Was ist Lichterkennung und Reichweite (LiDAR)?
Wie möchtest du deinen Zauberstab schwingen und plötzlich herausfinden, wie weit alles von dir entfernt ist?
Zauberstäbe waren nicht nötig. So funktioniert LiDAR (Light Detection and Ranging). Natürlich ohne Zauberstab!
Lassen Sie uns die Lichterkennung und -reichweite entmystifizieren. Hoffentlich werden Sie nach dem Lesen von Null zu einem LiDAR-Helden.
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LiDAR 101
LiDAR ist grundsätzlich eine Abstandstechnologie. Von einem Flugzeug oder Hubschrauber aus senden LiDAR-Systeme Licht auf den Boden.
Dieser Impuls trifft auf den Boden und kehrt zum Sensor zurück. Dann misst es, wie lange es dauert, bis das Licht zum Sensor zurückkehrt.
Durch die Aufzeichnung der Rücklaufzeit misst LiDAR die Entfernung. Tatsächlich erhielt LiDAR auch seinen Namen – Light Detection and Ranging.
Wie LiDAR funktioniert
LiDAR ist ein Sampling-Tool. Damit meine ich, dass es über 160.000 Impulse pro Sekunde sendet. Für jede Sekunde erhält jedes 1-Meter-Pixel etwa 15 Impulse. Aus diesem Grund erzeugen LiDAR-Punktwolken Millionen von Punkten.
LiDAR-Systeme sind sehr genau, weil sie in einer Plattform gesteuert werden. Zum Beispiel beträgt die Genauigkeit nur etwa 15 cm vertikal und 40 cm horizontal.
Während sich ein Flugzeug in der Luft bewegt, scannen LiDAR-Einheiten den Boden von einer Seite zur anderen. Während einige Impulse direkt unter dem Nadir liegen, bewegen sich die meisten Impulse in einem Winkel (Off-Nadir). Wenn also ein LiDAR-System die Höhe berechnet, berücksichtigt es auch den Winkel.
Typischerweise hat lineares LiDAR eine Schwadbreite von 3.300 ft. Aber neue Technologien wie Geiger LiDAR können Breiten von 16.000 ft scannen. Diese Art von LiDAR kann im Vergleich zu herkömmlichem LiDAR viel breitere Fußabdrücke abdecken.
Was kann LiDAR erzeugen?
1. Anzahl der Retouren
Stellen Sie sich vor, Sie wandern in einem Wald. Dann schaust du in den Himmel. Wenn Sie Licht sehen können, bedeutet dies, dass auch LiDAR-Impulse durchgehen können. Dies bedeutet auch, dass LiDAR die nackte Erde oder kurze Vegetation treffen kann.
EINE erhebliche menge an licht dringt die wald baldachin nur wie sonnenlicht. Aber LiDAR trifft nicht unbedingt nur den nackten Boden. In einem bewaldeten Gebiet kann es von verschiedenen Teilen des Waldes reflektiert werden, bis der Puls schließlich auf den Boden trifft.
Wenn Sie LiDAR verwenden, um nackte Bodenpunkte zu erhalten, röntgen Sie nicht durch die Vegetation. Stattdessen spähst du wirklich durch die Lücken in den Blättern. Wenn es die Zweige trifft, erhalten Sie mehrere Treffer oder Renditen.
2. Rückkehrnummer
In einem Wald geht der Laserpuls nach unten. Wenn Licht auf verschiedene Teile des Waldes trifft, erhalten Sie die „Rückkehrnummer“. Zum Beispiel erhalten Sie die 1., 2., 3. Rückgabe, bis sie schließlich auf den nackten Boden trifft. Wenn kein Wald im Weg ist, trifft er nur die Bodenoberfläche.
Manchmal reflektiert ein Lichtimpuls nichts. Wie bei Bäumen kann ein Lichtimpuls mehrere Renditen haben. LiDAR-Systeme können Informationen von der Oberseite der Überdachung durch die Überdachung bis zum Boden aufzeichnen. Dies macht LiDAR wertvoll für die Interpretation der Waldstruktur und Form der Bäume.
3. Digitale Höhenmodelle
Digitale Höhenmodelle (DEM) sind topografische Modelle der Erdoberfläche. Wenn Sie nur Ground Returns verwenden, können Sie eine DEM erstellen. Dies unterscheidet sich jedoch von digitalen Geländemodellen (DTM), da DTMs Konturen enthalten.
Mithilfe einer DEM können Sie zusätzliche Produkte generieren. Zum Beispiel können Sie erstellen:
- Steigung (Anstieg oder Abfall in Grad oder Prozent)
- Aspekt (Neigungsrichtung)
- Hillshade (schattiertes Relief) Beleuchtungswinkel)
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4. Digitale Oberflächenmodelle
Wie Sie gelernt haben, blickt LiDAR durch den Wald. Schließlich erreicht das Licht den Boden. Dann bekommen wir eine nackte Erde zurück. Aber was ist mit der ersten Rückkehr, die den Baum trifft?
