Was ist LiDAR
LiDAR ist eine Kartierungstechnologie, die Laserlicht zur Messung der Entfernung zu einer Zielfläche verwendet. Kurz gesagt, es erzeugt eine 3D-Karte von einem Raum bis hin zu großen Geländeflächen mit erstaunlicher Genauigkeit. In diesem Artikel erfahren Sie, wozu LiDAR-Lösungen in der Lage sind, welche verschiedenen Arten von LiDAR es gibt und wie diese Technologie eingesetzt wird.
Bevor wir das Funktionieren des LiDAR-Scannens erklären, wollen Sie sicher wissen, woher der Name LiDAR kommt? Zunächst einmal ist LiDAR ein Akronym, genauso wie die Begriffe Radar und Sonar, die von „Radio Detection and Ranging“ [funkgestützte Ortung und Abstandsmessung] von „Sound Detection and Ranging“ [schallgestützte Ortung und Abstandsmessung] abgeleitet sind.
Aus „Light detection and ranging“ oder „Laser Imaging, Detection and Ranging" ergibt sich entsprechend die Abkürzung LiDAR.
Was mit Technik alles erfasst werden kann, ist ganz vielfältig: Von Erhebungen und Gruben über Vegetationen bis hin zu ganzen Städten können Sie alles auf Ihrem Computerbildschirm als 3D-Karte abbilden, kleinere Teile der Szene heranzoomen oder über sie schwenken – alles dank LiDAR.
Um zu veranschaulichen, wozu die LiDAR-Technologie in der Lage ist, zeigen wir hier ein Beispiel: eine 3D-Karte von New York City, die aus räumlichen LiDAR-Daten, Vollfarbfotos und Satellitenaufnahmen erstellt wurde. Diese Karte und die vieler anderer Städte und Orte können Sie ganz einfach über Google Maps aufrufen und dort Wolkenkratzer, Plätze, Denkmäler und andere Wahrzeichen in atemberaubenden Details und von jeder Seite (außer von unten) betrachten. Sie können natürlich jederzeit zu einer einfachen 2D-Ansicht zurückkehren – aber warum sollten Sie das noch tun, nachdem Sie diese Vogelperspektive einer Megastadt erhalten haben, wie sie keine 2D-Karte oder kein Foto jemals so anschaulich wiedergeben könnten?
Warum ist LiDAR, abgesehen von der Erstellung faszinierender Bilder, eigentlich so wichtig?
Die LiDAR-Technologie eröffnete enorme Möglichkeiten im Ingenieurwesen, im Bauwesen, in der Stadtplanung und in vielen anderen Bereichen, in denen Entscheidungen von genauen Informationen über die Form und die Abmessungen großer und sehr großer Flächen abhängen. Wenn Sie etwa eine Straße in einer bergigen Region bauen, wollen Sie genau wissen, wie viel Baumaterial bereitgestellt werden muss und wie lange der Bau dauern wird. Die Länge einer zu bauenden Straße entspricht in der Regel nicht einfach der kürzesten Entfernung zwischen den Punkten A und B, die sie verbinden wird. Um korrekt zu planen, müssen Sie alle Steigungen und Gefälle auf dem Weg berücksichtigen. Aber wollen Sie dafür mit einem Maßband und einem Kompass in den Wald gehen? Wahrscheinlich nicht. Die schnellste und genaueste Lösung für Ihre Aufgabe wäre daher ein luftgestütztes LiDAR-System.
Schlüsselpunkt
LiDAR-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten im Ingenieurwesen, im Bauwesen, in der Stadtplanung und in anderen Bereichen, in denen die Entscheidungsfindung von genauen Informationen über die Form und die Abmessungen von großen und sehr großen Flächen abhängt.
Wie funktioniert LiDAR?
Ein LiDAR-Sensor tastet seine Umgebung ab, indem er Laserlicht ausstrahlt. Wenn das Licht auf die nächstgelegene Oberfläche trifft, prallt es ab und wandert zurück zum LiDAR-Gerät, das wiederum das eingehende Signal aufnimmt. Je nach verwendeter Technologie berechnet LiDAR die Entfernung zur nächstgelegenen Oberfläche, indem es die Zeit aufzeichnet, die der Strahl für die Rückkehr brauchte, oder indem es die Phasenverschiebung des eingehenden Signals analysiert.
Schlüsselpunkt
LiDAR berechnet die Entfernung zur nächstgelegenen Oberfläche, indem die Zeit aufgezeichnet wird, die der Strahl für die Rückkehr benötigt, oder indem die Phasenverschiebung des eingehenden Signals analysiert wird.
