Airborne Laserscanning (ALS)

Aktives Fernerkundungsverfahren ( LiDAR, Light Detection and Ranging) mit Hilfe flächenhaft abtastender Sensoren, das von einem Luftfahrzeug aus zur direkten Erfassung der topographischen Geländeoberfläche dient. Grundsätzlich ist die Funktionsweise dieser Fernerkundungstechnologie mit der eines Echolotes zu vergleichen. Die Entfernungsmessung beruht dabei auf der Messung der Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und der Reflexion des zurückkommenden Impulses verstreicht.

Diese Technik, die u. a. zur Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen dient, hat in der Geoinformatik eine große Bedeutung erhalten: Die senkrecht unter dem Trägerflugzeug montierten Messinstrumente strahlen einen gepulsten oder kontinuierlichen Laserimpuls ab, der bei einer Flughöhe von z. B. 1.000 Metern und Lichtgeschwindigkeit 6,671 Mikrosekunden für die gesamte Messstrecke benötigt. Die zurückgelegte Zeit zwischen Aussenden und Empfang der Signale wird benutzt, um die Entfernung zwischen Sensor und Oberfläche zu bestimmen. Die äußere Orientierung, d.h. die Position und die Lage des Sensors im Raum errechnet sich aus einem GPS-System und einem inertialen Navigationssystem. Zusammen mit der Scanwinkelmessung lässt sich für jeden Reflexionspunkt des Laserimpulses auf der Erdoberfläche die Position ableiten.

Es wird unterschieden in gepulste Laser und in permanent messende Laser, die für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet werden.

Die direkte Erfassung der topographischen Geländeoberfläche mit profilierenden oder scannenden Lasersensoren hat in den vergangenen Jahren ihre Leistungsfähigkeit insbesondere in Waldgebieten mehrfach durch Testflüge unter Beweis gestellt. Mit der kommerziellen Verfügbarkeit von flächenhaft abtastenden Lasersensoren, sogenannten Laserscannern, ist der Übergang von der früheren linearen zur flächendeckenden Erfassung der Geländeoberfläche möglich. Der Vorteil der Laserscanning-Techniken ist in der vollständigen digitalen Weiterverarbeitung zu sehen, die dann off-line im Büro geschieht.

Gepulste Laser bieten die Möglichkeit, die erste und letzte Reflektion des ausgesandten Signals getrennt zu messen. Daher kann bei einer Messung im Wald, aufgrund der hohen Durchdringungsraten durch Laub- und Nadelwaldbestände, zwischen dem Bodenprofil (letzte Reflektion) und dem Bedeckungsprofil (erste Reflektion) unterschieden werden. Dieses Prinzip liegt beim permanent messenden Continuous Wave Laser nicht vor. Er ist damit ungeeignet für Waldgebiete, da er eine mittlere Höhe zwischen Waldboden und Laubfläche liefern wird.

Hinsichtlich des Scanprinzips kann noch zwischen Scannern mit kippenden oder rotierenden Spiegeln bzw. mehrfach nebeneinander liegenden Laserdioden, wobei jeder Diode eine bestimmte Messrichtung zugewiesen wird, differenziert werden. Die Öffnungswinkel für die flächenhafte Abtastung liegen bei etwa 10 Grad. Bei Flughöhen von 1.000-1.500 m sind Genauigkeiten in der Lage von 1 m und in der Höhe von 0,1-0,3 m zu erreichen. Die erreichbare Genauigkeit wird im Wesentlichen durch die Genauigkeit der Sensorpositionierung/-orientierung mittels GPS und INS limitiert. Da i.d.R. 4 Punkte pro m² vorliegen, kann daraus ein repräsentativer Punkt für eine Rasterzelle der Größe 1×1 m berechnet werden. Ergebnis ist z.B. ein Geländemodell in Rasterform mit der Rasterzellengröße von 1×1 m. Diese Raster-DGM, kombiniert mit digitalen Orthophotos sind ideale Datenquellen für 3-D-Stadtmodelle, für Senderstandortplanung im Mobilfunk, für Hochwassersimulation, für Waldgebietskartierung und Virtual Reality-Szenen.