LIDAR

Engl. Akronym für Light Detection and Ranging; ein als aktives System ganztägig einsetzbares Fernerkundungsverfahren, das oft etwas ungenau als "Laser-Radar" bezeichnet wird. Es arbeitet vergleichbar einem Mikrowellen-Radar, benutzt aber den optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen dem ultravioletten und dem nahen Infrarot-Bereich. Die Entfernungsmessung beruht dabei auf der Messung der Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und der Reflexion des zurückkommenden Impulses verstreicht.

Lidar-Systeme bestehen gewöhnlich aus einem Laser, der Strahlung in Pulsen oder kontinuierlich durch eine fokussierende Optik aussendet. Ein weiteres optisches System fokussiert die vom beobachteten Objekt reflektierte Strahlung auf einen Detektor. Weitere Akronyme werden benutzt, die leicht unterschiedliche Bedeutungen haben: LaDAR (Laser Detection and Ranging) beinhaltet, dass Laserlicht zur Entfernungsmessung herangezogen wird. In einem LIDAR-System hingegen kann zum Beispiel auch sehr starkes Xenonlicht benutzt werden. ALS (Airborne Laserscanning) konkretisiert, dass ein Laserstrahl von einem Flugzeug aus die Oberfläche scannt. Gerade diese Technik, die zur Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen dient, hat in der Geoinformatik eine große Bedeutung erhalten.

Bei jeweils gleichem Grundprinzip können drei verschiedene Gruppen und Anwendungen von Lidar-Systemen unterschieden werden:

• Lidar-Systeme zur räumlichen Erfassung von Stoffen in der Atmosphäre und im Meer (Umwelt-Lidar). Laserstrahlen reagieren sehr empfindlich auf Wolken, Aerosole, Luftschadstoffe, Ölteppiche usw. Daher werden Lidar-Verfahren auf unterschiedliche Weise für die Atmosphärenforschung, Meteorologie, Ozeanographie u.w. eingesetzt. So kann das emittierte und zurückgestreute Laser-Licht zur Bestimmung von Wolkenobergrenzen, zur Erstellung von Vertikalprofilen der Verteilung von Aerosolen und in besonderen Fällen auch von Spurengasen (z.B. Ozon) in der Atmosphäre nutzen. Schadstoffe können von Lidar-Geräten kontinuierlich bis in die höchste Atmosphäre gemessen werden.
  Bei einer Auswertung der Doppler-Verschiebung des rückgestreuten Lichts ist auch eine Messung der Windgeschwindigkeit möglich. Ein solches Gerät wird als Laser-Doppler-Anemometer bezeichnet und z.B. auf Flughäfen zur Detektion von Scherwinden im Anflugbereich von Flugzeugen eingesetzt.
  Lidar-Messungen eignen sich auch zur Berechnung atmosphärischer Temperaturprofile.
  Daneben werden Lidare zur Bestimmung der Vertikalverteilung von Phytoplankton im Ozean verwendet. Man misst dabei das vom Phytoplankton emittierte fluoreszierende Licht. Zuvor war mit einem starken Laserpuls das Chlorophyll des pflanzlichen Planktons zu dessen Aussendung angeregt worden.
  Für die verschiedenen Anwendungen werden unterschiedliche Arten der Streuung genutzt, meist die Rayleigh-, die Mie- oder die Raman-Streuung, auch die Fluoreszenz.
• Lidar-Systeme, die Distanzen mit hoher Genauigkeit messen und der Erfassung von topographischen Daten dienen. Dieses Airborne Laserscanning (ALS) ist eine relativ junge Technik zur Erfassung der Topographie der Erde (u.a. zur Generierung von DHM), die erst durch die Verfügbarkeit von Lasern mit besonderen Eigenschaften sowie des Global Positioning System (GPS) möglich wurde.
  Bei diesem Verfahren wird der Abstand zwischen einem Fluggerät und der Erdoberfläche durch Ermittlung der Laufzeit eines Lichtimpulses gemessen. Zusätzlich wird der Laserstrahl durch eine optomechanische Einrichtung für jede Messung seitlich in eine geringfügig andere Richtung abgelenkt, wodurch in Kombination mit der Vorwärtsbewegung des Fluggeräts ein breiter Streifen des Geländes abgescannt wird.
  Um später ein digitales Modell der Topographie erstellen zu können, müssen zusätzlich Position und Lage des Fluggeräts sowie der Winkel jedes ausgesendeten Messstrahls genau festgehalten werden.
  Aufgrund der spezifischen Eigenschaften grenzt sich dieses Messverfahren gegenüber klassischen Techniken im Vermessungswesen ab. Die hohe Messpunktdichte und die gleichmäßige Verteilung der Messpunkte sind ausschlaggebend für die hohe Genauigkeit des Höhenmodells. Die Unterscheidung des ersten und des letzten Lichtechos, die auf einen einzigen Messpuls folgen, lässt weitere Beschaffenheiten des Geländes erkennen und bestimmen.
• Lidar-Systeme für Anwendungen in dem Bereich, der auch durch Nahphotogrammetrie erfasst wird. Die Geräte dieses sog. Terrestrischen Laserscanning werden fest aufgestellt.

Wegen sehr hoher technischer Schwierigkeiten bei der Raumflugtauglichkeit von Lasern wurden LIDAR-Sensoren lange Zeit vorwiegend als boden- oder flugzeuggestützte Sensoren eingesetzt.

Weitere Informationen:

• True-Ortho-Bilder mit Laser-Scanning und multispektralem Zeilenscanner
• Airborne Laser-Scanning, ein Vergleich mit terrestrischer Vermessung und Photogrammetrie
• Laser Radar - Berührungsloses Messen (DLR Oberpfaffenhofen)
• Lidars (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Abt-Lidar (DLR)
• Introduction to Lidar (NOAA)
• Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa (TROPOS)
• Lidar-Revised Geologic Map of the Wildcat Lake 7.5' Quadrangle, Kitsap and Mason Counties, Washington (USGS)
• Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI)