14. September 2023
„Light Detection and Ranging“, kurz LiDAR, ist eine Fernerkundungstechnologie, die Laserstrahlen nutzt, um in Echtzeit Entfernungen präzise zu messen und Bewegungen in einer Umgebung wahrzunehmen.
LiDAR-Daten können eingesetzt werden, um zahlreicher wertvolle Dinge aus den aufgezeichneten Daten zu erstellen – von detaillierten topografischen Karten bis hin zu den präzisen, dynamischen 3D-Modellen, die erforderlich sind, um ein autonomes Fahrzeug sicher durch eine Umgebung zu führen, die sich konstant und schnell verändernde. Zudem wird LiDAR-Technologie zur Bewertung von Gefahren und Naturkatastrophen wie Lavaströmen, Erdrutschen, Tsunamis und Überschwemmungen eingesetzt.
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LiDAR funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie Radar und Sonar. Diese beiden Begriffe sind heute so tief im Volksmund verankert, dass vielen Menschen gar nicht bewusst sind, dass es sich auch dabei um Abkürzungen handelt. Radar steht für „Radio Detection and Ranging“ und wird als Ortungssystem beispielsweise häufig von Schiffen und Flugzeugen verwendet, Sonar hingegen ist eine Abkürzung für „Sonic Navigation and Ranging“ und kommt vor allem in U-Booten zum Einsatz. Die vollen Namen dieser Technologien legen bereits nahe, dass zwischen den Ansätzen einige Unterschiede bestehen – sowohl in ihrer Funktionsweise als auch in ihrem Einsatzzweck. Alle drei senden Energiewellen aus, um Objekte zu erkennen und zu verfolgen. Der Unterschied besteht darin, dass Radar Mikrowellen und Sonar Schallwellen nutzt, während LiDAR reflektiertes Licht einsetzt. Dadurch kann LiDAR Entfernungen schneller, präziser und mit höherer Auflösung messen als die anderen beiden Systeme.
LiDAR-Komponenten
Ein typisches LiDAR-Instrument besteht aus mehreren Komponenten:
- Ein Laserscanner, der schnelle Impulse von Nah-Infrarot-Laserlicht aussendet
- Ein LiDAR-Sensor, der zur Erfassung und Sammlung der zurückkehrenden Lichtimpulse dient, und
- ein Prozessor zur Berechnung von Zeit und Entfernung und zur Erstellung des daraus resultierenden Datensatzes, der als LiDAR-Punkt-Cloud bezeichnet wird.
Damit die gemessenen Umgebungs- und Entfernungsdaten genau sind, müssen die Zeit- und Raummessungen exakt sein. Daher verwendet ein LiDAR-System auch eine präzise Zeitmessungselektronik, eine inertiale Messeinheit (IMU, ein Gerät zur Beschleunigungs-, Winkelgeschwindigkeits- und Orientierungsmessung) und GPS.
LiDAR-Messung
Das LiDAR-Instrument sendet gepulstes Laserlicht in die Umgebung aus. Diese Impulse bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit fort, prallen von umliegenden Objekten ab und kehren zum LiDAR-Sensor zurück. Der Sensor misst die Zeit, die jeder Impuls benötigt hat, um zurückzukehren, und berechnet daraus die zurückgelegte Strecke. Da die Geschwindigkeit des Laserlichts konstant ist – selbst bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ändert sich die Lichtgeschwindigkeit nicht –, lassen sich aus dieser „Flugzeit“ genaue Entfernungen berechnen.
Durch die Wiederholung des Prozesses und das Aussenden von Laserimpulsen über eine größere Fläche können Flugzeitmessungen an Milliarden von Einzelpunkten gesammelt und in Echtzeit zu einem so genannten LiDAR-Punkt-Cloud verarbeitet werden.
LiDAR-Datenanalyse und -modellierung
Die Daten durchlaufen mehrere Verarbeitungsphasen, die die LiDAR-Punktwolke Schritt für Schritt in eine 3D-Karte umwandeln. Zunächst werden sie dafür auf Richtigkeit und Vollständigkeit überprüft und „gereinigt“, um anomales Rauschen zu entfernen. Dieses Rauschen kann man sich vorstellen wie das Bildrauschen bei Fotos im Dunkeln: einzelne geringfügige Fehlmessungen, die entfernt werden müssen, um ein klares Bild zu erhalten. Anschließend können Dinge auf der Geländeoberfläche wie beispielsweise Gebäude, Flussufer und Baumkronen, algorithmisch identifiziert und klassifiziert werden.
Für eine grundlegendere Analyse können auch Algorithmen zum Downsampling der Punktwolke genutzt werden, die redundante Daten entfernen und ihre Dateigröße reduzieren. Die Daten werden anschließend in das dem Branchenstandard entsprechende Dateiformat LAS (oder LASer) konvertiert, das für den Austausch von dreidimensionalen x, y, z-Daten verwendet wird. So lassen sich die Daten problemlos von unterschiedlichen Anwendungen verwenden.
