Lidar ist eine Lasertechnologie, die die Oberflächen eines Objekts oder eines Raums dreidimensional erfasst. Das Wort "Lidar" ist eine Abkürzung für Light Detection And Ranging.
Diese Technologie wurde im Jahr 1938 eingesetzt, als erstmals Lichtimpulse zur Messung der Höhe von Wolken verwendet wurden (das ist kein Scherz). Aber lassen Sie sich davon nicht täuschen: Lidar ist für eine Vielzahl von Spitzenindustrien von entscheidender Bedeutung, darunter Robotik, autonome Fahrzeuge, Weltraumforschung, Vermessung, Architektur, Ingenieurwesen, Bauwesen und vieles mehr.
Vielleicht befindet sich sogar ein Lidar-Sensor direkt neben der Kamera Ihres iPhones, oder er steuert Ihren Staubsaugerroboter, damit er nicht die Treppe hinunterfällt.
Wie funktioniert Lidar?
Heute konzentrieren wir uns auf den Lidar-Typen, der am häufigsten in 3D-Erfassungsanwendungen eingesetzt wird. Es funktioniert nach dem Prinzip "Time of Flight“ (zu dt. Laufzeitmessung) Ähnlich wie bei den Laser-Entfernungsmessern, die man benutzt, um die Abmessungen eines Raumes zu bestimmen.
Beginnen wir damit, zu untersuchen, wie die Laufzeitmessung in einem Laserentfernungsmesser funktioniert:
- Das Gerät emitiert einen Laserstrahl
- Der Laser wird an der Wand reflektiert
- ...und kehrt zum Gerät zurück
- Das Gerät misst die Zeit zwischen dem Abschuss und der Rückkehr (das bezeichnet man als Laufzeitmesung)
- Das Gerät berechnet den Abstand zur Wand
Wie kann das Gerät das ermöglichen? Wie Sie wissen, ist die Lichtgeschwindigkeit konstant. Betrachtet man die sehr einfache Gleichung zur Berechnung der Entfernung anhand der Flugzeit (Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit), so stellt man fest, dass das Gerät nun zwei der Variablen kennt: Geschwindigkeit und Zeit. Und kann so problemlos Entfernungen berechnen. Voilà.
Es gibt noch einige andere Arten von Lidar-Sensoren, darunter auch solche, die die Entfernung anhand der Verzerrung von Wellenformen messen. Darauf werden wir in einem späteren Artikel eingehen.
Wie funktioniert ein Lidar-3D-Scanner?
Um mit diesem Lidar-Sensor einen Raum in 3D zu erfassen, braucht man eine Methode, um den Laser so auszurichten, dass er den Raum automatisch abtastet. Die Hersteller haben im Laufe der Jahre viele clevere Methoden entwickelt, um das zu erreichen, darunter Mikrochips und sich drehende Motoren.
Die älteste Methode ist ein Spiegel. Während der Laser Hunderttausende von Pulsen pro Sekunde abfeuert, dreht sich der Spiegel um zwei Achsen, um die Laser zu lenken, die dann die Umgebung abdecken.
Dieser rudimentäre 3D-Laserscanner kann in Sekundenschnelle Millionen von Punkten in drei Dimensionen messen. Dadurch entsteht eine Wolke aus Einzelpunktmessungen, besser bekannt als Punktwolke - der grundlegende Datentyp, der von einem Lidar-Sensor erzeugt wird.
Welche andere Technologie steckt in einem Lidar-Scanner?
Jeder 3D-Laserscanner, den Sie verwenden, ist viel mehr als ein einfacher Lidar-Sensor und eine Methode zur Ausrichtung des Lasers. Es enthält einige weitere wichtige Technologien, die es Ihnen erleichtern, Ihre Umgebung zu erfassen.
