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3D-Vermessung: LiDAR VS Photogrammetrie

12 Juli 2018

Die Technologien LiDAR und Photogrammetrie nutzen unterschiedliche Techniken zur Vermessung von Objekten und Landschaften. Erfahren Sie jetzt mehr!

3D-Vermessung: LiDAR VS Photogrammetrie
Drohnen Dachvermessung per Photogrammetrie

LiDAR VS Photogrammetrie

Im Bereich der Vermessungen und Inspektionen mit Drohnen kursieren aufgrund aktueller Entwicklungen Missverständnisse und Mythen. Es geht um die Technologien LiDAR und Photogrammetrie, beide Vermessungstechniken unterscheiden sich so sehr, wie sie sich ähneln. Dabei eignen sich die Produkte für völlig unterschiedliche Einsatzgebiete.

Diese Faktoren beeinflussen die Auswahl

Im Vergleich zu traditionellen Methoden der Landüberwachung liefern beide Techniken zweifelsfrei schnellere Resultate mit höherer Datendichte. Beide Technologien messen alle sichtbaren Objekte ohne Interpolation. Die Entscheidung für ein System hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

  • Einsatzzweck
  • Umweltbedingungen
  • Abgabefristen
  • Budget

 

Die folgenden Informationen beschreiben die Stärken und Limitierungen von LiDAR und Photogrammetrie und helfen Käufern bei der Auswahl.

Wie funktionieren die Technologien?

LiDAR steht für „Light Detection and Ranging“ und basiert auf Laserstrahlen. Das System schießt Laser ab und misst die Zeit bis zur Rückkehr des Lichts. Es ist ein so genannter aktiver Sensor, da die Energiequelle ausgesendet wird.

Auf der anderen Seite handelt es sich bei Photogrammetrie um eine passive Technologie, die auf der Transformation von kartografischen Modellen in 2D zu 3D basiert. Für die Tiefenwahrnehmung kommen dieselben Prinzipien wie bei dem menschlichen Auge oder in 3D Videos zum Einsatz. Anwender können Objekte in drei Dimensionen betrachten und messen. Die Limitierung: Es lassen sich nur Punkte generieren, die sichtbar sind und somit vom Kamerasensor erfasst werden können.

 

Zusammengefasst: LiDAR misst mit Lasern. Photogrammetrie basiert auf Fotos, die die sich für Messungen weiterverarbeiten und kombinieren lassen.

Welche Informationen liefern Photogrammmetrie Berichte?

Bei diesen Berichten erhalten Sie farbige Modelle in 3D und 2D, was die visuelle Aufbereitung und Auswertung vereinfacht. RAW Bilder, Orthofotos, 3D-Punktwolken und Digital Surface Models füllen die Berichte mit wichtigen Informationen. Dabei verarbeitet das System Hunderte oder Tausende Aufnahmen. Die Pixelgröße (Ground Samping Distance) liegt unter 1 cm. Schmale Objekte wie Stromleitungen lassen sich mit der Technik jedoch weniger gut modellieren, geometrische Details sind weniger ausgeprägt.

 

Damit eignet sich Photogrammetrie besonders gut für Einsätze im Bereich

  • Gebäudevermessung
  • Bauinspektion
  • Landwirtschaft

Welche Informationen liefern LiDAR Berichte?

Die wichtigsten Informationen im LiDAR Bericht liefert die 3D-Punktwolke. Die Dichte der Wolke hängt von den Eigenschaften des Sensors (Scan-Frequenz und Wiederholungsrate) und den Flugparametern ab. Angenommen, der Scanner arbeitet in einer festen Rate, dann hängt die Dichte der Punktewolke von der Flughöhe und Geschwindigkeit der Drohne ab.

Unterschiedliche Einsatzszenarien erfordern unterschiedliche Wolken-Parameter, zum Beispiel ist zur Modellierung von Stromkabeln eine Wolkendichte von mehr als 100 Punkten pro Quadratmeter erwünscht. Für die Erstellung eines digitalen Modells von einer unbewohnten Fläche kann andererseits eine Dichte von zehn Punkten pro Quadratmeter ausreichen.

 

Außerdem wichtig: Der LiDAR Sensor erfasst Positionen ohne RGB-Farben, der Datensatz in schwarz-weiß kann schwer auszuwerten sein. Zudem können Spiegelungen der Technik Probleme bereiten. Es besteht die Möglichkeit, die Farben in der Nachbearbeitung per Klassifizierung von Punkten oder mithilfe von Fotos anzupassen.

Da die Laserstrahlen die Vegetation durchdringen können Sie mit der Technologie das darunter liegende Terrain erfassen. Passende Einsatzmöglichkeiten für LiDAR sind unter anderem:

  • Digitale Landschaftsmodelle (Digital Terrain Models)
  • Modellierung schmaler Objekte wie Stromleitungen und Mobilmasten
  • Verwendung bei schlechten Lichtverhältnissen und in der Nacht

Die Präzision

Bei der Bewertung der Genauigkeit gilt es immer zwei Dimensionen zu beachten: relativ und absolut. Bei Messungen zur relativen Präzision geht es um die relative Position von Objekten zueinander. Absolute Genauigkeit bezieht sich auf die Unterschiede zwischen dem Standort von Objekten und ihrer wahren Position auf der Erde. Das ist auch der Grund, warum ein Bericht eine hohe relative aber geringe absolute Genauigkeit haben kann.