Nach der Konvertierung in LAS können die Punktwolkendaten visualisiert und in eine 3D-Karte des gescannten Terrains modelliert werden. In einer detaillierten Auflistung mögen die Prozesse überaus zeitintensiv klingen, werden in Wahrheit allerdings praktisch in Echtzeit durchgeführt. Bei einem sich bewegenden LiDAR-System, wie es in autonomen Fahrzeugen verwendet wird, laufen diese Berechnungen konstant und fortlaufend. Der Umfang der dabei entstehenden Daten ist entsprechend immens: Selbstfahrende Autos generieren und verarbeiten in einer einzelnen Betriebsstunde rund ein Terabyte an Daten.1
LiDAR-Systeme können je nach Plattform in zwei Haupttypen unterteilt werden: luftgestütztes LiDAR und terrestrisches LiDAR.
Luftgestütztes LiDAR
Luftgestützte LiDAR-Systeme, auch luftgestützte Laserscannersysteme genannt, verwenden LiDAR-Scanner, die an Luftfahrzeugen (üblicherweise an Hubschraubern oder Drohnen) montiert sind, um 3D-Modelle der Bodenoberfläche zu erstellen.
Die luftgestützte LiDAR-Kartierung ist zu einem wertvollen Tool für die Erstellung digitaler Höhenmodelle der Erdoberfläche geworden. Inzwischen hat sie die ältere und weniger genaue Methode der Photogrammetrie weitgehend ersetzt. Luftgestütztes LiDAR-Scanning wird häufig auch in der Forstwirtschaft eingesetzt, um Vermessungen der Baumkronen und topografische Geländemodelle der Bodenoberfläche des Waldes zu erstellen.
Zu den Typen der luftgestützten LiDAR-Technologien gehören:
Bathymetrisches LiDAR
Bathymetrisches LiDAR erfasst GIS-Daten in flachen Gewässern und entlang von Küstenlinien. Bathymetrisches LiDAR sendet grüne Laserstrahlen mit einer Wellenlänge aus, die Wasser durchdringen kann, um die Höhe des Meeresbodens digital zu messen. Typische LiDAR-Systeme hingegen verwenden infrarotes Laserlicht.
Weltraumbasiertes LiDAR
Weltraumbasiertes LiDAR wird von der NASA und anderen Weltraumbehörden für die Navigation von Raumfahrzeugen und die digitale Kartierung von Himmelskörpern verwendet. Auch zahlreiche autonome Fahrzeuge der NASA sowie der Hubschrauber Ingenuity auf dem Mars nutzen LiDAR zur Steuerung.
Terrestrisches LiDAR
Terrestrisches LiDAR bezeichnet ein bodenbasiertes LiDAR-System. Es wird häufig für die Erstellung von Terrain- und Landschaftskarten verwendet. Terrestrisches LiDAR kann zur Erfassung von lokalen Daten mit geringer Reichweite verwendet werden und ist daher ideal für die Kartierung kleinerer Gebiete mit hoher Präzision.
Zu den Arten von terrestrischem LiDAR gehören:
Statisches LiDAR
Einige terrestrische LiDAR-Systeme sind statisch – also an einem Ort fixiert – und werden für präzise und wiederholte LiDAR-Scans eines einzelnen Bereichs verwendet. Statisches LiDAR wird häufig an archäologischen Stätten, bei Bauprojekten sowie zur Risikobeurteilung eingesetzt. Es kann beispielsweise zur Überwachung der Bodenoberfläche eines aktiven Vulkans, einer Erdbebenstörung oder eines Überschwemmungsgebiets verwendet werden und so als Frühwarnsystem fungieren.
Mobiles LiDAR
Mobiles LiDAR ist eine Form von terrestrischem LiDAR, die LiDAR-Daten von einem fahrenden Fahrzeug sammeln kann. Mobile LiDAR-Systeme (MLS) sind für die Automobilindustrie bei der Entwicklung von Fahrerassistenz-Systemen und des autonomen Fahrens unverzichtbar: Die Datenerfassung durch Lichterkennung und Entfernungsmessung in Echtzeit ermöglicht es selbstfahrenden Autos, Straßen und Infrastrukturen schnell, genau und kosteneffizient zu identifizieren. Sie fungieren praktisch als die „Augen“ des Autos, das seine Umgebung in Echtzeit wahrnimmt, um sie zu navigieren und auf Gefahren und Hindernisse zu reagieren.
LiDAR-Scans werden in zahlreichen Branchen auf vielfältige Art und Weise eingesetzt. Sie können detaillierte Geländemodelle der Bodenoberfläche und des Meeresbodens erstellen oder präzise, hochauflösende Echtzeit-Visualisierungen von sich bewegenden Objekten (oder von sich bewegenden Objekten aus) generieren.
LiDAR-Sensoren werden eingesetzt, um landwirtschaftliche Nutzflächen und deren Topografie zu vermessen, die Biomasse von Nutzpflanzen zu schätzen und Bodeneigenschaften zu erkennen. Dafür kartieren sie Variationen der Tiefe, Neigung, Feuchtigkeit und Ausrichtung der Flächen. Zudem wird LiDAR zur Steuerung autonomer landwirtschaftlicher Fahrzeuge genutzt.