Der Sensor besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Sender und einem Empfänger. Ein Sender sendet bis zu Hunderttausende von Laserlichtimpulsen in Richtung der abzutastenden Oberfläche. Sobald ein Impuls die Oberfläche erreicht, wird er zurückgestreut, und das Signal wird vom Empfänger aufgefangen. Die Timing-Elektronik berechnet, wie lange der Impuls braucht, um vom Sensor zur Zieloberfläche zu gelangen und zurückzukehren – genauer gesagt, sie berechnet die Verzögerung bei der Rückkehr.
Je länger diese ist, desto weiter ist die Oberfläche vom Sensor entfernt – diese Technologie wird auch als Time-of-Flight-Laserscanning bezeichnet. Zu beachten ist, dass ein mobiles oder luftgestütztes LiDAR-System auch über eine IMU (Inertia Measurement Unit, bestehend aus Beschleunigungsmesser, Gyroskop und anderen Sensoren) und einen GPS-Tracker verfügt, um die XYZ-Koordinaten des Sendeempfängers, zu dem ein Laserimpuls ausgesendet wird, jederzeit ermitteln zu können. Alle diese Daten werden von einem Computer, der eine 3D-Karte der Oberfläche in einem Punktwolken-Datenformat erstellt, analysiert.
Neben dem Time-of-Flight-Verfahren gibt es auch die sogenannte Phasenverschiebungstechnologie. Beim phasenbasierten Scannen wird ein konstanter Laserstrahl aus dem Scanner ausgesandt. Der Scanner misst dann die Phasenverschiebung der zurückkehrenden Laserenergie, um Entfernungen zu berechnen.
Wichtige Begriffe
Time of Flight [Lichtlaufzeit]: Anhand der Zeit, die ein Impuls für die Strecke zwischen zwei Punkten benötigt, wird die Entfernung zwischen den Punkten berechnet.
Phasenverschiebung: Berechnung der Verzögerung zwischen zwei Wellenformen, die mit derselben Frequenz oder zum selben Zeitpunkt ausgesendet werden.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Time-of-Flight-Scannern und phasenbasierten Scannern besteht in der Erfassungsgeschwindigkeit und dem Dynamikbereich. Time-of-Flight-Geräte erfassen in der Regel Daten mit einer Rate von Hunderten bis Tausenden von Punkten pro Sekunde. Im Gegensatz dazu erfassen phasenbasierte Geräte Hunderttausende von Punkten pro Sekunde. Phasenbasierte Geräte sind schneller, was sie in vielen Anwendungen besser eignet.
Andererseits haben Time-of-Flight-Geräte einen viel größeren dynamischen Bereich und können relevate Daten aus einer Entfernung von einem Meter bis zu einem Kilometer liefern. Time-of-Flight-Geräte sind zu bevorzugen, wenn die zu messenden Bereiche bevorzugen groß sind.
Wie genau sind LiDAR-Scanner?
Je nach Scannertyp und Umgebungsbedingungen kann die Genauigkeit eines LiDAR-Systems Submillimeterwerte bis zu Dutzenden und Hunderten von Millimetern erreichen. Eine Reihe von Faktoren kann die Genauigkeit der von einem LiDAR-Scanner erfassten 3D-Daten beeinflussen.
Wie jeder Scanner wird auch ein LiDAR zunächst werkseitig kalibriert. Vor der Übergabe an den Kunden wird der Scanner „trainiert“, um die Entfernung zu Hunderten von Zielen mit bekanntem Reflexionsvermögen und in einem bekannten Abstand zum Gerät zu messen. Infolgedessen wird eine Fehlerfunktion erstellt und in der Software des Scanners gespeichert. Bei der Werkskalibrierung ist es jedoch unmöglich, alle Arten von Oberflächen abzudecken, die der Scanner in bestimmten Projektumgebungen scannen wird, daher wird Abstand zur Oberfläche manchmal auf der Grundlage von Werten für ähnliche Oberflächen mit bekanntem Reflexionsvermögen berechnet.
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist das Entfernungsrauschen, das als die Differenz zwischen jeder einzelnen Messung und der mittleren Entfernung zu einem Objekt definiert ist. Das Entfernungsrauschen wird in erster Linie von der Entfernung zum gescannten Objekt sowie von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche beeinflusst.
Auch die mechanischen Komponenten eines LiDAR-Scanners sind fehleranfällig, insbesondere beim Arbeiten über längere Zeiträume, weshalb die Hersteller empfehlen, den Scanner alle paar Jahre neu zu kalibrieren.
Schließlich können Umweltbedingungen wie Wind, Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur und Feuchtigkeit die Rückstreuung der Laserimpulse verzerren und die Qualität der erfassten Daten beeinträchtigen.
Die Hersteller sind sich der Faktoren, die sich auf die Genauigkeit von LiDAR-Scannern auswirken, jedoch sehr wohl bewusst und sorgen dafür, dass die Geräte ein optimales Maß an Genauigkeit liefern. Im Folgenden erzählen wir Ihnen von Artec Ray, einem LiDAR-Scanner, der sich durch eine erstklassige Winkelgenauigkeit auszeichnet.
Typen von LiDAR
Zwei Arten von LiDAR wurden bereits erwähnt: mobiles und luftgestütztes LiDAR. Nimmt man zu diesen beiden noch stationäres LiDAR hinzu, erhält man die drei Haupttypen.
Stationäre LiDAR-Scann
Stationäre LiDAR-Scanner sind im Grunde das Herzstück der Technologie, da alle weiteren LiDAR-Typen auf sie zurückgehen. Stationäre LiDAR-Scanner decken im Vergleich zu mobilen und luftgestützten Systemen in der Regel kleinere Bereiche ab. Sie weisen jedoch die höchste Genauigkeit auf.
Stationäre LiDAR-Scanner werden in großem Umfang für Reverse Engineering und Qualitätsprüfungen eingesetzt. Mit einem LiDAR können Sie Räume, Gebäude und Fahrzeuge jeglicher Art scannen, auch solche, die sich auf dem Land, in der Luft, im Wasser oder im Weltraum bewegen.
Stellen Sie sich einmal vor, Sie müssten ein Rohrleitungssystem nachrüsten, das sich über Dutzende von Quadratmetern erstreckt. Vielleicht planen Sie Reparaturen an einem Gebäude oder erwägen ein Reverse Engineering der Karosserie eines Flugzeugs. In all diesen Fällen benötigen Sie exakte Maße der relevanten Oberflächenbereiche – und hier kommt ein stationärer LiDAR-Scanner ins Spiel. Das ist besonders dann von Bedeutung, wenn sich ein Teil oder die gesamte Oberfläche zu hoch über dem Boden befindet und mit einem Handscanner ohne spezielle Hilfsmittel (zum Beispiel ein Gerüst) nicht erreicht werden kann.
3D-Scan einer Rohrleitung, erstellt mit Artec Ray, einem stationären LiDAR-3D-Scanner.
Gehen wir nun einen Schritt zurück und sehen uns an, wie Sie die im obigen Screenshot gezeigten Ergebnisse erreicht wurden. Mit anderen Worten: Wie scannt man mit einem LiDAR-Scanner? Eigentlich ist von Ihrer Seite nicht viel zu tun: Der Scanner wird auf einem Stativ montiert und vor dem Objekt oder der Szenerie, die Sie scannen möchten, platziert. Per Klick beginnt Artec Ray, eine Vorschau des zu scannenden Bereichs zu erstellen. Wenn Sie anhand dieser Vorschau entschieden haben, dass dies genau der Bereich ist, der erfasst werden soll, und dass der Scanner nicht neu positioniert werden muss, fährt Ray mit der vollständigen Erfassung aller Daten Ihres Objekts oder Ihrer Szenerie fort.
In Fällen, in denen Sie für eine schnellere Ausrichtung in der Verarbeitungsphase erleichtern oder die Genauigkeit Ihrer 3D-Scandaten generell erhöhen möchten, können Sie am zu erfassenden Zielmarken anbringen. Der Scanner kann diese Markierungen in nahezu jeder Umgebung problemlos erkennen. Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist und alle Daten erfasst wurden, richtet die Software des Scanners sämtliche Scans – gegebenenfalls auch mit Hilfe der Zielmarken – auf die schnellste und effizienteste Weise aus.
Auf einem Objekt und um das Objekt herum werden Zielmarken platziert
Einige LiDAR-Scanner, zum Beispiel Artec Ray, benötigen nicht immer Zielmarken, um die Scans zu registrieren und auszurichten, und erreichen dabei dennoch eine sehr hohe Genauigkeit. Ray ist überhaupt eines der fortschrittlichsten metrologischen Geräte, die derzeit auf dem Markt sind. Aus einer Entfernung von bis zu 110 m von der Zieloberfläche kann Ray verschiedenste Objekte – von der Karosserie eines Autos bis hin zu großen Flugzeugen oder Gebäuden – scannen. Bei besonders großen Projekten werden Sie besonders daran interessiert sein, massives Rauschen oder eine falsches Ausrichtung des Scans zu vermeiden. Denn letzteres würde bedeuten, dass Sie den Scanner noch einmal an denselben Ort bringen müssen, um Bereiche zu scannen, die beim ersten Mal nicht richtig erfasst wurden.
