Was ist also LiDAR? LiDAR steht für „light detection and ranging“, und je nach Einsatz kann die Technologie alles von Höhenunterschieden, Vertiefungen und Vegetation bis hin zu einzelnen Gebäuden und ganzen Städten erfassen. Die resultierenden 3D-Modelle können anschließend gedreht, untersucht und erkundet werden.
Beliebte Kartendienste wie Google Earth ermöglichen Nutzern, sich durch unglaublich realistische digitale Versionen realer Umgebungen zu bewegen. Ihr Nutzen beschränkt sich jedoch auf die Visualisierung.
Der eigentliche Wert von LiDAR liegt in den Messdaten hinter den Bildern. Ingenieurwesen, Bauwesen und Stadtplanung sind allesamt auf zuverlässige Daten über die Form und Abmessungen großer Flächen angewiesen. Nehmen wir eine neue Straße durch bergiges Gelände. Ihre Länge entspricht nicht der Luftlinie zwischen ihren beiden Endpunkten; jeder Anstieg und jedes Gefälle verlängert sie – ebenso wie den Material- und Zeitbedarf eines Projekts.
Die Vermessung von Strecken zu Fuß wäre langsam und unpräzise. Eine luftgestützte LiDAR-Vermessung erfasst das Gelände in einem Bruchteil der Zeit. Zudem lassen sich Daten mit heutigen 3D-Scanlösungen und Branchensoftware problemlos zusammenführen und analysieren.
Wie funktioniert LiDAR?
LiDAR-Sensoren scannen ihre Umgebung durch das Aussenden von Laserlicht. Trifft dieses Licht auf eine Oberfläche, wird ein Teil davon zurück zum Gerät reflektiert, das das zurückkehrende Signal erfasst. Aus diesem Signal berechnet das System die Entfernung zur Oberfläche, entweder indem es misst, wie lange das Licht für die Rückkehr benötigte, oder indem es analysiert, wie sich die zurückkehrende Welle gegenüber der ausgesendeten verschoben hat.
Jeder LiDAR-Sensor verfügt über zwei Kernkomponenten: einen Sender und einen Empfänger. Beim gebräuchlichsten Ansatz sendet der Sender eine schnelle Folge von Laserpulsen, häufig Hunderttausende oder Millionen pro Sekunde, in Richtung des gescannten Bereichs. Jeder Puls wird von der getroffenen Oberfläche reflektiert oder zurückgestreut, und der Empfänger nimmt das Rücksignal auf. Die Zeiterfassungselektronik misst die Verzögerung zwischen Aussendung und Rückkehr. Je länger die Verzögerung, desto weiter entfernt ist die Oberfläche. Diese Methode wird als Laufzeit-Scanning bezeichnet.
Ein Scanner auf einem Stativ weiß genau, wo er steht. Ein Scanner auf einem Flugzeug, Fahrzeug oder Rucksack weiß das nicht, daher ergänzen mobile und luftgestützte Systeme eine inertiale Messeinheit (IMU), die Beschleunigungsmesser und Gyroskope kombiniert, zusammen mit Satellitenpositionierung, um die Position und Ausrichtung des Sensors im Moment der Aussendung jedes Pulses aufzuzeichnen.
Software kombiniert die Entfernungsmessungen mit diesen Positionsdaten, um eine Punktwolke zu erzeugen: Millionen von Punkten, jeweils mit eigenen X-, Y- und Z-Koordinaten, die die gescannte Oberfläche dreidimensional beschreiben.
Was ist Phasenverschiebungs-Scanning?
Der zweite Hauptansatz ist das Phasenverschiebungs-Scanning. Statt diskreter Pulse sendet ein phasenbasierter Scanner einen kontinuierlichen, modulierten Laserstrahl aus und vergleicht die Phase des zurückkehrenden Lichts mit der des ausgesendeten Strahls. Die Größe der Verschiebung zeigt die zurückgelegte Entfernung an.
Viele Jahre lang war die Wahl zwischen den beiden Methoden ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Reichweite. Phasenbasierte Scanner erfassten Hunderttausende Punkte pro Sekunde, während frühe Laufzeitgeräte nur einige Tausend schafften. Laufzeit-Scanning konnte dagegen wesentlich weiter messen, von etwa einem Meter bis zu einem Kilometer oder mehr.