Ein Lidar-Scanner könnte Folgendes beinhalten:
- Neigungsmesser, Beschleunigungsmesser oder IMU (Inertial Measurement Unit)
Ein Lidar-Sensor wie oben beschrieben hätte keine Ahnung, wo oben oder unten ist. Diese Mechanismen nutzen die Schwerkraft und ermöglichen es Ihrem 3D-Laserscanner, seine Position im Raum zu erkennen und die Punktwolke korrekt auszurichten. - Kamera
Nicht alle Geräte verfügen über eine Kamera, aber mit einer Kamera kann ein 3D-Laserscanner-Sensor zusätzlich zu den Entfernungs- und Intensitätsinformationen auch Farbinformationen über die Umgebung erfassen. Eine Kamera wird manchmal in mobilen Mappingsystemen als weiterer Datenstrom für den SLAM-Algorithmus verwendet.
(Dieser Algorithmus ist die Technologie, die es Ihnen ermöglicht, während der Aufnahme zu laufen. Sie können alles, was Sie über SLAM wissen möchten, auf dieser Seite erfahren). - Computer
Praktisch jeder 3D-Scanner verfügt über einen eingebauten Computer. Dieser übernimmt Aufgaben wie die Steuerung des Lidarsensors, die Verarbeitung der Punktwolke und die Speicherung der Punktwolkendaten im Speicher. In einem mobilen Mappingsystem führt der Computer auch den SLAM-Algorithmus aus. - Bildschirm
So können Sie Einstellungen für Genauigkeit und Entfernung vornehmen und in einigen Fällen eine Rückmeldung über den Scanvorgang erhalten. - Totalstation
Wenn ein 3D-Laserscanner für Messungen mit höchster Genauigkeit konzipiert ist, kann er mit einer herkömmlichen Totalstation kombiniert werden. Dies macht es einfach, die Punktwolke mit der Vermessungskontrolle zu verbinden.
Für welche Anwendungen wird Lidar 3D-Scanning eingesetzt?
Wie bereits erläutert wurde, wird Lidar für eine Vielzahl von Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Als Bestandteil von 3D-Laserscannern sind Lidar-Sensoren jedoch auf Anwendungen spezialisiert, bei denen es um die Vermessung von stationären Objekten, Strukturen oder Landschaften geht.
Sie werden für Projekte wie diese verwendet:
- Erstellung von Grundrissen
Verwenden Sie den 3D-Laserscanner, um eine Struktur wie ein Bürogebäude zu erfassen, und schneiden Sie die Punktwolke zu einem 2D-Grundriss für die Raumplanung. - Bestandsprüfung
Erstellen Sie eine Punktwolke einer laufenden Baustelle. Vergleichen Sie sie mit dem Entwurfsmodell, um zu sehen, ob alles nach Plan läuft. - Existing conditions Modelle
Erfassen Sie vor Beginn eines Bauprojekts den Standort, um ein detailliertes Modell der bestehenden Bedingungen zu erstellen, das die Planungs- und Bauabläufe unterstützt. - Scan-to-BIM-Workflows
Viele Gebäude verfügen nicht über die 3D-Daten, die für die Erstellung eines Gebäudedatenmodells(BIM-Modell) erforderlich sind. 3D-Laserscanner können die Struktur erfassen und anhand der Punktwolke ein 3D-BIM-Modell erstellen. - Vermessung
Erfassen Sie eine Landschaft, eine Brücke oder sogar eine Fahrbahn und nutzen Sie die Daten für eine virtuelle Vermessung. - Noch viel mehr
Dies ist eine sehr kurze Liste von Anwendungen für 3D-Scanner. Sie können auch in der Forstwirtschaft, der öffentlichen Sicherheit, der Forensik, der Veranstaltungsplanung, dem großflächigen Mapping und einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden.
Fazit
Die Welt der Lidar-Technologie ist breit gefächert, komplex, verändert sich schnell und erfordert mehr als einen einfachen Artikel, um sie zu erklären. In den kommenden Monaten werden wir weiterhin Artikel wie diesen veröffentlichen und Ihnen zu helfen, alles zu verstehen, was Sie über Lidar wissen müssen.
Sean Higgins ist ein selbstständiger Technikjournalist, ehemaliger Redakteur einer Fachzeitschrift und Naturliebhaber. Er ist der Meinung, dass 3D-Technologien klar und verständlich erklärt und besprochen werden sollten.