Methodik

Abb 1. Das Prinzip der flugzeuggestützten Laserscannermessung

Laserscanning

Die Laserscannermessung ist ein flugzeuggestütztes Verfahren zur topographischen Geländeaufnahme. Sie ist gekennzeichnet durch einen weitgehend automatisierten Meßablauf mit vollständig digitaler Datenaufzeichnung und anschließender rein computerbasierter Auswertung. Die Erfassung großer Gebiete mit einer hohen Punktdichte bei hoher Präzision kann damit zügig und kostengünstig erfolgen.

Prinzip des Laserscannermessung

Bei der Laserscannermessung werden von einem im Flugzeug eingebauten System in regelmäßigen Abständen Laserimpulse ausgesendet, welche vom Erdboden und den darauf befindlichen Objekten reflektiert werden. Durch Laufzeitmessung wird die Entfernung zwischen dem Laser und der Geländeoberfläche bestimmt. Der Laserimpuls wird zudem quer zur Flugrichtung durch einen rotierenden Spiegel (Scanner) abgelenkt. Dadurch wird bei der Laserscannermessung eine Fläche (z.B. 730m Streifenbreite bei 1000m Flughöhe und ±20° Scanwinkel) durch Meßpunkte abgedeckt.

Das Laserscannersystem vereinigt die drei aufeinander abgestimmten Meßsensoren GPS (Global Positioning System), Inertiales Navigationssystem (INS) und Laserdistanzmessung zu einem komplexen Meßsystem. Ein Bordcomputer steuert die Einzelkomponenten und speichert die Daten zeitsynchronisiert ab. Die dreidimensionalen Laserpunkte werden mit Hilfe von räumlichen Vektoren berechnet, deren Anfangspunkte durch GPS, deren Richtung durch INS und deren Längen durch Entfernungsmessung bestimmt werden

Eine charakteristische Systemeigenschaft ist der, im Vergleich zu Bildflügen, erweiterte Befliegungszeitraum. Grundsätzlich können Laserscannerbefliegungen sowohl zu jeder Jahreszeit als auch zu jeder Tages- und Nachtzeit durchgeführt werden, vorausgesetzt, zwischen dem Flugzeug und der zu erfassenden Oberfläche befinden sich keine Hindernisse (z.B. Wolken, Niederschlag). Da in den meisten Fällen die Erdoberfläche erfaßt werden soll, bieten sich wegen den dann günstigen Vegetationsverhältnissen (kein/wenig Laub und Bodenbewuchs) die Monate November bis April an.

Generell wird beim Laserscanningverfahren in einem vergleichbar kurzen Zeitraum eine Punktdichte gemessen, die mit keinem anderen Verfahren erreicht werden kann. Die Laserscannermessung ist eine wirtschaftliche Alternative zur topographischen Geländeaufnahme in Anwendungsgebieten, in denen konventionelle Verfahren schwierig, unmöglich oder unwirtschaftlich (z.B. in Waldgebieten oder im Wattenmeer) sind. Bei einer konstant hohen Genauigkeit der Punkte (Sigma=15cm) können somit Produkte geliefert werden, die die Vorteile des Laserscanningverfahrens Genauigkeit, Schnelligkeit und Flexibilität bei geringen Kosten widerspiegeln.

Anwendungsbereiche

Die Möglichkeiten, die sich aus den Ergebnissen der Laserscannerbefliegung ergeben, sind vielfältig. So unterschiedlich die einzelnen Fachrichtungen der Auftraggeber sind (z.B. Vermessungsämter, Küstenschutz, Forstwirtschaft, Wasser- und Schiffahrtsverwaltungen, Geowissenschaften), so vielfältig können die Höhendaten verwendet werden. Im folgenden werden einige klassische Anwendungsbereiche für DHM's aufgeführt:

• Topographische Geländeaufnahmen
• Vegetationshöhenbestimmungen
• Wattenmeervermessung und Küstenschutz
• Erfassung von Überschwemmungsgebieten; Hochwasserschutz und Baumaßnahmen in Flußbereichen
• Neigungsmodelle; Erfassung von Erosionsflächen
• Gletschervermessung; Lawinenschutz
• Erstellung von digitalen Stadtmodellen
• Trassierungen für Straßen-, Gleis-, Pipeline- und Leitungsbau
• Überwachung von Hochspannungsfreileitungen
• Volumenkontrolle, z.B. im Tagebau und bei Deponien

Für diese unterschiedlichsten Anwendungsbereiche können digitale Modelle der Geländefläche sowie von Objektoberflächen (z.B. Stadtmodelle, Vegetationsmodelle) in verschiedenen Gitterweiten zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Ausgabeformaten für die gewonnen Informationen (Dateien mit Boden- oder Vegetationspunkten, Höhenprofile, Höhenlinienkarten oder Hangneigungskarten).