LiDAR wird eingesetzt, um anspruchsvolle Schlachtfeldvisualisierungen zu erstellen – selbst in dicht besiedelten städtischen Umgebungen oder durch Wolken hindurch. Außerdem kommt es bei der Geländekartierung, Zielverfolgung, Minenjagd und Missionsplanung zum Einsatz.
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Moderne Fahrerassistenzsysteme (Advanced driver-assistance systems, ADAS) und autonome Fahrzeuge wie selbstfahrende Autos nutzen 3D-LiDAR-Kartendaten, um zu „sehen“ und auf Straßen sowie in anderen Umgebungen zu navigieren. Die Geschwindigkeit der LiDAR-Scans erlaubt es den Fahrzeugen, in Echtzeit auf ihre Umgebung zu reagieren. Diese dringend notwendige blitzschnelle Reaktionszeit wäre mit anderen Systemen nicht möglich.
LiDAR kann für genaue Messungen der Windgeschwindigkeit verwendet werden und wird zudem von Flughäfen zur Verfolgung von Flugzeugen und Fremdkörpern eingesetzt. So kann beispielsweise in Echtzeit festgestellt werden, dass ein Flugzeug von seinem geplanten Kurs abkommt oder eine Drohne in den Bereich des Flughafens eindringt.
Bathymetrisches LiDAR verwendet grünes Laserlicht, um Wasser zu durchdringen und digitale Höhenmodelle von Flachwasserreservoirs, Flüssen und Meeresböden in Küstennähe zu erstellen. Diese können Erosion messen, Wildtierlebensräume kartieren und das Risiko in Überschwemmungsgebieten einschätzen. Diese können Erosion messen, Wildtierlebensräume kartieren und das Risiko innerhalb von Überschwemmungsgebieten einschätzen.
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LiDAR kann eine Baustelle schnell und genau vermessen, das Materialvolumen berechnen, Sicherheitsinspektionen durchführen und mögliche Gefahren erkennen.
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Die LiDAR-Technologie wird für die Bewertung von Windressourcen, die Suche nach Öl und Gas sowie das Vegetationsmanagement im Rahmen der Instandhaltung von Stromleitungen eingesetzt.
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LiDAR wird zur Nachbildung von Umgebungen in Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Anwendungen verwendet.
LiDAR liefert nicht nur detaillierte topografische Karten, sondern kann auch zur Messung der strukturellen Merkmale von Bäumen, wie z. B. des Blattflächenindex und des Volumens von Baumkronen, verwendet werden. Daher fungiert es als wertvolles Instrument für die Vegetationsverwaltung. Es wird ebenfalls zur Überwachung und Eindämmung von Waldbränden eingesetzt.
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Minen und Steinbrüche sind schwer zugänglich, was ihre Vermessung, Kartierung deutlich erschwert und Risiken für die Arbeitssicherheit darstellt. Daher wird LiDAR wird zunehmend für diese Zwecke eingesetzt. LiDAR-Scans können auch für Volumenmessungen in Steinbrüchen verwendet werden.
Mithilfe von LiDAR-Technologie können 3D-Modelle von Objekten für die Fertigung erstellt werden. LiDAR wird auch für die Qualitätskontrolle verwendet, um Anomalien und Mängel zu erkennen.
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LiDAR kann verwendet werden, um das Blätterdach des Waldes zu scannen und die Vegetationsdichte, die dort lebenden Arten und die Gesundheit des Ökosystems zu überwachen. So kann Vegetation identifiziert werden, die ein hohes Risiko für die Technologie von Versorgungsunternehmen und andere Infrastrukturen darstellen könnte.
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LiDAR kann verwendet werden, um das Blätterdach des Waldes zu scannen und die Vegetationsdichte, Arten und Gesundheit zu überwachen und so Vegetation zu identifizieren, die ein hohes Risiko für Versorgungsunternehmen und andere Infrastrukturen darstellen könnte.
LiDAR-Sensoren werden verwendet, um Temperatur, Wolkenabdeckung, Windgeschwindigkeit, Luftdichte und andere atmosphärische Parameter zu messen. Darüber hinaus stellen sie wichtige Daten für Wettervorhersagemodelle bereit.
Forschungsteams entwickeln kontinuierlich neue Systeme und Algorithmen, um die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Effektivität von LiDAR zu erhöhen, es wird kontinuierlich daran gearbeitet, die LiDAR-Technologie kleiner, leichter und erschwinglicher zu machen. Dies würde eine breitere Übernahme in verschiedenen Branchen und Anwendungen ermöglichen, darunter Unterhaltungselektronik, Robotik und Smart-Home-Geräte. LiDAR wird für autonome Fahrzeuge immer beliebter und aller Erwartung nach in der Zukunft der Automobile eine bedeutende Rolle spielen.
Da sich die Technologie konstant verbessert und die Kosten immer weiter sinken, werden die Anwendungen von LiDAR voraussichtlich drastisch zunehmen.
Ressourcen
Fußnoten
1David Edwards, „On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving“, Robotics and Automation, 21. Juli 2022.