Ein digitales Oberflächenmodell (DSM) beinhaltet Erhebungen von natürlichen und gebauten Oberflächen. Zum Beispiel fügt es Höhen von Gebäuden, Baumkronen, Stromleitungen und anderen Funktionen hinzu.
5. Baldachin Höhe Modell
Baldachin Höhe Modelle (CHM) geben sie die wahre höhe von topographische merkmale auf die boden. Wir nennen diese Art von Höhenmodell auch ein normalisiertes digitales Oberflächenmodell (nDSM).
Nehmen Sie zunächst das DSM, das natürliche und gebaute Merkmale wie Bäume und Gebäude enthält. Subtrahieren Sie als nächstes diese Erhebungen von der nackten Erde (DEM). Wenn Sie die beiden subtrahieren, erhalten Sie eine Oberfläche von Merkmalen, die die tatsächliche Höhe vom Boden darstellt.
6. Lichtintensität
Die Stärke der LiDAR-Renditen variiert mit der Zusammensetzung des Oberflächenobjekts, das die Rendite widerspiegelt. Die reflektierenden Prozentsätze werden als LiDAR-Intensität bezeichnet.
Aber mehrere Faktoren beeinflussen die Lichtintensität. Zum Beispiel beeinflussen Reichweite, Einfallswinkel, Strahl, Empfänger und Oberflächenzusammensetzung (insbesondere) die Lichtintensität. Ein Beispiel ist, wenn der Impuls weiter weg gekippt wird, nimmt die Rückholenergie ab.
Die Lichtintensität ist besonders nützlich, um Merkmale in der Landnutzung / -deckung zu unterscheiden. Zum Beispiel stechen undurchlässige Oberflächen in Lichtintensitätsbildern hervor. Aus diesem Grund eignet sich die Lichtintensität gut für die Bildklassifizierung wie die objektbasierte Bildanalyse.
7. Punktklassifizierung
Es gibt eine Reihe von Klassifizierungscodes, die die American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) für die LiDAR-Punktklassifizierung zuweist.
Klassen können beispielsweise Boden, Vegetation (niedrig, mittel und hoch), Gebäude und Wasser usw. umfassen. Manchmal kann die Punktklassifizierung in mehr als eine Kategorie fallen. Wenn dies der Fall ist, kennzeichnen Anbieter diese Punkte normalerweise mit sekundären Klassen.
Anbieter können LiDAR klassifizieren oder nicht. Die Codes werden durch den reflektierten Laserpuls halbautomatisch erzeugt. Nicht alle Anbieter fügen dieses LAS-Klassifizierungsfeld hinzu. Eigentlich wird es normalerweise vorher im Vertrag vereinbart.
Wo sind offene und freie LiDAR-Quellen?
LiDAR-Daten sind eine seltene, wertvolle Ressource. Aber dank offener Datenprogramme werden sie immer weiter verbreitet.
Wo sind also die LiDAR-Daten? Hier ist eine Liste der 6 besten kostenlosen LiDAR-Datenquellen, mit denen Sie Ihre Suche starten können.
Wenn Sie nicht finden, wonach Sie suchen, müssen Sie höchstwahrscheinlich LiDAR-Daten kaufen. Anbieter fliegen LiDAR im Allgemeinen kommerziell per Hubschrauber, Flugzeug und Drohne.
Was sind die Arten von LiDAR?
Lassen Sie uns die Arten von LiDAR-Systemen untersuchen. Sie unterscheiden sich in:
- Größe des Footprints
- Wellenlänge
- Positionsausrichtung
Profiling LiDAR
Profiling LiDAR war das erste System, das jemals in den 1980er Jahren verwendet wurde. Es spezialisierte sich auf geradlinige Merkmale wie Stromleitungen. Das LiDAR sendet einen einzelnen Impuls in einer Zeile aus. An einem festen Nadir misst es die Höhe entlang eines einzelnen Querschnitts.
Kleine Footprint LiDAR
Kleine footprint LiDAR ist was wir vor allem verwenden heute. Es scannt in einem Scanwinkel von etwa 20 Grad. Dann bewegt es sich vorwärts und rückwärts. Wenn es über 20 Grad hinausgeht, kann das LiDAR-Instrument beginnen, die Seiten von Bäumen zu sehen, anstatt gerade nach unten.
- Topografisches LiDAR kartiert das Land typischerweise mit Nahinfrarotlicht.
- Bathymetrisches LiDAR verwendet wasserdurchdringliches grünes Licht, um Meeresboden- und Flussbetthöhen zu messen.