Die Durchführung eines Laserscannerprojekts gliedert sich in verschiedene Phasen, die mit den Begriffen Vorbereitung und Planung, Befliegung, Auswertung und Endprodukt charakterisiert werden können. Für die einzelnen Arbeitsschritte werden Informationen vom Auftraggeber benötigt.

Projektplanung

Hauptfunktion der Projektplanung und Vorbereitung ist die Zusammenstellung, Sichtung und Kontrolle aller benötigten Informationen. Bereits für die Angebotserstellung werden Angaben zum Gebiet (Lage, Größe, Form) und zur erforderlichen Punktdichte benötigt. Zusätzlich müssen vom Auftraggeber geodätische Grundlagen geliefert und Angaben zu den GPS-Bodenstationen (Einmessungsskizzen und 3D-Koordinaten der Referenzpunkte im WGS84) gemacht werden. Um einen reibungslosen Projektablauf gewährleisten zu können, sollten idealerweise alle Informationen, nach Möglichkeit digital, schon vor der Befliegung vorliegen.

Befliegung

Vor der eigentlichen Flugoperation steht die Vorbereitung der Befliegung in Form einer Flugplanung. Die gewünschte Punktdichte bestimmt Meßfrequenz, Scanrate, Flughöhe und Streifenabstand. Aus den Parametern Streifenabstand, Größe und Form des Operationsgebietes sowie den Koordinaten der Kontrollflächen ergeben sich die Anzahl und Lage der zu fliegenden Streifen. Zu diesem Zeitpunkt wird auch eine Karte (Maßstab 1:50.000 bis 1:100.000) des Projektgebietes benötigt, aus der topographische Besonderheiten, Höhenunterschiede sowie die Lage der Bodenstationen hervorgehen. Auf der Grundlage aller Informationen wird mit Hilfe eines speziellen Bildflugplanungsprogrammes die Befliegung am PC simuliert. Über eine PCMCIA Datacard werden die Flugdaten an den Navigationscomputer im Flugzeug übergeben.

Vor dem Start werden eine Initialisierung des Systems durchgeführt sowie die Systemparameter entsprechend der Flugplanung eingestellt. Während des Flugs werden Laserscanner und GPS-Empfänger im Flugzeug bedient und überwacht. Die Steuerung des Flugzeugs erfolgt mit Hilfe von GPS-gestützter Navigation unter Verwendung eines CCNS (Computer Controlled Navigation System).

Simultan zur Befliegung erfolgt die Datenaufzeichnung von mindestens zwei GPS-Boden stationen kontinuierlich im 1-Sekunden Takt. Der maximale Abstand zwischen den Bodenstationen und dem Flugzeug im Projektgebiet sollte 50km nicht überschreiten. Die GPS-Bodenstationen können sowohl vom Auftragnehmer als auch vom Auftraggeber bereitgestellt und betreut werden. Aus operationellen Gründen sind Permanentstationen dem Einsatz von mobilen GPS-Empfängern auf geodätischen Punkten vorzuziehen. Die Datenformate Ashtech, Sercel und Trimble sowie das markenunabhängige Format RINEX können bearbeitet werden.

Auswertung

Die Auswertung der bei der Befliegung gewonnenen Daten gliedert sich in verschiedene, überwiegend computerbasierte Bearbeitungsschritte. Es kann zwischen Vorbereitung, Datenaufbereitung, GPS-Auswertung, Systemkalibrierung, Berechnung der Koordinaten aller Laserpunkte im Landessystem und automatischer Klassifizierung der Laserpunkte unterschieden werden. Bei der Auswertung ist der Arbeitsaufwand abhängig von Gebietsgröße, Punktdichte und Anzahl der Flugtage.

Zur Vorbereitung gehören die Berechnung und Überprüfung folgender geodätischer Grundinformationen:

• Koordinatensystem für die Datenlieferung (geodätisches Datum, Ellipsoid, Abbildungsart, Meridianstreifen, ...)
• Datumstransformationsparameter für das Projektgebiet oder mindestens vier gebietsnahe Punkte mit Koordinaten im WGS84 und im lokalen Koordinatensystem
• Informationen über das Geoid im Projektgebiet (z.B.: Geoidundulation für regelmäßiges Punktraster im ASCII Format)

Die GPS-Daten des Flugzeugempfängers und der Bodenstationen werden zunächst einzeln dekodiert und auf Vollständigkeit (kontinuierliche Datenaufzeichnung) hin überprüft. Die folgende Berechnung des Flugwegs basiert auf einem Modell zur relativen kinematischen Positionsbestimmung unter Verwendung von doppelten Differenzen der Phasenbeobachtungen.