Diese Lücke hat sich inzwischen verringert. Moderne Laufzeitscanner wie Artec Ray II erfassen bis zu zwei Millionen Punkte pro Sekunde. Phasenbasierte Geräte wie der FARO Focus bleiben im kurzen bis mittleren Entfernungsbereich schnell und präzise. Für längere Distanzen bleibt pulsbasierte Laufzeitmessung der Standard. Riegl-Scanner können beispielsweise aus über einem Kilometer Entfernung messen.
Wie genau sind LiDAR-Scanner?
Je nach Scanner und Bedingungen reicht die LiDAR-Genauigkeit von Submillimeterwerten bis zu mehreren Zentimetern. Mehrere Faktoren beeinflussen die Datenqualität.
Der erste ist die Kalibrierung. Jeder Scanner wird anhand von Zielen mit bekannter Reflexionsfähigkeit in bekannten Entfernungen kalibriert, und das daraus resultierende Fehlermodell wird in seiner Software gespeichert. Keine Kalibrierung kann jede Oberfläche abdecken, auf die ein Scanner im Einsatz trifft, daher werden Messwerte unbekannter Materialien mithilfe von Werten von Oberflächen mit ähnlichen Eigenschaften korrigiert.
Der zweite Faktor ist das Entfernungsrauschen, also die Streuung einzelner Messungen um die tatsächliche Entfernung zu einem Objekt. Es nimmt mit der Entfernung zu und variiert je nach Reflexionsfähigkeit der Oberfläche: Dunkle, glänzende oder transparente Materialien liefern schwächere oder weniger vorhersehbare Signale als matte, helle Materialien.
Drittens verschleißen mechanische Komponenten und driften mit der Zeit, weshalb Hersteller eine regelmäßige Neukalibrierung empfehlen. Schließlich spielt auch die Umgebung eine Rolle. Wind, direkte Sonneneinstrahlung, Temperatur und Feuchtigkeit in der Luft können das Lasersignal stören und die Datenqualität beeinträchtigen.
Ein hochwertiger terrestrischer Scanner wie Artec Ray II gibt eine 3D-Punktgenauigkeit von 1.9 mm bei 10 m und ein Entfernungsrauschen von 0.4 mm an. Das SLAM-basierte LiDAR Artec Jet erreicht eine Spitzengenauigkeit von ±10 mm, während luftgestützte Systeme zur Abdeckung großer Flächen typischerweise mit einigen Zentimetern arbeiten.
Arten von LiDAR
LiDAR-Scanner lassen sich in drei große Kategorien einteilen: stationär, luftgestützt und mobil. Jede davon gewichtet Genauigkeit, Abdeckung und Geschwindigkeit unterschiedlich.
Stationäre LiDAR-Scanner
Terrestrische, auf Stativen montierte 3D-Scanner können zur Erfassung von Räumen, Gebäuden, Industrieanlagen oder Fahrzeugen eingesetzt werden, einschließlich Autos, Schiffen und Flugzeugen. Die Nachrüstung von Rohrleitungen, die Planung von Gebäudereparaturen oder das Reverse Engineering eines Flugzeugrumpfs erfordern präzise Abmessungen großer Flächen, oft hoch über dem Boden. Auf Stativen montierte Scanner können diese ohne Gerüste erfassen.
Dieselben Geräte kommen in Architektur, Ingenieurwesen und Bauwesen, der Luft- und Raumfahrt, der Denkmalpflege und der Forensik zum Einsatz, wo Ermittler sie zur Dokumentation von Tat- und Unfallorten verwenden.
Der Arbeitsablauf ist einfach. Scanner werden auf einem Stativ vor dem Zielobjekt oder -bereich aufgestellt. Das Gerät wird zwischen mehreren Positionen bewegt, bevor die Scans zu einer einzigen Punktwolke ausgerichtet werden.