Großer Abdruck LiDAR
Großer Abdruck LiDAR verwendet volle Wellenformen mit einem Abdruck 20m. Die Genauigkeit ist jedoch gering, da die Impulsrückgabe abfallendes Gelände umfassen kann. Zwei bemerkenswerte Experimente der NASA verwendeten diese Art von LIDAR:
- SLICER (Scannen Lidar Imager von Vordächern durch Echo Recovery)
- LVIS (Laser) Imaging Sensor)
Bodengestütztes LiDAR
Bodengestütztes LiDAR sitzt auf einem Stativ und scannt die Hemisphäre. Es eignet sich besonders gut zum Scannen von Gebäuden. Es gibt aber auch Anwendungen in der Geologie, Forstwirtschaft und im Bauwesen.
Geiger-Modus LiDAR
Geiger-Modus LiDAR ist immer noch in einem Erfahrungszustand. Aber es ist spezialisiert auf Scannen in großer Höhe. Da es eine extrem breite Schneise hat, kann es im Vergleich zu anderen Arten von LiDAR mehr Boden abdecken.
LiDAR-Systemkomponenten
Es gibt 4 Hauptteile eines luftgestützten LiDAR. Sie arbeiten zusammen, um hochpräzise, verwertbare Ergebnisse zu erzielen:
LiDAR-SENSOREN: Während sich das Flugzeug bewegt, scannen Sensoren den Boden von einer Seite zur anderen. Die Impulse liegen üblicherweise in grünen oder nahen Infrarotbändern vor.
GPS-EMPFÄNGER: GPS-Empfänger verfolgen die Höhe und den Standort des Flugzeugs. Diese Spuren sind wichtig für genaue Gelände- und Höhenwerte.
TRÄGHEITSMESSEINHEITEN (IMU): Während Flugzeuge fliegen, verfolgt IMUs seine Neigung. LiDAR-Systeme verwenden die Neigung, um den Einfallswinkel des Pulses genau zu messen.
DATENREKORDER: Während LiDAR die Oberfläche abtastet, zeichnet ein Computer alle Impulsrückläufe auf. Dann werden diese Aufnahmen in Höhen übersetzt.
Volle Wellenform vs diskret
LiDAR-Systeme speichern LiDAR-Renditen auf zwei Arten:
- Volle wellenform
- Diskrete LiDAR
Diskretes LiDAR
Stellen Sie sich vor, LiDAR-Impulse scannen durch ein Waldgebiet. Sie erhalten 1., 2., 3. kehrt zurück, weil der Puls mehrere Zweige trifft. Dann erhalten Sie einen großen und letzten Impuls durch die Rückkehr des nackten Bodens.
Wenn Sie die Daten als separate Rückgaben aufzeichnen, ist dies „discrete return LiDAR“. Kurz gesagt, diskrete LiDAR nimmt jede Spitze und trennt jede Rückkehr.
Volle Wellenform LiDAR
Wenn sie rekord die ganze rückkehr als eine kontinuierliche welle, diese ist volle-wellenform LiDAR. Sie zählen also einfach die Peaks, das macht es diskret.
Obwohl Vollwellenformdaten komplizierter sind, bewegt sich LiDAR in Richtung eines Vollwellenformsystems.
LiDAR-Projekte und -Anwendungen
Diese Liste der LiDAR-Anwendungen und -Anwendungen kratzt kaum an der Oberfläche. Zum Beispiel sind hier einige Möglichkeiten, wie wir LiDAR heute verwenden:
FORSTWIRTSCHAFT: Förster verwenden LiDAR, um Baumstruktur und -form besser zu verstehen.
SELBSTFAHRENDE AUTOS: Selbstfahrende Autos verwenden einen LiDAR-Scanner, um Fußgänger, Radfahrer, Stoppschilder und andere Hindernisse zu erkennen.
ARCHÄOLOGIE: Archäologen verwenden LiDAR, um quadratische Muster im Boden zu finden, die alte Gebäude und Pyramiden waren, die von Maya- und ägyptischen Zivilisationen gebaut wurden.
HYDROLOGIE: Hydrologen zeichnen Stromordnungen und Nebenflüsse von LiDAR ab.
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Zusammenfassung: Was ist LiDAR?
LIDAR (Light Detection and Ranging) verwendet Laser, um die Höhe von Merkmalen zu messen.
Es handelt sich um eine Entfernungstechnologie, die mit einer unglaublichen Genauigkeit und Punkten abtastet.
Es ähnelt Sonar (Schallwellen) oder Radar (Radiowellen), da es einen Impuls sendet und die Zeit misst, die für die Rückkehr benötigt wird. Aber LiDAR ist anders als Sonar und Radar, weil es Licht verwendet.
Wir haben die Lichterkennung und -reichweite mit diesem LiDAR-Leitfaden zusammengefasst. Sie können sich jetzt als LiDAR-Guru betrachten.