Airborne Laserscanning (ALS) - Befliegungen

Das Land Oberösterreich beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren mit dem Thema "Airborne Laser Scanning“ (ALS) zur topographischen Höhenerfassung. Dabei wird aus einem Flugzeug oder Hubschrauber aus, jedes Jahr ein Teil des Bundeslandes mittels ALS vermessen. Die bis jetzt durchgeführten Befliegungen sind auf der folgenden Abbildung visualisiert:

Folglich stehen für ganz Oberösterreich Höhenprodukte wie Digitales Geländemodell (DGM), Digitales Oberflächenmodell (DOM), Schichtenlinien, Hangneigungskarten, etc. zur Verfügung. Der Großteil der aus ALS-Befliegungen abgeleiteten Daten steht als „Open Data“ Datensatz frei zur Verfügung.

Grundsätzlich wird Laser Scanning unter dem Begriff „Light Detection and Ranging“ (LIDAR) geführt. Beim Airborne Laser Scanning handelt es sich um eine flugzeuggetragene Aufnahmemethode. Hinsichtlich Wellenlängenbereich kommt zumeist nahes Infrarot (NIR) mit [0,7 bis 1,4 µm] zum Einsatz. Von Bedeutung ist auch der grüne Wellenlängenbereich [0,5 µm], mit welchem ein Eindringen des Laserstrahls in die Wasseroberfläche ermöglicht wird. Bei ALS-Befliegungen ist ein Laserscanner gemeinsam mit einem Satellitenpositionierungssystem (GNSS) sowie einer inertialen Messeinrichtung (IMU) in einem Fluggerät montiert. Bei der Befliegung wird die jeweilige Position des Laserscanners im dreidimensionalen Raum (X/Y/Z) mittels GPS ermittelt, sowie die Drehwinkeln (aufgrund von Schwankungen des Fluggerätes) mittels IMU aufgezeichnet. Die GNSS-Koordinaten werden mittels Korrekturdaten von GNSS-Bodenstationen präzisiert.

Der Laserscanner tastet mit Hilfe eines rotierenden Spiegels die Erdoberfläche quer zur Flugrichtung ab. Dabei erfolgt eine Reflexion des Laserstrahls an Oberflächenobjekten wie etwa Gelände, Vegetation oder Bebauung. Die Entfernung zum Objekt wird durch Laufzeitmessung des Impulses bestimmt. Vereinfacht gesagt, ergibt sich aus der Laufzeitmessung, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, die Entfernung. Die "Pulse Repetition Rate" (PRR) als Wiederholungsrate beim Aussenden des Laserimpulses und die "Scan Rate" als Messrate stehen im Zusammenhang und haben Einfluss auf die resultierende Punktdichte. Neben diesen beiden Parametern ist für die Punktdichte auch die Flughöhe eine entscheidende Größe. Bei einer Flughöhe von z.B. 1.200 m über Grund muss der Impuls – hin und retour - zumindest 2.400 m zurücklegen. Folglich ist in Verbindung mit der Lichtgeschwindigkeit eine Laufzeit von 8 µs anzunehmen. Die Scan Rate bildete in der Vergangenheit den limitierenden Faktor, da die PRR – die Rate zum Aussenden von Impulsen – höher lag, als die Rate zum Empfangen der Returns. Die Laserscanner-Hersteller haben darauf reagiert und bieten heutzutage Techniken an, um mehrere Impulse gleichzeitig zu verarbeiten. Beim österreichischen Hersteller Riegl wird dies mittels des Verfahrens "Multiple-Time-Around" (MTA) gelöst. Der große Vorteil liegt darin, dass der Laserscanner nicht den Return des vorherigen Laserstrahls abwarten muss, um einen neuen Impuls auszusenden. Durch eine Zuordnung von Höhenlagen in verschiedene Zonen (MTA Zone 1, MTA Zone 2, etc.) können Mehrdeutigkeiten im Postprocessing gelöst werden und dies ermöglicht nun eine PRR von bis zu 1800 kHz und bis zu 1,5 Mio. Messungen pro Sekunde.

Der Laserstrahl weist beim Auftreffen auf einer horizontalen Objektoberfläche einen Durchmesser von bis zu 30 cm auf. Bei Vegetation kommt es zu mehreren Reflexionen (Echos) pro Schuss. Die letzte Reflexion sollte nach Möglichkeit bis zum Geländeboden durchdringen. Bei der nachfolgenden Punktklassifizierung werden dann alle Nicht-Bodenpunkte von den Bodenpunkten getrennt. Auch in Nadelwäldern ist eine Durchdringungsrate von rund 30 % gegeben.

Die maximale Anzahl der zu verwaltenden Echos pro Schuss ist je nach Laserscanner unterschiedlich sowie begrenzt. Bei der Technologie "Full Waveform Airborne Laser Scanning" werden nicht mehr die diskreten Echos erfasst, sondern die „Full Waveform“ (FWF) aufgezeichnet. Im Online Waveform-Processing bzw. späteren Postprocessing werden dann die FWF-Daten analysiert und Parameter sowie diskrete Echos ohne Limitierung extrahiert. Vor allem wenn man an der Vegetation interessiert ist, ist eine Vielzahl von Echos pro Schuss für weitere Analysen äußerst hilfreich.

Da man in Oberösterreich primär an der Erstellung eines hochgenauen Geländemodells interessiert ist, wird hohe Priorität auf den Flugzeitpunkt "Frühjahr" gelegt. Die Befliegung sollte im Idealfall nach Schneeschmelze und vor Laubaustrieb erfolgen. Als weitere Qualitätsparameter können folgenden Angaben gemacht werden:

Punktdichte

• Ersterfassung: mindestens 1 Punkt/m²
• Zweiterfassung: mindestens 4 Punkt/m²
• Dritterfassung: mindestens 8 Punkt/m²

Punktgenauigkeit

• Ersterfassung: Lage < 30 cm und in der Höhe < 15 cm (Standardabweichung)
• Zweiterfassung: Lage < 20 cm und in der Höhe < 10 cm (Standardabweichung)
• Dritterfassung: Lage < 15 cm und in der Höhe < 7,5 cm (Standardabweichung)

Darüber hinaus erfolgt seit 2011 eine detaillierte Klassifizierung der gesamten Punktwolke in Boden / Vegetation / Gebäude / Brücken / Wasser etc.

• Wasserwirtschaft (Gefahrenzonenpläne, Hochwassersimulation)
• Straßenbau (Trassensuche, -planung, Steigungsverhältnisse)
• Forst-, Agrarbereich (Forststraßenbau, Bestandshöhen, Hangneigungen)
• Umweltschutz (Lärmschutz, Immissionen, Altlasten/Deponien)
• Vermessung (GPS- Planung, 3D-Visualisierung, Sichtbarkeitsanalysen)
• Raumordnung (Standorteignung)
• Archäologie (Fundstättensuche)
• Geologie (geomorphologische Untersuchungen)
• Wildbach- und Lawinenverbauung (Gefahrenzonen)
• Wohnbau (Standorteignung, Sonneneinstrahlung, Sichtbarkeitsanalysen)
• Mobilfunkplanung (optimierte Senderstandorte)
• Versicherungswirtschaft (objektive Risikoabschätzung bez. Naturgefahren) etc.