Veröffentlicht am 8. Januar 2024

Beschaffung von LiDAR-Daten

swisstopo hat 2024 die eine weitere LiDAR-Erfassung der Schweiz und des Fürstentums Liechtenstein lanciert. Airborne Laser Scanning ist eines der effizientesten Verfahren, um das Gelände in 3D zu erfassen. Es liefert wertvolle und hochwertige Daten sowohl in Bezug auf den Detaillierungsgrad wie auch auf die Genauigkeit. Die erhobenen Daten bilden die Grundlage für die digitalen Terrainmodelle, werden aber auch für andere Produkte und zahlreiche Anwendungen genutzt.

Das Bild zeigt eine klassifizierte LiDAR-Punktwolke in der Umgebung des Schlosses Spiez.

Die Messkampagne

swisstopo nutzt die LiDAR-Technologie seit den 2000er Jahren für die Produktion des digitalen Terrainmodells der amtlichen Vermessung (DTM-AV), welches später von swissALTI^3D abgelöst wurde. Dank des Eindringens des Lasers in den Wald ist die Erstellung eines landesweiten homogenen DTM von hoher Qualität möglich. 2024 hat swisstopo eine neue Messkampagne zur Beschaffung von LiDAR-Daten für die ganze Schweiz und das Fürstentum Liechtenstein gestartet, gestaffelt über einen Zeitraum von 6 Jahren (siehe zeitliche Planung unten). Bei den Jahreszahlen handelt es sich um das Jahr der Befliegung. Durchschnittlich sind die Daten etwa 12 Monate nach der Befliegung verfügbar. Die Daten werden laufend publiziert und die Kampagne findet mit der Publikation der Daten bis Ende 2030 ihren Abschluss.

Geplante Erfassungsetappen von swissSURFACE3D. Ungefähr 12 Monate nach der Erfassung sind die Daten öffentlich verfügbar

Aus den LiDAR-Daten entstehen klassifizierte Punktwolken. Sie dienen der internen Nachführung der Gelände- und Landschaftsmodelle und werden auch über die Produktseite unter dem Produkt swissSURFACE^3D vertrieben.

Die aktuelle Verfügbarkeit der LiDAR-Daten kann über die Ebene «Einteilung swissSURFACE3D» auf dem Geoportal der Bundesverwaltung map.geo.admin.ch eingesehen werden.

Eigenschaften der LiDAR-Daten

• Laub- und schneefreie Datenerfassung für eine optimale Bodeninformationserhebung und DTM-Erstellung
• Punktdichte: mind. 10 Pulse /m²
• Klassifizierung: nicht klassifiziert, Boden, Vegetation, Gebäudedächer, Wasser, Hochspannungs- und Verkehrsleitungen, Masten mit tragender Funktion, Brückenplatten Viadukte und Stege, Gebäudefassaden, Brückenfpeiler und Viaduktschrägseile
• Synthetische Punkte auf Seen und unter Brücken (Klasse Wasser und Boden mit einer Flag synthetic markiert)
• Normalisierte Intensitätswerte
• Lagegenauigkeit: 20 cm (1 Sigma)
• Höhengenauigkeit: 10 cm (1 Sigma) 
   

Kantonale LiDAR-Daten

Parallel zu der von swisstopo geplanten Beschaffung von LiDAR-Daten erwirbt das Bundesamt teilweise auch kantonale LiDAR-Daten, sofern diese den Qualitätskriterien und den Erfassungsperioden entsprechen. Diese kantonalen Daten sind auch in den von swisstopo vertriebenen Produkten enthalten.

• Weitere Informationen zur LiDAR-Technologie

  LiDAR (aus dem Englischen Light Detection And Ranging) - im spezifischen Fall airborne LiDAR - ist eine Technologie, mit der man die Erde aus der Luft präzise vermessen kann. Ein auf Flugzeug oder Drohne installierter Laserscanner entsendet Laserpulse. Diese Pulse werden durch die Umgebung reflektiert. Ein Sensor an Bord des Flugzeugs registriert das Signal und misst die Laufzeit. Anhand der Zeitspanne kann die Entfernung zwischen dem Flugzeug und dem reflektierenden Objekt berechnet werden.

  

  Abbildung einer Aufnahme durch flugzeuggestütztes LiDAR

  Der Laserscanner entsendet mehrere hunderttausend Laserpulse pro Sekunde. So entsteht eine detaillierte 3D-Karte der Umgebung. Die Laserpulse können im Optimalfall die Vegetationsdecke und auch Dunst durchdringen.

  Mit einer Punktdichte von mehreren Punkten pro Quadratmeter, einer Genauigkeit von 10 cm und einer hohen Erfassungsgeschwindigkeit, ist das flugzeuggestützte Laserscanning eines der leistungsfähigsten Verfahren für die Ermittlung der Topografie. Die Daten werden hauptsächlich für die folgenden Anwendungen verwendet:

  • Automatische 3D-Modellierung von Gebäuden und anderen Landschaftsobjekten
  • Walderhebungen: Baumhöhe, -breite und -neigung, Holzschlagkarten und -planung, Biomassenberechnung, digitale Kronenmodelle
  • 3D-Modellierung von Objekten unter der Vegetationsdecke wie Waldstrassen oder Wasserläufe
  • Monitoring von Freileitungen (Kabel, Hochspannungsleitungen)
  • Erstellung von digitalen Terrainmodellen
  • Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen
  • Sichtbarkeitsanalyse
     

  Von den Rohdaten zu den Endprodukten

  Die LiDAR-Daten müssen mehrmals bearbeitet werden, bevor sie für spezifische Anwendungen verwendet werden können.

  Direkte Georeferenzierung

  Die Kenntnis zur vorliegenden Distanz zwischen dem Messgerät und dem Boden allein genügt für eine topografische Aufnahme nicht. Alle gemessenen Punkte müssen in einem terrestrischen Koordinatensystem referenziert sein. Die Lage und Höhe des Flugzeugs werden durch GNSS, Roll-, Nick- und Gierwinkel (roll, pitch, yaw) anhand einer Inertialen Messeinheit (IMU) aufgezeichnet. Durch eine Synchronisierung der GNSS- und IMU-Daten und einer anschliessenden Berechnung der exakten Flugbahn des Flugzeugs (Trajektorie) wird die Position und Ausrichtung des Sensors präzise im dreidimensionalen Raum definiert. Verzerrungen und Flugzeugbewegungen werden korrigiert. Die Laufzeit ermöglicht die Berechnung der 3D-Koordinaten für alle gemessenen Punkte. Danach erfolgt eine Flugstreifenanpassung, wobei mögliche Differenzen in Höhe und Lage zwischen einzelnen Flugstreifen entdeckt und beseitigt werden. Abschliessend werden die Daten ins schweizerische Koordinaten- und Höhenreferenzsystem transformiert.

  Klassifizierung

  Die mit dem LiDAR-Messverfahren generierte Punktmasse wird Punktwolke genannt. Sie enthalten alle Objekte, die ein Lasersignal zurückgeworfen haben. Die Punktwolke im Rohzustand ist sehr komplex und schwierig zu interpretieren. Um einfachere und verständlichere Informationen zu erhalten, wird jeder Messpunkt einer vordefinierten Klasse zugewiesen, welche die Art des Objekts beschreibt. Je nach Nutzerbedürfnissen kann die Anzahl Klassen variieren. Die meisten Projekte verwenden mindestens folgende Abgrenzungen: nicht klassifizierte Punkte, Boden, Vegetation, Gebäude, Wasserläufe.

  

  Querschnitt einer nach Klassen eingefärbte LiDAR-Punktwolke

  Klassifizierte Punktwolke

  Die klassifizierte Punktwolke kann bereits als Endprodukt bestellt werden. Sie ist für die Verarbeitung anspruchsvoller als gewisse vereinfachte Produkte (siehe weiter unten), bietet jedoch mehr Flexibilität und eignet sich für viele Anwendungen. swisstopo vertreibt die klassifizierte Punktwolke unter dem Produkt swissSURFACE^3D.

  Das LAS-Format (Link auf Englisch) ist für diese Daten das geeignetste und am meisten verbreitete Datenformat. Es wurde von der Amerikanischen Gesellschaft für Fotogrammetrie und Fernerkundung (ASPRS) als frei zugängliches Format entwickelt und ist äusserst effizient in der Bewältigung von grossen Datenvolumen. Die spezifischen Informationen der LiDAR-Punkte bleiben enthalten.

  Digitales Terrain- und Oberflächenmodell

  Eine klassifizierte Punktwolke umfasst eine Vielzahl an Informationen. Die Nutzung ist allerdings komplex. Deshalb werden aus den LiDAR-Daten oft zwei vereinfachte Produkte erzeugt: das digitale Terrainmodell (DTM) und das digitale Oberflächenmodell (DOM). Beide Produkte bieten eine homogene Darstellung der Informationen im Raum. Die unregelmässigen Messwerte einer Punktwolke werden interpoliert und als Raster mit regelmässigen Maschenweiten angeboten. Dies ermöglicht die Verwendung eines Rasterformats (Bild) und erleichtert die weitere Bearbeitung. Oft verringert sich dabei aber auch die Datendichte und die Klassifizierung geht verloren.
  
  Das DTM beschreibt die Oberfläche ohne Bewuchs und Bebauung. Aus der Punktwolke werden lediglich die Bodenpunkte verwendet. swisstopo bietet ein solches Modell mit dem Produkt swissALTI^3D an. Das DOM verwendet alle klassifizierten Punkte und stellt damit die Erdoberfläche mit Bewuchs und Bebauung dar.

  

  Beispiel eines DOMs (links) und eines DTMs (rechts)