Die Systemkalibrierung mit Hilfe der Kontrollflächen wird mittels einer empirischen Genauigkeitsanalyse der Laserpunkte überprüft. Die Genauigkeitsanalyse basiert auf einem Vergleich der Laserpunkte im Überlappungsbereich der Streifen (relativ) und mit der vom Auf traggeber erfaßten Kontrollflächen (absolut). Ideal für eine terrestrisch bestimmte Kontrollfläche sind großflächige, ebene Areale mit einer guten Reflektivität, wie z.B. Sportplätze.

Die Berechnung der Laserpunkte erfolgt für das gesamte Projektgebiet im Landessystem. Ergebnis ist ein Datensatz mit Laserpunkten, der auf Vollständigkeit kontrolliert wird. Anschließend werden die Laserpunkte automatisch klassifiziert, wobei jedem Laserpunkt ein Attribut (z.B. Boden- oder Vegetationspunkt) zugewiesen wird.

Graphisch interaktive Überarbeitung

Das Ergebnis der automatischen Klassifizierung kann durch graphisch interaktives Editieren mit einem speziell entwickelten Programmodul für das CAD Programmpaket Micro Station verfeinert werden. Die automatische Klassifizierung hat bereits ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erreicht. Maximal 1o/oo der gesamten Laserpunkte bedürfen in der Regel einer graphisch interaktiven Überarbeitung. Es handelt sich hierbei meistens um Punkte, die durch den Filteralgorithmus als Geländepunkte klassifiziert wurden, obwohl sie auf Bauwerken oder in Vegetationsschichten liegen. Dies kann z.B. bei sehr großen Bauwerken auftreten, wie Fabrikanlagen oder in Jungwaldschonungen, in denen der Laserstrahl nicht bis auf den Erdboden vorgedrungen ist. In beiden Fällen sind für größere Bereiche keine Punkte auf der tatsächlichen Geländefläche vorhanden. Der Algorithmus kann folglich auch nicht zwischen erfaßter Oberfläche und Geländefläche unterscheiden. Es kann auch vereinzelt vorkommen, daß Geländepunkte als sonstige Punkte deklariert, d.h. herausgefiltert werden. Dies kann bei bewachsenen Dämmen auftreten.

Außerdem können je nach Aufgabenstellung Punkte enthalten sein, die nicht der Modellvorstellung entsprechen oder der Modelldefinition nach nicht zur Modellfläche gehören. So vernachlässigen die digitalen Höhenmodelle der Landesvermessung die Vegetation, temporäre Oberflächenformen sowie einen großen Teil der Kunstbauten. Aufschüttungen für Brücken sind Bestandteil des DHM, die Brückenkörper selbst aber nicht. Im Gegensatz dazu sind die Kunstbauten für Stadtmodelle und die Vegetation für die Forstwirtschaft wesentliche Bestandteile. Für diese graphisch interaktive Editierung ist der Einsatz digitaler Karten oder Orthophotos im Maßstab 1:500 bis max. 1:25.000 sinnvoll.

Ergebnisse

Klassifizierte Laserpunkte mit dreidimensionalen Koordinaten werden als primäres Ergebnis aus den Laser-Entfernungs-, GPS- und INS-Messungen erhalten. Unter Verwendung des Programms SCOP sind Digitale Gelände- oder Oberflächenmodelle daraus abgeleitete Standardprodukte. Darüber hinaus können u.a. folgende Produkte geliefert werden:

• Koordinaten und/oder graphische Darstellung der Flugwege
• Bodenpunkte oder sonstige Punkte (Vegetation, Bauwerke, ...)
• Graphische Ausgabe z.B. der Boden- oder Vegetationspunkte z.B. im DGK5 Blattschnitt
• Punkte des Oberflächenmodells (jeweils die höchsten Punkte innerhalb einer Gitterweite vorgegebener Größe)
• Residuen der Laserpunkte (als Anhalt für die Bewuchshöhen)
• Digitale Modelle (Höhen-, Gelände- und/oder Oberflächenmodelle)
• Bruchkanten
• Höhenprofile
• Höhenlinienkarten
• Hangneigungskarten

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