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.

Lidar ist eine Methode zur Entfernungsmessung, bei der reflektiertes Laserlicht verwendet wird, um 3D-Geodatenkarten eines Zielgebiets zu erstellen. Lidar findet terrestrische Anwendungen, darunter 3D-Scanning und autonome Fahrzeugführung, sowie Anwendungen in der Fernerkundung der Erde, darunter die Erstellung hochauflösender topografischer Karten. Die Entfernungsmessung beruht dabei auf der Messung der Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und der Reflexion des zurückkommenden Impulses verstreicht. Fernerkundungs-Lidar-Beobachtungen werden in der Regel mit luft- oder satellitengestützten Instrumenten durchgeführt.

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 Dopplerverschiebung 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 Dopplerverschiebung-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.

Topographische Lidar-Produkte

Terrestrische Lidar-Daten werden am häufigsten in topographischen Modellen dargestellt, die als digitale Höhenmodelle (DHM, engl. DEM) bekannt sind. Digitale Geländemodelle (DGM, engl. DTM) und digitale Oberflächenmodelle (DOM, engl. DSM) sind Arten von DHM.

DOM und DGM sind terrestrische Lidar-Produkte, die topografische Informationen eines Zielgebiets anzeigen. Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass DSMs alle reflektierenden Oberflächen-Echos von der bloßen Erdoberfläche abbilden und sowohl natürliche als auch vom Menschen geschaffene Strukturen wie Gebäude, Vegetation, Baumkronen und mehr messen. DGM beziehen sich nur auf die bloße Erdoberfläche, wobei Vegetation und vom Menschen geschaffene Artefakte herausgefiltert werden.

DOM und DGM fallen unter den Oberbegriff DHM, wobei Instrumente mit hoher räumlicher Auflösung zwischen beiden unterscheiden können. Bei einer geringen räumlichen Auflösung, bei der feine Strukturen nicht identifiziert werden müssen, beispielsweise bei einer großflächigen Vermessung eines Landes, wird der allgemeine Begriff DHM verwendet.

Schema verschiedener DEM-Typen Quelle: eoPortal

DOM finden Anwendung in der Stadtplanung, da sie die nackte Erde und alle ihre erhöhten Merkmale identifizieren können, sowie für Visualisierung, Krisen- und Vegetationsmanagement, Navigation und mehr. Eine gängige Art von DOM ist ein Canopy Height Model (CHM). DGM können zur Ergänzung eines DOM verwendet werden, um Höheninformationen von Objekten auf der Erdoberfläche abzuleiten.

DHM sind nicht ausschließlich mit satellitengestützten Lidar-Instrumenten erhältlich, sondern können auch mit anderen Fernerkundungsmethoden wie der Interferometrie mit synthetischer Apertur (InSAR), Stereophotogrammetrie, Differential-GPS (DGPS) und Bodenvermessung erstellt werden.

Weltraumgestützte Lidar-Anwendungen

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

Fernerkundungs-Lidar-Instrumente messen die von der Atmosphäre oder der Erdoberfläche reflektierte Laserstrahlung. Die Zeitpunkte der zurückkehrenden Laserimpulse liefern Entfernungsmessungen, die die Erstellung präziser dreidimensionaler Karten der erfassten Oberfläche ermöglichen. Lidar funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie RADAR (Radio Detection and Ranging), sendet jedoch anstelle von Radiowellen Lichtimpulse aus einer Laserquelle aus. Die im Vergleich zu Radiowellen kürzeren Wellenlängen des Lichts ermöglichen eine höhere Auflösung bei den Beobachtungen, jedoch verhindert seine höhere Energie das Durchdringen optisch dichter Schichten wie Wolken – was bedeutet, dass für Beobachtungen von Oberflächenmerkmalen klare Bedingungen erforderlich sind. Diese Eigenschaft ermöglicht jedoch atmosphärische Beobachtungen, bei denen das von Wolken zurückgestreute Licht genutzt wird, um Eigenschaften und Daten von Aerosolen zu erhalten.

Lidar-Beobachtungen liefern Wissenschaftlern und Kartographen hochpräzise und genaue Einblicke in natürliche und vom Menschen geschaffene Umgebungen. Im Vergleich zu luftgestützten Lidar-Systemen profitieren Satelliten-Lidar-Systeme von schnellen Wiederholungsintervallen und mehreren Überflügen über dasselbe Gebiet, wodurch Fernerkundungsanwendungen in den Bereichen Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Naturschutz, Geologie, Atmosphäre, Bergbau, Katastrophenüberwachung und mehr ermöglicht werden.

Eine weitere Art von Lidar-Instrumenten sind atmosphärische Lidars, die mithilfe eines Lichtstreuprozesses die Eigenschaften der Atmosphäre vom Boden bis zur Obergrenze der Atmosphäre untersuchen. Lidars, die zur Erkennung von Merkmalen auf der Erdoberfläche eingesetzt werden, nutzen die Reflexion an festen Oberflächen, bei der Photonen vom Boden zurück zum Empfangsteleskop des Satelliten reflektiert werden. Bei der Messung von Wolken und Aerosolen hingegen messen Lidars das aus der Atmosphäre zurückgestreute Laserlicht.

Lidars mit hoher spektraler Auflösung (HSRL) sind atmosphärische Lidars, die in der Lage sind, die Beiträge von Aerosol- (Mie) und Molekülstreuung (Rayleigh) in zwei Kanäle zu trennen, wodurch die optische Tiefe des Aerosols (AOD) ermittelt werden kann, ein Maß für den Extinktionseffekt des Aerosols. Diese Lidar-Systeme können Informationen über Eigenschaften wie Partikelhöhe, optische Eigenschaften, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie atmosphärische Gaskonzentrationen liefern. Satelliten bieten die Möglichkeit, wiederholte Messungen über denselben Standort durchzuführen, wobei die Lidar-Daten dazu verwendet werden können, unser Verständnis des vertikalen und horizontalen Transports von Partikeln und Gasen in der Atmosphäre zu verbessern. Elastische Rückstreuungs-Lidars können die Aerosolextinktion nicht messen, liefern jedoch Informationen über die Höhe und vertikale Dicke von Aerosol- und Wolkenschichten sowie über weitere optische Eigenschaften, die das Klima beeinflussen.

Schematische Darstellung eines weltraumgestützten Lidars Quelle: eoPortal

Relevante Satellitenmissionen

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)
• 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) 
• Lidar News, the Home of the Lidar Industry - Startseite
• UAV LiDAR improves land mine clearance planning (Routescene Inc)
• Lidar - Light detection and ranging (eoPortal)