3D-Vermessung mit Drohnen: Photogrammetrie versus LiDAR (3D-Laserscanning)


Drohnen ermöglichen es, 3D-Daten einfacher als je zuvor aus der Luft zu sammeln, um 3D-Punktwolken und 3D-Modelle zu erstellen. Sie sind vielseitig und können mit verschiedener Technik ausgestattet werden. Dabei kommen meist zwei Technologien zur Vermessung von Objekten und Landschaften zum Einsatz: Photogrammetrie und LiDAR (3D-Laserscanning). Photogrammetrie basiert auf Fotos, die sich für Messungen weiterverarbeiten und kombinieren lassen. LiDAR misst mit Laserstrahlen. Die spannende Frage ist: Welche der beiden Techniken ist die effektivere? Wo liegen ihre jeweiligen Vor- und Nachteile? Und für welche Anwendungen sind Photogrammetrie und LiDAR besonders geeignet?


Luftbild-Photogrammetrie mit Drohnen


Photogrammetrie funktioniert nach demselben Prinzip wie unser Sehsinn: Obwohl Bilder auf unserer Netzhaut zweidimensional ankommen, haben wir einen guten Blick für drei Dimensionen. Ähnlich wie das menschliche Gehirn Informationen von beiden Augen verwendet, um eine Tiefenwahrnehmung zu ermöglichen, verwendet die Photogrammetrie 2D-Fotos aus verschiedenen Blickwinkeln, um eine 3D-Karte zu erstellen. Beschaffenheit, Form und Lage beliebiger Objekte lassen sich auf diese Weise bestimmen.


Genauer: Eine Drohne mit einer hochauflösenden kalibrierten Digitalkamera nimmt von dem zu vermessenden Objekt oder Gebiet mehrere – besser gesagt sehr viele – Fotos auf. Diese Bilder überlappen sich so, dass derselbe Punkt auf dem Boden auf mehreren Fotos und aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar ist, um alle Details des Objekts zu erfassen. Spezielle Software durchsucht anschließend die Aufnahmen nach charakteristischen Strukturen, sogenannten Features, um die Form des Objekts in 3D zu berechnen. Ein Feature ist jeder visuell eindeutige Punkt in einem Bild. Damit die Software abschätzen kann, wo sie im Raum liegen, müssen solche markanten Punkte jeweils auf vielen Fotos wiederzuentdecken sein. So lassen sich aus den zweidimensionalen Kamerabildern hochpräzise 3D-Koordinaten in der sogenannten „Punktwolke“ mit mehreren Millionen Punkten berechnen.

Das Ergebnis nach Aufbereitung der Daten: Eine hochauflösende, realitätsgetreue 3D-Rekonstruktion, die nicht nur Höheninformationen, sondern auch Textur, Form und Farbe für jeden Punkt auf der Karte enthält und eine einfachere Interpretation der 3D-Punktwolke ermöglicht.


Was ist LiDAR?


LiDAR ähnelt vom Prinzip dem Sonar oder Radar, die Schall- bzw. Funkwellen verwenden, um Oberflächen zu vermessen und Objekte zu erkennen. Bei der Methode „Light Detection and Ranging“, kurz LiDAR, kommt meist Infrarotlicht zum Einsatz. Montiert an einer Drohne sendet der LiDAR-Sensor einen Laserstrahl aus, bis er auf eine Oberfläche trifft – einen Baum, ein Gebäude oder den Boden selbst – die das Licht reflektiert. Die Oberfläche wird dabei zeilenförmig „abgetastet“ mit einem „sheet of light“.

