Punktwolken

Mit dem Release von AutoCAD 2011 wurde ein neues Punktwolkenobjekt eingeführt. Doch was sind eigentlich Punktwolken? Welchen Zusammenhang haben sie mit LiDAR und Laserscanning? Welche Datenprodukte können aus diesen Rohdaten erstellt werden und für welche Anwendungsgebiete eignen sich diese? Auf diese und weitere Fragen versucht der folgende Artikel in kurzer Form - ohne Anspruch auf Vollständigkeit - Antworten zu liefern.

Was sind Punktwolken?

Punktwolken sind das Ergebnis von Laserscanning Messungen, bei denen die Oberflächengeometrie des Geländes oder jene von Gegenständen mittels Laserstrahlen digital erfasst wird. Dabei entsteht eine diskrete Menge von dreidimensionalen Abtastpunkten, die aufgrund ihrer üblicherweise grossen Anzahl als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden dabei aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt.

Was ist Laserscanning?

Es gibt verschiedene Methoden von Laserscanning. Die für die Fachbereiche Geomatik, Geodäsie, Photogrammetrie und Geographie am wichtigsten ist die Laseraltimetrie – in der Praxis häufig auch als LiDAR Mapping (Light Detection And Ranging) bezeichnet.

Bei der Laseraltimetrie werden die Objekte mit Hilfe von punktweisen Entfernungsmessungen erfasst. Es gibt terrestrisches Laserscanning, bei dem ein Messgerät z. B. vor einem Gebäude installiert und das Objekt damit punktweise abgetastet wird. Daneben gibt es das Luft gestützte Laserscanning (Airborne Laserscanning), bei dem die Sensoren in einem Flugzeug oder Hubschrauber installiert werden. Dieses Verfahren dient im Allgemeinen zur Erfassung von Geländehöhen um daraus beispielsweise Gelände-, Gebäude- und Oberflächenmodelle abzuleiten und ersetzt zunehmend die klassische Photogrammetrie.

Ein Laserscanner, der neben der dreidimensionalen Position (Koordinaten) auch die Intensität des reflektierten Signals erfasst, wird abbildender Laserscanner genannt. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von den aufgenommenen Oberflächen reflektierten Laserlichtes erfolgt bei heutigen Lasermessystemen in 16-bit-Graustufen. Im Ergebnis erhält man ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweißfotos.

Die Messgenauigkeit beträgt bei diesem System horizontal ca. 20cm und vertikal weniger als 10cm.

Im Unterschied zum Radar, das Mikrowellen und Radiowellen zur Messung einsetzt, verwendet LiDAR wesentlich kürzere Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums, typischerweise die Bereiche Ultraviolett, sichtbar und Infrarot.

Wie funktioniert LiDAR?

Als aktives Messsystem durchdringen LiDAR Pulse die Wolken und funktionieren auch in der Nacht oder im Schatten.

Moderne Scanner sind in der Lage, nebst der 3D Koordinate ferner auch Eigenschaften über die Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit, Dichte, Intensität, Neigung, etc.) zu erfassen. LiDAR Daten können über das LAS Format – einem Standard der Amerikanischen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung – ausgetauscht werden.

Anwendungsgebiete:

Laserscanning Messungen sind Rohdaten, die entsprechend aufbereitet, als Grundlage für zahlreiche Anwendungsgebiete eingesetzt werden können:

• Modellierung von virtuellen Städten und Landschaftsansichten auf der Basis von digitalen Gelände- und Oberflächenmodellen
• Monitoring von Infrastukturanlagen (Strassenbeläge, Bahngeleise, Freileitungen, etc.)
• Dokumentation und Planung der Flächennutzung auf der Basis von Bodenbedeckung und Bodennutzung
• Dokumentation von Fassaden zur Restauration und Sanierung von Gebäuden
• Sichtbarkeitsanalysen (z.B. Sendemasten)
• Dokumentation von Hochwasserereignissen
• Hydrologische und hydraulische Modellierungen
• Analyse der Vegetationsschicht und Berechnung von Biomasseindikatoren

Punktwolken in den Autodesk Produkten

• AutoCAD 2011 stellt Werkzeuge bereit, um Punktwolken Dateien einzulesen und zu indizieren, sie darzustellen und abzufragen. Es werden bis zu 2 Mia. Punkte in Punktwolken unterstützt. Davon können maximal 1.5 Mia. zur selben Zeit angezeigt werden. Punktwolkendateien umfassen typischerweise zwischen 5 und 500 Mio. Punkte.
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• AutoCAD Map 3D 2011 und AutoCAD Civil 3D 2011 erweitern die Punktwolken-Werkzeuge von AutoCAD mit wertvollen Zusatzfunktionalitäten. So können Anwender u.a.:
• Punktwolken auf der Basis der LAS-Klassifikation stilisieren
• Punktwolken räumlich filtern
• Punktwolken aufgrund der Höhe und der Dichte klassifizieren
• aus den Punktwolken Geländemodell erstellen (Rastergrids in Map 3D, TIN’s in Civil 3D)
• Punktwolken in die Formate LAS, ASCII, SDF exportieren
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• AutoCAD Architecture beinhaltet dieselben Punktwolken-Werkzeuge wie AutoCAD.
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• Des weitern stehen umfangreiche API’s zur Manipulation der Punktwolkenobjekte zur Verfügung, anhand derer Anwendungsentwickler interessante Zusatzanwendungen entwickeln können.

Links:

• Youtube-Video: What's New in AutoCAD Map 3D 2011 - Point Cloud Functionality
• Wikipedia-Artikel: LiDAR
• Spezifikation der ASPRS zum LAS Format
• Firmenartikel zu Laseraltimetrie
• Blog: Lidar News
• Twitter: LiDAR