Freitag, 5. Juli 2019 / Published in Technologie

UAV-Drohne mit LiDAR-Befliegung im Einsatz – Durchdringungsfähigkeit für Pflanzen und Vegetation

1 Übersicht
Mit der zunehmenden Verbreitung der LiDAR-Technologie – dank ihrer präzisen Reichweitenauflösung und hohen Winkelauflösung – lassen sich detailliertere Konturinformationen gewinnen. In den Bereichen Vermessung und Kartierung, automatisierte Häfen, Bergwerke, Baufahrzeuge sowie autonomes Fahren von Robotern, Verkehrsüberwachung, Sicherheit und anderen Feldern ist LiDAR mittlerweile ein unverzichtbares technisches Mittel zur Umgebungserfassung und Sicherheitsabsicherung geworden. In praktischen Anwendungsszenarien benötigen wir Produkte, die zuverlässig rund um die Uhr arbeiten können; die meisten LiDAR-Geräte sind zudem für den Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen wie Regen, Nebel, Schnee, Staub, extremen Temperaturen sowie starkem Licht geeignet. Im Vergleich zur sichtbaren Lichtdatenerfassung weist LiDAR weniger Defizite auf und verfügt über eine gewisse Filter- und Optimierungsfunktion, wodurch Störungen effektiv reduziert und sowohl die Datenqualität als auch die Ergebnisgenauigkeit sichergestellt werden.

Unser luftgestütztes Laser-Radar-System D-LiDAR200 nutzt das kostengünstige Kartierungs-Laserscanning-Produkt RIEGL mini VUX-1UAV. Die wichtigsten Merkmale sind folgende:

(1) Dieses Produkt basiert auf der fortschrittlichen Wellenformverarbeitungstechnologie von RIEGL, bei der hochgeschwindigkeitsfähige Laserentfernungsmessdaten durch Digitalisierung der Wellenform und Echtzeit-Wellenformverarbeitung erfasst werden;

(2) Die hervorragende Mehrfachzielerkennungsfähigkeit ermöglicht hochpräzise Messergebnisse selbst unter ungünstigen atmosphärischen Bedingungen;

(3) Das Sichtfeld beträgt 360° und ermöglicht die Erfassung von Panoramascandaten;

(4) Ein schmaler Messstrahl mit geringer Divergenz gewährleistet eine hohe räumliche Auflösung;

(5) Funktion zur Mehrfachzielerkennung – bis zu 5 Ziel-Echos pro Laserpuls.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Testergebnisse, Erfahrungen und Erkenntnisse unseres Unternehmens mit dem luftgestützten Laserradarsystem D-LiDAR200 hinsichtlich seiner Fähigkeit zur Durchdringung von Baumkronen, damit alle daraus lernen, technische Anwendungen vorhersehen und Entscheidungsprozesse unterstützen können. Zunächst werde ich kurz das für die Baumkronendurchdringung relevante Wissen zu Mehrfach-Echos (Multi-Echo) erläutern:

Ein typisches gepulstes TOF-Verfahren (Time-of-Flight-Entfernungsmessung) funktioniert folgendermaßen: Das Laserradar sendet einen Laserimpuls aus. Wenn dieser vom Objekt reflektiert wird und zum Empfänger zurückkehrt, lässt sich die Entfernung zum Objekt anhand der Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Empfang berechnen.

● Einzel-Echo: Sobald der Empfänger ein Echosignal mit einer Intensität erhält, die die Auslöseschwelle erreicht, gilt das Objekt als erkannt und der berechnete Abstandswert wird ausgegeben. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass bei Vorhandensein anderer teilweise durchlässiger Materialien zwischen Scanner und Messobjekt – wie beispielsweise Regen, Schnee oder Staub, die in Außenbereichen häufig vorkommen – ein Teil der Laserenergie bereits vorzeitig reflektiert wird; sobald diese Reflexion die Auslöseschwelle erreicht, wird sie fälschlicherweise als Messobjekt interpretiert und führt zu Messfehlern.

● Mehrfach-Echos: Aufbauend auf dem Einzel-Echo-Prinzip nutzt die Laserempfangseinheit eine integrierte Hochgeschwindigkeitsschaltung zur Abtastung und Analyse der rückkehrenden Laserwellenform. Störende externe Echos und gültige Objektechos weisen unterschiedliche Wellenform- und Zeitverteilungsmerkmale auf, sodass das Signal des eigentlichen Messobjekts präzise identifiziert werden kann.

Der Einsatz der Mehrfach-Echo-Technologie ermöglicht es der Laser-Messung, Glas, Regen-, Nebel- und Staubpartikel zu durchdringen und gewährleistet somit Zuverlässigkeit auch unter widrigen Außenbedingungen. Die Echoinformationen eines LiDAR-Systems umfassen zwei Aspekte: die Anzahl der Echos sowie die Art der Echos. Bei der Anzahl der Echos unterscheidet man zwischen Einzel-Echo und Mehrfach-Echo; bei der Art der Echos unterscheidet man zwischen erstem Echo, mittlerem Echo und letztem Echo. Im freien Gelände weist der Boden üblicherweise nur ein einzelnes Reflexionsecho auf. Ist er jedoch durch Bäume verdeckt, so wird bei einigen Laserpunkten das letzte Echo infolge von Lücken in der Baumkrone vom Boden reflektiert, wodurch sich ein letztes Echo innerhalb der Mehrfach-Echo-Kette ergibt. Dieses letzte Echo korreliert im Allgemeinen mit den Merkmalen eines Bodenpunkts. Gebäude bestehen meist aus massiven Materialien wie Stahlbeton, wodurch Laserstrahlen kaum eindringen können; daher treten hier normalerweise nur Einzel-Echos auf, während an Gebäuderändern jedoch mehrfache Reflexionen auftreten können. Vegetationspunkte weisen aufgrund vorhandener Lücken ebenfalls mehrfache Reflexionen auf: Das erste Echo entsteht an der Oberfläche der Baumkrone, das mittlere Echo an Ästen und Blättern, und das letzte Echo trifft im Allgemeinen durch Lücken hindurch auf den Boden.

Typischer Fallbericht

Das luftgestützte D-LiDAR200-Laserscanning-System weist einen klaren Vorteil bei der Durchdringung von Baumkronen auf, da es Mehrfachzielerkennung (bis zu fünf Zielreflexionen pro Laserimpuls) ermöglicht und somit technische Unterstützung für eine präzise Erfassung des Geländes unter Vegetationsbedeckung bietet. Im Folgenden werden mehrere typische praktische Ingenieuranwendungen vorgestellt, um den Einsatz von LiDAR unter unterschiedlichen Vegetationsbedeckungen sowie die Durchdringungsfähigkeit der Punktwolken zu erläutern.

2.1 Qingdao (Schilfsumpfland): Unbeeinflusst und durchdringbar.