Die Zeit, die das Laserlicht benötigt, um zum Sensor zurückzukehren, wird aufgezeichnet, ebenso die Intensität der Reflexion. So können Entfernungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Mit Millionen dieser Reflexionspunkte lässt sich ein punktbasiertes Modell des Geländes rekonstruieren: eine LiDAR-Punktwolke. Dies ist auch der Grund, warum diese Technologie manchmal als 3D-Laserscanning bezeichnet wird – denn letztendlich wird sie genutzt, um eine 3D-Punktwolke zu generieren. Verknüpft man verschiedene Höhen und Aufnahmewinkel, erhält man eine detailreiche, vollständige und nahezu lückenlose 3D-Punktwolke, die auch kleinste Details enthält. Die Aufnahme erfolgt bei heutigen Laser-Messsystemen in 16-bit-Graustufen. Das Ergebnis ähnelt also einem Schwarzweiß-Foto, das allerdings entweder auf Höhe oder Intensität eingefärbt werden kann, um die Interpretation zu erleichtern.


Einsatzgebiete und Grenzen beider Methoden


Photogrammetrie und LiDAR bzw. 3D-Laserscanning ermöglichen beide die Erstellung genauer 3D-Karten – einmal mithilfe von hochauflösenden Fotos und einmal mittels Laserstrahlen. Beide Technologien haben ihre Anwendungsfälle und Grenzen.


Photogrammetrie punktet dank hochauflösender visueller Daten mit seinen fotorealistischen Ergebnissen in Farbe. Daher eignet sich diese Methode besonders gut für Einsätze im Bereich Gebäudevermessung, Bauinspektion und Landwirtschaft, zum Beispiel für die 3D-Rekonstruktion und Dokumentation von Objekten und Anlagen. Die Oberflächenbeschaffenheit lässt sich mit dem photogrammetrischen Verfahren besonders gut dokumentieren. Allerdings hat die Technologie auch ihre Limitierungen: Es lassen sich nur Punkte generieren, die vom Kamerasensor erfasst werden können – und somit sichtbar sind. Auch bei Oberflächen, die zu strukturlos oder unruhig sind – wie die polierten Fenster eines Gebäudes oder das Meer – stößt das Verfahren an seine Grenzen.


LiDAR ermöglicht eine detailreiche Darstellung hochkomplexer Flächen mit höchster Präzision. Diese Methode eignet sich besonders für komplizierte Areale und Objekte wie beispielsweise denkmalgeschützte Gebäude oder Fabriken. Schmale Objekte wie Übertragungsleitungen, Hochspannungsleitungen, Rohre oder scharfe Kanten wie Abrisskanten, Dachkanten oder Gebäudeecken lassen sich mit dem 3D-Laserscanning erfassen und später modellieren. Auch wenn es um Themen wie Fabrikplanung, digitale Fabrik oder um VR (Virtual Reality) geht, wo höchste Genauigkeit vorausgesetzt wird, ist LiDAR klar im Vorteil. Die Technologie wird zudem in der Steuerung und Navigation autonomer Fahrzeuge verwendet.

Eine weitere Stärke des 3D-Laserscanning per Drohne ist seine Fähigkeit, Vegetation mit seinen Laserstrahlen zu durchdringen, um auch das Terrain darunter zu messen und darzustellen. In der Forstwirtschaft wird LiDAR deshalb zur Kartierung, Inventarisierung und Biomasse-Bestimmung eingesetzt. Ein weiterer Vorteil gegenüber Photogrammetrie: LiDAR ist ein aktiver Sensor, der sein eigenes Licht erzeugt. Wetterbedingungen wie Bewölkung und wechselnde Lichtverhältnisse – wie absolute Dunkelheit in der Nacht – beeinflussen das Messergebnis in keiner Weise im Gegensatz zum photogrammetrischen Verfahren mit seinem passiven Kamerasensor, der auf eine Lichtquelle angewiesen ist. Der Datensatz des 3D-Laserscanning in schwarz-weiß kann allerdings in manchen Fällen schwer auszuwerten sein. Hier können zusätzliche Fotos hilfreich sein.


Die Genauigkeit in der Luft wird sowohl bei Photogrammetrie als auch bei LiDAR nicht nur durch den Sensor selbst, sondern auch durch die Bewegung der Drohne beeinflusst. Unabhängig davon, welche Technologie zum Einsatz kommt, wird eine Datenkorrektur notwendig.