Die Registrierung stützte sich traditionell auf Ziele wie Schachbrettmuster oder Kugeln, die rund um den Standort platziert werden. Sie beschleunigen die Ausrichtung und verbessern die Genauigkeit, benötigen jedoch Zeit für die Platzierung. Mehrere aktuelle Scanner können ohne sie arbeiten. Artec Ray II nutzt ein visuell-inertiales System, das seine Bewegung zwischen den Positionen zur Vorausrichtung verfolgt. Weitere führende stationäre Scanner sind Leica RTC360, FARO Focus, Trimble X9 und Z+F Imager.
Vorteile: Stationäre Scanner bieten die höchste Genauigkeit und das geringste Rauschen aller LiDAR-Kategorien, wodurch ihre Daten für Ingenieurwesen, Messtechnik und Inspektion geeignet sind. Die Ergebnisse sind hochgradig reproduzierbar, und feste Positionen erzeugen dichte, gleichmäßig verteilte Punktwolken.
Nachteile: Die Abdeckung eines großen oder komplexen Standorts erfordert viele Aufstellungen, die jeweils eine Minute oder länger dauern, weshalb die Feldarbeit langsam sein kann. Die Ausrüstung ist schwerer als handgeführte Alternativen, und jede Position benötigt Sichtkontakt, sodass hinter Hindernissen Lücken bleiben, wenn keine zusätzlichen Scans durchgeführt werden.
Luftgestützte LiDAR-Scanner
Montiert an Flugzeugen, Hubschraubern oder zunehmend auch Drohnen erfassen luftgestützte LiDAR-Systeme Gelände über Hunderte Quadratkilometer hinweg. Sie sind das Standardwerkzeug für topografische Kartierung, Hochwassermodellierung, Forstwirtschaft und Korridorvermessungen für Straßen, Eisenbahnen, Pipelines und Stromleitungen. Da Laserpulse Lücken im Walddach passieren können, kann luftgestütztes LiDAR auch den Boden unter dichter Vegetation kartieren – etwas, das Luftaufnahmen nicht leisten können.
Zu den Herstellern in diesem Bereich zählen Riegl und Leica Geosystems für bemannte Luftfahrzeuge sowie DJI, dessen Sensoren der Zenmuse-L-Serie häufig auf Vermessungsdrohnen eingesetzt werden. Einige mobile Scanner lassen sich ebenfalls für Flüge anpassen: Artec Jet kann beispielsweise sowohl an einer Drohne montiert als auch von Hand getragen oder an einem Zubehörteil befestigt werden, sei es ein Rucksack, eine Stange, ein Käfig, ein Auto oder ein Roboter.
Vorteile: Luftgestützte Systeme decken riesige Flächen schnell ab und erreichen Gelände, das zu Fuß unzugänglich oder gefährlich ist. Sie können zudem die Bodenoberfläche durch Vegetation hindurch erfassen.
Nachteile: Die Genauigkeit wird in Zentimetern und nicht in Millimetern gemessen, was für die meisten groß angelegten Projekte ausreicht, jedoch nicht für detailliertes Engineering.
Mobile LiDAR-Scanner
Mobiles LiDAR liegt zwischen den beiden anderen Kategorien und tauscht einen Teil der Genauigkeit eines stationären Scanners gegen deutlich höhere Geschwindigkeit und Abdeckung ein. Fahrzeuggestützte Systeme werden zur Kartierung von Straßen und städtischen Umgebungen während der Fahrt mit Verkehrsgeschwindigkeit eingesetzt.
Die bekannteste mobile Anwendung ist das autonome Fahrzeug. LiDAR-Sensoren von Unternehmen wie Hesai und Valeo scannen den Bereich um ein Auto kontinuierlich und messen in Echtzeit die Entfernung zu anderen Fahrzeugen, Fußgängern und Hindernissen, damit das Fahrsystem ihnen ausweichen kann.
Ein weiterer schnell wachsender Bereich des mobilen LiDAR ist der handgeführte oder tragbare SLAM-Scanner. SLAM, kurz für „simultaneous localization and mapping“, ermöglicht es Geräten, ihre eigene Position anhand der erfassten Daten zu bestimmen, sodass Bediener einfach durch ein Gebäude, einen Tunnel oder einen Standort gehen können, während das Gerät aufzeichnet. Artec Jet ist ein solcher Scanner. Er wiegt 1.57 kg, erfasst bis zu 1.9 Millionen Punkte pro Sekunde über eine Reichweite von bis zu 300 Metern.
