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Was ist Lidar & Arbeiten mit Photogrammetrie

Die LiDAR-Technologie konkurriert mit der Photogrammetrie, ergänzt sie aber auch - so geht's.

Entgegen der popkulturellen Wahrnehmung sind Laser nicht nur vernichtende Strahlen. Laser sind eine der präzisesten Möglichkeiten, Entfernungen zu messen. Dazu gehört auch LiDAR, das in den Verbraucher-Märkten mehr und mehr zugänglich wird. Bei der Pix4D-Technologie geht es um das Vermessen mithilfe von Bildern, aber auch LiDAR kann in den Workflow eingebunden werden. Hier erfahren Sie, wie sich LiDAR von der Photogrammetrie unterscheidet, aber auch, wie beide Hand in Hand arbeiten können.



Was ist LiDAR?

LiDAR ist ein Akronym für "Light Detection and Ranging", auch bekannt als 3D-Laserscanning. LiDAR wurde erstmals in den 1960er1 Jahren eingesetzt und dient der Entfernungsmessung auf der Basis von Laserlicht. Es funktioniert, indem ein Zielobjekt oder ein Raum mit einem Laser beleuchtet wird. Aus der Lichtlaufzeit zurück zum Sensor können so Entfernungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

LiDAR scanning survey results
Die detaillierte Punktwolke eines LiDAR (Bild von Daniel L. Lu)

3D-Laserscanning wird bereits in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, wobei die Anwendungen von mobilen bis hin zu terrestrischen und luftgestützten Datenerfassungsprojekten reichen. Da das Laserscanning Entfernungen genau misst, ist es sehr gut geeignet, um digitale 3D-Nachbildungen von Räumen, Objekten und Landschaften zu erstellen. In diesem Aspekt kann es mit der Photogrammetrie als Werkzeug zur Digitalisierung der Realität konkurrieren. LiDAR-Methoden erzeugen eine georeferenzierte und ungefärbte 3D-Punktwolke. Diese dichte Punktwolke ist sehr detailliert und erfasst oft kleine Objekte wie Kabel oder Drähte, die die Photogrammetrie nicht so leicht erkennen kann. Die Durchführung von LiDAR kann jedoch teuer sein, und es ist oft notwendig, ein spezialisiertes Laserscan-Unternehmen mit der Datenerfassung zu beauftragen.

Was ist Photogrammetrie?

Photogrammetrie ist der Prozess der Vermessung mithilfe von Bildern. Die aufgenommenen, sich überlappenden Bilder werden verarbeitet, um präzise Modelle des Umfelds zu erzeugen. Ihr Hauptzweck ist die Digitalisierung der Realität für Vermessungen und Kartierungen. Die frühe Photogrammetrie stützte sich auf hoch gelegene Aussichtspunkte oder Heißluftballons, um Luftbilddaten zu sammeln. Heutzutage werden neben bodennahen Bilderfassungen vermehrt Drohnen zur Erfassung von Vermessungsdaten eingesetzt. Die Photogrammetrie wird in einer Vielzahl von Branchen mit einer enormen Bandbreite von Anwendungen eingesetzt, von der forensischen Tatortkartierung bis hin zum Einsatz in der Präzisionslandwirtschaft.

Was ist der Unterschied zwischen LiDAR und Photogrammetrie?

Erstens hat LiDAR einen großen Vorteil gegenüber der Photogrammetrie: Es erzeugt sein eigenes Licht. Das bedeutet, dass es nicht von Wetterbedingungen wie Bewölkung und wechselnden Lichtverhältnissen beeinflusst wird, die die Datenerfassung aus der Luft für die Photogrammetrie stark stören können. Davon profitieren sowohl das terrestrische als auch das 3D-Laserscanning aus der Luft, während die Photogrammetrie mit Drohnen oder Handkameras bei schlechten Lichtverhältnissen beeinträchtigt wird.

Zweitens kann LiDAR die Zwischenräume zwischen dem Baumwerk durchdringen und kleine Details erfassen. Der Laserimpuls sieht durch die Blätter hindurch und liefert eine Messung direkt zum Baumstamm oder zum Boden unter dem Baum, während die Photogrammetrie auf Fotos angewiesen ist und nur das rekonstruiert, was an der Oberfläche sichtbar ist.

LiDAR schaffte es, mehr Punkte im Bereich der dichten Vegetation, sowie schmale Leitungen zu erfassen, die für die Photogrammetrie eine zu grosse Herausforderung darstellen können. Bildnachweis: Scandinavian Drone AB

Allerdings ist LiDAR oft teuer. Mit Photogrammetrie kann durch den Einsatz einer Vielzahl von Kameras eine grosse Bandbreite an Präzisionsgraden erzielt werden. Je nach Anforderung also auch mit Verbraucherkameras, und nicht ausschliesslich mit hochspezialisierten professionellen Geräten.