Mit Artec Ray müssen Sie sich auch darüber keine Sorgen mehr machen: Dieser Scanner verfügt beim Scannen aus einer Entfernung von bis zu 10-15 Metern vom Objekt über eine Submillimeter-genaue Abstandspräzision und über eine unerreichte Winkelgenauigkeit, die sicherstellt, dass Sie auch bei großen Oberflächenbereichen die präzisesten Ergebnisse erhalten. Und dank der Anzeige einer Vorschau des zu scannenden Objekts können Sie rechtzeitig überprüfen, ob die aktuelle Position des Scanners für die Erfassung einer bestimmten Fläche optimal ist oder ob Sie das Gerät neu positionieren sollten.
Routinemäßiger Arbeitsablauf des Artec Ray: Erfassen von 3D-Daten in einem Wartungsraum. Die Daten können nicht nur auf einen an den Scanner angeschlossenen Laptop gestreamt werden, sondern auch drahtlos auf ein iPad und sogar ein iPhone.
Der Präzisionsgrad der Scandaten aus Ray ermöglicht Ihnen, industrielle Objekte auf der Grundlage ihrer 3D-Modelle zu rekonstruieren, 3D-Modelle großer mechanischer Teile für die Qualitätskontrollen mit ihren CAD-Gegenstücken zu vergleichen, für Vorhaben im Denkmalschutz Statuen in 3D zu digitalisieren oder Online-Galerien für Museen auf der ganzen Welt zu erstellen. Das Anwendungsspektrum ist also wirklich groß.
Kartierung mit luftgestützten LiDAR-Scannern
Die Anwendungsmöglichkeiten werden noch vielfältiger, wenn man mit einem LiDAR-Sensor in die Luft geht. Das tun Ingenieure etwa, bevor sie eine neue Straße bauen, eine Leitung durch einen Gebirgskamm verlegen oder einen neuen Golfplatz anlegen. Auf einem Flugzeug oder Hubschrauber montiert, kann ein LiDAR-Scanner 3D-Daten über Hunderte von Quadratkilometern erfassen. Allerdings können luftgestützte LiDAR-Systeme keine Submillimetergenauigkeit liefern, wenn sie besonders große Geländebereiche abdecken. In diesem Fall können die Toleranzen bis zu einigen Zentimetern betragen, was aber für die meisten Großprojekte ausreichend ist.
Mobile LiDAR-Anwendungen
Die goldene Mitte zwischen Genauigkeit und Größe des gescannten Bereichs wird durch den mobilen LiDAR-Sensor verkörpert, der nicht nur für Ingenieure spannende Perspektiven eröffnet. LiDAR-Systeme, die in autonomen oder selbstfahrenden Autos installiert sind, scannen kontinuierlich die Umgebung und berechnen in Echtzeit den Abstand zu den nächsten Fahrzeugen, Fußgängern und weiteren Hindernissen aller Art, um Kollisionen zu vermeiden.
Sicheres Fahren durch Fernabtastung
LiDAR-Scanner im iPad Pro und iPhone Pro
Die Anwendungen eines LiDAR-Sensors sind auf Verbraucherebene nicht nur auf autonome fahrende Autos beschränkt. Nutzer des iPad Pro und des iPhone Pro (ab Version 12) von Apple profitieren ebenfalls von den Vorteilen der LiDAR-Technologie. Diese Geräte scannen Objekte in einer Entfernung von bis zu 5 Metern und können mit Apps wie IKEA Place und Hot Lava integriert werden, um mit AR die Räume der Nutzer einzurichten und den Raum um sie herum in die Welt eines Videospiels zu verwandeln.
Zwar bietet das LiDAR in den Apple-Geräten nicht die für die Fertigungsindustrie erforderliche Genauigkeit und Auflösung, jedoch eignet es sich sehr gut für Anwendungen wie AR-Shopping und -Spiele. Durch die Einführung von LiDAR auf dem iPad und iPhone wurde die Entwicklung gezielter Anwendungen zudem generell vorangetrieben und die Zahl der Nutzer von 3D-Scantechnologien drastisch erhöht. Was früher die Domäne von Messtechnikern und Vermessungsingenieuren war, ist nun auch allen Nutzern von Apple-Geräte möglich.
Fazit
Im Bereich LiDAR gibt es viele Möglichkeiten und Anwendungen, die Sie entdecken können. Die Technologie trägt dazu bei, Städte zu entwickeln, detaillierte Bilder zu erstellen und Straßen zu bauen. Sie werden vielleicht daran denken, wenn Sie das nächste Mal – ob digital oder in echt – durch eine Stadt spazieren.
Wir laden Sie ein, sich LiDAR-Technologie noch genauer anzuschauen und ihre Vorteile mit Artec Ray auch für sich zu nutzen.
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