Weitere Systeme dieser Kategorie sind Leica BLK2GO, NavVis VLX, FARO Orbis und Emesent Hovermap. Typische Anwendungen umfassen den Bergbau, die Fortschrittsüberwachung im Bauwesen, Bestandsdokumentation und die Erstellung digitaler Zwillinge für Fertigungsanlagen.
Vorteile: Mobile und SLAM-Systeme erfassen große oder komplexe Räume um ein Vielfaches schneller als ein Stativscanner und mit deutlich weniger Aufwand für den Bediener. Sie funktionieren in beengten Umgebungen oder Umgebungen ohne GNSS und ermöglichen einzelnen Bedienern, ganze Gebäude in einem einzigen Rundgang zu dokumentieren.
Nachteile: Die Genauigkeit ist geringer als bei stationären Scannern und liegt bei handgeführten SLAM-Geräten typischerweise bei etwa einem Zentimeter. Da die Positionierung während der Bewegung berechnet wird, können sich kleine Fehler über lange Strecken summieren, was als Drift bezeichnet wird, und die Ergebnisse hängen von sorgfältiger Routenplanung ab.
LiDAR in iPad Pro und iPhone Pro
LiDAR hat auch Verbrauchergeräte erreicht. Apple stattet seine Pro-iPads und seit dem iPhone 12 Pro auch seine Pro-iPhones mit LiDAR-Sensoren aus. Mit einer Reichweite von etwa fünf Metern unterstützt der Sensor Augmented-Reality-Apps wie IKEA Place, die virtuelle Möbel im eigenen Raum des Nutzers zeigen, sowie Spiele, die den umgebenden Raum in ein Spielfeld verwandeln.
Apples Sensor verfügt nicht über die für industrielle Arbeiten erforderliche Genauigkeit und Auflösung, hat aber eine Welle von Scan-Apps ausgelöst und Millionen von Menschen mit dem 3D-Scannen vertraut gemacht, das einst auf Vermessungsfachleute und Messtechniker beschränkt war.
Vorteile: Der Sensor ist in Geräte integriert, die viele Menschen bereits besitzen, er ist schnell und einfach zu verwenden und benötigt keine zusätzliche Hardware.
Nachteile: Die kurze Reichweite, geringe Auflösung und begrenzte Genauigkeit machen ihn für professionelle Messungen, Inspektionen oder Engineering ungeeignet.
LiDAR-Software
Scandaten müssen verarbeitet werden, bevor sie genutzt werden können. Rohscans müssen von Rauschen und Streupunkten bereinigt werden. Anschließend werden sie zu einer einzigen Punktwolke registriert und bei Bedarf georeferenziert, wodurch sie mit realen Koordinaten verknüpft werden. Erst dann lassen sich zuverlässige Messungen durchführen. Die Punktwolke kann anschließend in ein 3D-Mesh umgewandelt, mit Konstruktionsdaten verglichen oder in CAD-, BIM- und GIS-Anwendungen exportiert werden.
Die meisten Scannerhersteller liefern eigene Verarbeitungssoftware: Leica Geosystems bietet Cyclone, FARO bietet SCENE und Trimble bietet RealWorks. Herstellerneutrale Pakete wie Autodesk ReCap und das Open-Source-Programm CloudCompare verarbeiten Daten einer breiten Palette von Geräten. Punktwolken werden in der Regel in offenen Formaten wie E57 und LAS ausgetauscht, sodass auf einem System erfasste Daten auf einem anderen verarbeitet werden können.
Die Plattform von Artec 3D für großskalige Daten heißt Artec Twins. Sie verarbeitet Daten von Artec Jet und arbeitet mit den anderen Scannern des Unternehmens, einschließlich Artec Ray II. Sie ist für die Verarbeitung, Zusammenführung, Georeferenzierung, Visualisierung und Inspektion sehr großer Datensätze ausgelegt und rendert Szenen mit Milliarden von Punkten in Echtzeit.