Darüber hinaus profitiert die Photogrammetrie von einer Reihe von Ausgabeformaten, einschließlich eingefärbten Punktwolken, texturierten Netzen und Orthomosaiken, während LiDAR nur eine Punktwolke erzeugt.

Wie können Photogrammetrie und LiDAR zusammenarbeiten?

LiDAR kann als Alternative zur Photogrammetrie zur Ausführung ähnlicher Aufgaben eingesetzt werden, z. B. um deren Ergebnisse zu verstärken. Durch die Verwendung beider Techniken in Kombination können Details erfasst werden, die der Luftbildphotogrammetrie möglicherweise entgangen wäre.

Ein Beispiel dafür ist Pix4Dsurvey, die neue Vektorisierungssoftware, die die Lücke zwischen Photogrammetrie und CAD schließt. Die Software ermöglicht es Anwendern, Punktwolkendaten aus unterschiedlichen Quellen zusammenzuführen, einschließlich LiDAR und Photogrammetrie. Durch den kombinierten Bezug auf die Originalbilder und die Punktwolke wird die Vektorisierung und Extraktion von Punkten, Polylinien, Polygonen und Oberleitungen genauer und schneller als je zuvor. Bei komplizierten Projekten, z. B. mit schmalen Objekten wie Stromleitungen, kann LiDAR helfen, die Lücken zu füllen, die bei photogrammetrischen Datenerfassungsmethoden möglicherweise übersehen werden. Pix4Dsurvey kann Photogrammetrie-Daten in Kombination mit terrestrischem Laserscanning verarbeiten.

A point cloud in Pix4Dsurvey
Eine Punktwolke in Pix4Dsurvey, die LiDAR und Photogrammetrie-Daten miteinander kombiniert

Bei der Vektorisierung wird ein Gebiet in Polylinien und Polygone zerlegt, um Punkte der Geometrie zu definieren. Als Ergebnis sind die endgültigen Vektordateien, die aus großen Punktwolkendaten aus Photogrammetrie und LiDAR abgeleitet werden, ingenieurstauglich.

Photogrammetrie und LiDAR in Aktion

LiDAR- und Photogrammetrie-Punktwolken sind oft massive Dateien, die aus Milliarden von Punkten bestehen. Die Manipulation und reibungslose Handhabung dieser Daten ist eine Herausforderung, die Pix4Dsurvey problemlos bewältigt.

Im folgenden Beispiel wurde eine Drohne eingesetzt, um Luftbilder einer Bahnstrecke in der Schweiz zu sammeln. Die mit Hilfe der Photogrammetrie erzeugte Punktwolke erfasste viele Details der Szene, aber nicht die Besonderheiten der Kabel auf dem Gleis oder der Metallpfosten, die sie tragen.

Point cloud of a railway track in Switzerland
Die LiDAR-Daten (grün überlagert) erfassen die Details, die bei der Photogrammetrie übersehen wurden

Die LiDAR-Daten zeichneten diese Details auf und füllten die Bereiche, die die Drohnenbilder nicht erfasst hatten. Als Ergebnis wurde ein vollständigeres Modell der Situation erstellt, das mehr Informationen enthüllte.

Was kommt als Nächstes?

Mit LiDAR ausgestattete Geräte werden immer verbreiteter und machen die Technologie für alle erreichbar, indem gängige Verbraucherprodukte in Geräte verwandelt werden, die für eine präzise 3D-Modellierung geeignet sind. Dies ist insbesondere beim iPad Pro 2020 und dem iPhone 12 Pro der Fall, für welche die Pix4Dcatch App optimiert wurde.

Der Arbeitsablauf für das terrestrische 3D-Scannen mit Pix4Dcatch ist einfach: Halten Sie das iOS-Mobilgerät hoch und gehen Sie um den Bereich von Interesse herum. Das Scannen erfolgt mit Echtzeit-3D-Meshing und gibt Live-Feedback über die Aufnahme der Bilder und die Fertigstellung der Szene. Pix4Dcatch zeichnet die GPS- und IMU-Daten auf und ermöglicht es, skalierte und georeferenzierte 3D-Ausgaben mit Pix4Dmapper oder Pix4Dcloud zu erstellen.

Pix4Dcatch srceenshot
Pix4Dcatch ermöglicht die Erzeugung präziser 3D-Modelle mit einem Handheld-Gerät

Der Einzug von LiDAR in den Verbrauchermarkt ist eine spannende Entwicklung für die 3D-Modellierung. Die punktgenaue Auflösung des 3D-Laserscannings in Kombination mit der Flexibilität und den vielfältigen Anwendungen der Photogrammetrie ermöglicht eine anhaltende Revolution in der professionellen Vermessungs- und Kartierungsbranche und sorgt für einen einfacheren Zugang zu wichtigen Informationen - und das mit höherer Genauigkeit als je zuvor.


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Referenzen

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