Die Präzision bei Messungen mit Photogrammetrie

Mit dieser Technologie lässt sich eine Genauigkeit von ein bis drei Zentimetern erreichen, dies setzt aber große Erfahrung voraus. Für hohe absolute Genauigkeit ist die Verwendung der RTK/PPK Technologie und von GCPs nötig. Eine absolute Genauigkeit von fünf bis zehn Zentimetern lässt sich allerdings bereits mit einer Drohne der DJI-Phantom-Klasse und einigen GCPs erreichen, was für viele Einsatzzwecke ausreicht.

Die Genauigkeit von LiDAR

LiDAR zählt zu den genauesten Vermessungstechnologien auf dem Markt. Dies gilt besonders für Lasermessungen auf der Erdoberfläche, bei denen der Sensor am Boden positioniert ist. Solch ein Aufbau ermöglicht eine Präzision von weniger als einem Zentimeter. Die Genauigkeit mit Luftaufnahmen umzusetzen ist allerdings schwieriger, da der Sensor immer in Bewegung ist. Aus diesem Grund ist LiDAR beim Einsatz mit Drohnen immer mit einer IMU (Inertial Motion Unit) und einem GNSS-Receiver gekoppelt, die Informationen zur Position, Rotation und Bewegung liefern. Diese Daten werden in Echtzeit miteinander kombiniert und ermöglichen eine relative Genauigkeit von 1 bis 3 cm. Für eine hohe absolute Genauigkeit brauchen Sie zusätzlich ein bis zwei Ground Control Points (GCPs) und einige Checkpoints zur Verifizierung.

Datenerhebung, Verarbeitung und Effizienz

Bezüglich der Geschwindigkeit bei der Datenerhebung unterscheiden sich beide Technologien deutlich. Bei Photogrammetrie ist eine Überlappung der Bilder von 60 bis 90 Prozent erforderlich, bei LiDAR reicht meist eine Überlappung der Fluglinien von 20 bis 30 Prozent. Aus diesem Grund erfolgt die Datenerhebung mit LiDAR wesentlich schneller. Zudem benötigt Photogrammetrie für hohe absolute Genauigkeit mehr GCPs, was zusätzlichen Zeitaufwand und Mehrkosten bedeutet.

Außerdem ist die Datenverarbeitung bei LiDAR sehr schnell. Die Rohdaten benötigen nur wenige Minuten der Kalibrierung zur Generierung des finalen Produkts. Bei Photogrammetrie nimmt die Verarbeitung der Bilder am meisten Zeit in Anspruch, zusätzlich ist ein leistungsstarker Computer mit vielen Gigabyte freiem Speicherplatz erforderlich. Die Datenverarbeitung kann zehnmal länger dauern als die Erhebung.

Auf der anderen Seite benötigt die Punktwolke von LiDAR für die Inspektion von Stromkabeln oder Ähnlichem eine zusätzliche Klassifikation. Diese ist ebenfalls zeitaufwendig und Anwender benötigen häufig teure Software wie zum Beispiel TerraScan.

Die Kosten von LiDAR und Photogrammetrie

Bei der Betrachtung der Kosten sind mehrere Dinge zu berücksichtigen. Zuerst die Hardware: Das UAV LiDAR Sensor-Set bestehend aus Scanner, IMU und GNSS kostet zwischen 50.000 bis 300.000 US-Dollar. Damit das Fluggerät auf keinen Fall abstürzt und der teure Sensor beschädigt wird, investieren die meisten zusätzlich zwischen 25.000 bis 50.000 US-Dollar für eine geeignete Drohne. So entstehen Gesamtkosten von bis zu 350.000 US-Dollar.

 

Für Photogrammetrie ist nur eine Drohne mit Kamera nötig. Für 2.000 bis 5.000 US-Dollar gibt es professionelle Drohnen wie die DJI Inspire. Für einen Preis von 5.000 bis 20.000 US-Dollar gibt es Sets mit RTK/PPK wie die DJI Matrice 600 oder Modelle mit festen Flügeln wie die Sensfly eBee und PrecisionHawk Lancaster.

 

Ein weiterer Kostenfaktor ist die Software zur Datenverarbeitung. Bei LiDAR gehört diese meist zum Lieferumfang. Für die Punkt-Klassifizierung kann Software von Drittanbietern wie TerraScan zum Einsatz kommen, eine einzelne Lizenz kostet 20.000 bis 30.000 US-Dollar. Für die Photogrammetrie Software fallen monatliche Kosten von rund 500 US-Dollar an.

Weitere wichtige Faktoren sind natürlich die benötigten Arbeitskräfte und die Zeit. Hier hat LiDAR klar die Nase vorn, denn die Datenverarbeitung erfolgt deutlich schneller. In der Folge sind angebotene Dienstleistungen mit Photogrammetrie in der Regel wesentlich günstiger, da die Kosten für die teure Hardware entfallen. Je nach Einsatzgebiet können sich die zusätzlichen Kosten aber durch folgende Einsparungen lohnen.

Fazit

Beide Technologien haben ihre Anwendungsfälle und Limitierungen. Keine Technik ist besser als die andere, keine kann alle Einsatzgebiete abdecken. Photogrammetrie ist die ideale Option für Projekte, die visualisierte Daten erfordern, wie bei Dachvermessungen, in der Landwirtschaft und bei Inspektionen von Gebäuden der Fall. LiDAR ist sicherlich für die Vermessung schmaler Objekte die richtige Wahl. Beide Techniken überzeugen bei richtiger Anwendung mit hohem Nutzen. Die Verfügbarkeit sollte mit künftig fallenden Preisen für Hardware und Software zunehmen. In den kommenden Jahren sind weitere bahnbrechende Entwicklungen zu erwarten. Wir halten Sie auf dem Laufenden!