Weitere Punkte, in denen sich die beiden Technologien unterscheiden, sind der Zeit- und Kostenaufwand. Während bei der Photogrammetrie eine Überlappung der Bilder von 60 bis 90 Prozent erforderlich ist, genügt bei LiDAR meist eine Überlappung der Fluglinien von 20 bis 30 Prozent – die Datenerhebung mit LiDAR erfolgt also wesentlich schneller. Auch ist die Datenverarbeitung bei LiDAR sehr schnell: Die Rohdaten benötigen nur wenige Minuten der Kalibrierung, um das finale Produkt – die Punktwolke – zu generieren. Beim photogrammetrischen Verfahren verursachen speziell große Flächen oder Areale eine enorm große Datenmenge. Die Verarbeitung der Bilder kann zehnmal länger dauern als die Erhebung. Scannerdaten lassen sich also im Vergleich deutlich schneller und besser prozessieren.


Ein LiDAR Sensor-Set besteht aus Scanner, IMU und GNSS, die Informationen zur Position, Rotation und Bewegung liefern und in Echtzeit miteinander kombiniert werden, um eine hohe Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Solch ein Set kostet zwischen 50.000 bis 300.000 US-Dollar. Hinzu kommen Kosten zwischen 25.000 bis 50.000 US-Dollar für eine geeignete Drohne. Für Photogrammetrie wird nur eine professionelle Drohne mit Kamera benötigt, die bereits für 2.000 bis 5.000 US- Dollar zu erwerben ist. Der Kostenfaktor ist also bei der Wahl des Verfahrens nicht zu unterschätzen.

Kombination von Bild- und Scannerdaten


Die Vorteile der beiden Sensoren lassen sich auch kombinieren: Die hohe Auflösung der Digitalbilder und die schnelle und präzise Entfernungsmessung des Laserscanners ergänzen sich und ermöglichen so, komplexe Objekte präzise und detailliert in 3D zu dokumentieren, beispielsweise wenn die LiDAR-Punktwolken unscharfe Strukturen aufweisen. Andererseits kann LiDAR den Luftbilddaten der Photogrammetrie (filigrane) Details hinzufügen, die von der Photogrammetrie „übersehen“ wurden. Als Ergebnis erhält man ein vollständigeres Modell der jeweiligen Szene.


Hier zwei Beispiele: Um topografische Karten mit mittlerer Vegetation zu erstellen, eignet sich eine Kombination aus Photogrammetrie und LiDAR, um auch Bereiche, die von Bäumen oder Sträuchern überschattet werden, darzustellen. Um die Details einer Bahnstrecke – wie die Kabel auf dem Gleis oder die Metallpfosten, die sie tragen – zu erfassen, eignet sich besonders das 3D-Laserscanning. Mit den Luftbildern einer Drohne können die Punktwolken mit fotorealistischen Texturen versehen werden.


Wie geht es mit den gewonnenen Daten weiter?


Photogrammetrie oder LiDAR? Am Ende muss ich mich entscheiden, welche Technologie für den jeweiligen Einsatz am besten geeignet ist. Kommt es auf kleine Details an? Will ich lichtunabhängig messen? Oder ist nur ein kleines Budget vorhanden? Und ich möchte möglichst flexibel sein?


Bei der Wahl des Messverfahrens sollte auch bedacht werden, wie die gewonnenen Rohdaten – die von der Vermessungsdrohne gesammelt wurden – weiterverarbeitet werden sollen. Brauche ich fotorealistische 3D-Modelle zur Visualisierung? Die Daten allein sind für Unternehmen nämlich nutzlos. Das Scannen ist der erste Schritt – die viel wichtigere Frage ist: Wie gehe ich mit den ermittelten Daten der Drohne um? Wie kann ich die Daten analysieren und aufbereiten, um den maximalen Nutzen für mein Unternehmen zu erzielen?

Die Antwort auf diese Frage erfahren Sie in unserem nächsten Drohnen-Beitrag.