUF DIE ERDE

Die SPL-Technologie wurde eigentlich für die Distanzmessung durch Erdsatelliten entwickelt. Dabei hat sie bereits unter Beweis gestellt, dass sie zur exakten Entfernungsmessung bei minimalem Laserenergiebedarf pro Impuls in der Lage ist. Anders als die gegenwärtig erhältlichen linearen LiDAR-Systeme enthalten SPL-Systeme einen Strahlteiler, der jeden Laserimpuls in ein Raster von 10 x 10 Teilstrahlen, sogenannte Beamlets, aufsplittet. Für jeden dieser 100 Teilstrahlen wird die Laufzeit der Photonen zum Erdboden und zurück einzeln gemessen. Die Erweiterung des SPL-Systems um hochempfindliche Photonendetektoren ermöglicht die Erfassung eines einzelnen reflektierten Photons mit wesentlich weniger Energieaufwand.

Das SPL-System kann 60.000 Impulse pro Sekunde generieren. Da jeder Impuls in 100 Teilstrahlen aufgesplittet wird, ergibt sich eine effektive Impulsfolgefrequenz von 6,0 MHz – ein Wert, der wesentlich höher liegt als jeder, der mit einem linearen LiDAR-System erzielt werden kann.

MEHRERE ECHOS MIT EINZELNEN PUNKTEN

Lineare LiDAR-Systeme erlauben die Aufzeichnung der Spitzen verschiedener Zielreflexionen innerhalb der kompletten reflektierten Wellenform, die nachbearbeitet werden kann, um mehrere Echos zu erhalten. Da SPL-Systeme keine kontinuierliche Welle erfassen, sondern die einzelnen Photonen zählen, ist keine vollständige Wellenform verfügbar. Trotzdem können dank der sehr kurzen Kanalrückgewinnungszeit von 1,6 Nanosekunden mehrere Echos abgerufen werden.

Das bedeutet, der Photonenzähler wird alle 1,6 Nanosekunden zurückgesetzt, um neue reflektierte Photonen des Teilstrahls zu erfassen. Diese werden dann als neues Echo betrachtet. Das Ergebnis ist ein LiDAR-System mit echtem Mehrfachecho, das kurze Unterbrechungen von 24 Zentimetern zwischen den Echos aufweist. Entsprechend können SPL-Systeme hochdichte Punktwolken mit 12 bis 30 Punkten pro Quadratmeter und zahlreichen Echos unterhalb der Vegetation erfassen.

Die Punktdichte ist daher umgekehrt proportional zur Flughöhe: Bei einer Verdoppelung der Flughöhe verdoppelt sich die abgedeckte Schwadbreite, während sich die Punktdichte halbiert. Ein SPL-Sensor liefert bei 200 Knoten in einer Höhe von 4.000 Metern über Grund eine Punktdichte von ca. 20 Punkten pro Quadratmeter.

DER NEUE LEICA SPL100

Bei der Kartierung aus der Luft bilden lineare LiDAR-Sensoren nach wie vor den Branchenstandard, doch für große Projekte setzt sich die SPL-Technologie langsam durch. Beispielsweise hat sich der U.S. Geological Service (USGS) mit Blick auf sein 3D Elevation Program (3DEP) bereits mit der SPL-Technologie beschäftigt. Ziel des 3DEP-Programms ist die systematische Erfassung ausführlicher Höhendaten durch hochwertige LiDAR-Messungen. Das System hat die Genauigkeitsvorgaben des USGS für QL1-Daten erfüllt. Bei Gegenden ohne Bewuchs entspricht das einer Präzision von besser als zehn Zentimetern in der Höhe. Vor diesem Hintergrund hat Leica Geosystems dieses Jahr mit dem Leica SPL100 das erste kommerzielle luftgestützte SPL-System präsentiert. Dieser jüngste Luftbildsensor von Leica Geosystems ist auch der erste, der seit der Übernahme von Sigma Space durch Hexagon 2016 auf den Markt gebracht wurde und auf Technologien dieses Unternehmens zurückgreift. Der neue SPL100 bildet außerdem die eine Hälfte der neuen Lösung zur Erfassung der Realität, RealTerrain. Die andere Hälfte ist HxMap, eine skalierbare Software für den Post-Processing-Workflow. Die neue Komplettlösung erlaubt die effiziente Erfassung und Auswertung von LiDAR-Datensätzen großer Flächen. Der durch den Einsatz von SPL100 und HxMap erzielte Effizienzgewinn ermöglicht die Nutzung der LiDAR-Technologie für häufigere und größere Projekte, beispielsweise für die Kartierung von dichtem Bewuchs und die Erkennung von Veränderungen.

„Mit der SPL-Technologie ermöglichen wir unseren Flugpartnern und Kunden eine bis zu zehnmal höhere Effizienz. Wir erzielen nun auf großen Flächen eine extrem hohe Punktdichte und bei der Digitalisierung einen Detailreichtum, der bislang ausgeschlossen war“, erklärt John Welter, President Content and Engineering Services and Geospatial Solutions Division bei Leica Geosystems. „Leica RealTerrain ist der logische nächste Schritt bei der Bereitstellung hochwertiger Luftbilddaten. Die neue Komplettlösung von Leica Geosystems bringt zum einen die Branche voran und erlaubt zum anderen einen Ausblick auf die Zukunft der Arbeit mit digitalen Realitäten.“

DIE ZUKUNFT DER LIDAR-TECHNOLOGIE

Die SPL-Technologie wird sich im Laufe der Zeit in puncto Genauigkeit und radiometrische Fähigkeiten weiterentwickeln. In der Folge wird es zu einer Erweiterung ihres Anwendungsbereichs kommen. Außerdem ist davon auszugehen, dass sich die effektive Impulsfolgefrequenz von SPL-Systemen weiter verbessert, genau wie dies bei der effektiven Impulsfolgefrequenz linearer Systeme in den vergangenen zwei Jahrzehnten der Fall war. Ausgehend von der derzeitigen Leistung von 6 Millionen Punkten pro Sekunde besteht potenziell die Möglichkeit, dass SPL-Systeme in weniger als zehn Jahren bereits eine Milliarde Punkte pro Sekunde erfassen. Die Reduktion der Kosten pro Punkt durch höhere effektive Impulsfolgefrequenzen wird in Zukunft die beste Möglichkeit sein, Projekte zu realisieren, welche hochdichte Messdaten großer Flächen erfordern.

Mit zunehmendem Einsatz der SPL-Technologie für immer mehr Anwendungen werden sich positive Veränderungen in unterschiedlichen Branchen zeigen – beispielsweise höhere Effizienz in der Ressourcenverwaltung, effektivere Infrastrukturplanung oder bessere Vorbereitung auf Naturkatastrophen.

Dieser Artikel ist in einer unterschiedlichen Fassung bereits im Fachmagazin GIM International erschienen.

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