Zu ihren Analysewerkzeugen gehören Messungen von Entfernung, Fläche und Volumen, Querschnitte sowie Abweichungskarten, die Scandaten mit CAD-Modellen vergleichen. Daten können in Formaten einschließlich LAS, LAZ, PLY, DXF und E57 exportiert werden. Twins umfasst außerdem die Verarbeitungsfunktionen von Artec Studio, der Software des Unternehmens für handgeführte Scanner – und kann Gaussian Splats erzeugen, fotorealistische Rekonstruktionen aus Fotografien, Videos oder LiDAR-Punktwolken.
Fazit
LiDAR bildet die Grundlage für die Planung von Straßen und Gebäuden, die Inspektion von Flugzeugen, die Denkmalpflege und die autonome Navigation. Die Wahl des richtigen Scanners hängt von der Aufgabe ab: stationäre Scanner für Genauigkeit, luftgestützte Systeme für Abdeckung sowie mobile und handgeführte Systeme für Geschwindigkeit. Mit steigenden Erfassungsraten und leistungsfähigeren Handgeräten ist die Auswahl größer denn je.
Häufig gestellte Fragen
Wofür steht LiDAR?
LiDAR steht für „light detection and ranging“.
Was ist der Unterschied zwischen Laufzeit- und Phasenverschiebungs-LiDAR?
Ein Laufzeitscanner sendet kurze Laserpulse aus und misst, wie lange jeder einzelne für die Rückkehr benötigt. Ein Phasenverschiebungsscanner sendet einen kontinuierlichen, modulierten Strahl aus und berechnet die Entfernung aus dem Versatz zwischen ausgesendeten und zurückkehrenden Wellen.
Wie genau ist LiDAR?
Hochwertige stationäre Scanner erreichen eine Genauigkeit von 2 mm bei 10 m, handgeführte SLAM-Scanner arbeiten typischerweise mit etwa einem Zentimeter und luftgestützte Systeme mit einigen Zentimetern. Entfernung, Oberflächenreflexionsfähigkeit, Kalibrierung und Wetter beeinflussen allesamt das Ergebnis.
Was ist SLAM-LiDAR?
SLAM steht für simultaneous localization and mapping. SLAM-Scanner berechnen ihre eigene Position anhand von während der Bewegung erfassten Daten, sodass Bediener durch Standorte gehen und dabei scannen können, anstatt ein Stativ an festen Positionen aufzustellen.
Kann LiDAR durch Bäume sehen?
Nicht durch dichtes Laub, doch Laserpulse können Lücken im Kronendach passieren und den darunterliegenden Boden erreichen. Durch die Trennung der Rücksignale von Blättern, Ästen und Boden kann luftgestütztes LiDAR Gelände unter Waldbedeckung kartieren, was Luftaufnahmen nicht können.
Funktioniert LiDAR im Dunkeln?
Ja. LiDAR stellt seine eigene Lichtquelle bereit und misst daher bei Tag und Nacht gleichermaßen gut die Geometrie. Scanner, die der Punktwolke mithilfe integrierter Kameras Farbe hinzufügen, benötigen allerdings für diesen Teil der Erfassung eine ausreichende Beleuchtung.
Ist LiDAR augensicher?
Die meisten professionellen terrestrischen und handgeführten Scanner, einschließlich Artec Ray II und Artec Jet, nutzen Laser der Klasse 1, die bei normaler Verwendung als augensicher gelten. Die Laserklasse variiert zwischen Produkten, daher lohnt es sich immer, die Spezifikationen des Herstellers zu prüfen.
Kann ein LiDAR-Sensor in einem Smartphone einen professionellen Scanner ersetzen?
Nein. Die LiDAR-Sensoren in Apples Pro-iPhones und iPads haben eine Reichweite von etwa 5 m und sind für Augmented Reality und gelegentliches Scannen ausgelegt. Ihnen fehlen die für Ingenieurwesen, Inspektion oder Vermessung benötigte Genauigkeit, Auflösung und Reichweite.
