MitteilungVeröffentlicht am 7. Februar 2025

swissSURFACE3D: Meilenstein erreicht und Weichen für die Zukunft gestellt

Mit der Veröffentlichung der Daten für den Kanton Bern liegen nun für die gesamte Schweiz und das Fürstentum Liechtenstein einheitliche und hochpräzise LiDAR-Daten von swissSURFACE^3D vor. Die im Frühling 2017 gestartete Kampagne zur flächendeckenden Erfassung wurde in sechs Etappen durchgeführt und dauerte insgesamt etwas mehr als sieben Jahre. Aufgrund der hohen Nachfrage und der guten Erfahrungen hat swisstopo einen neue LiDAR-Erfassungskampagne lanciert und stellt so die Nachführung der Produkte swissSURFACE^3D und swissSURFACE^3D Raster sicher.

LiDAR-Daten vom Schloss Thun mit Bälliz im Hintergrund — LiDAR-Punktwolke vom Schloss Thun mit Bälliz im Hintergrund

Was muss man sich unter einer klassifizierten Punktwolke vorstellen? Jeder Punkt der Wolke besitzt neben seinen Koordinaten auch Attribute. Ein wichtiges Attribut ist die Klassenzugehörigkeit. Die erste Version von swissSURFACE^3D enthält folgende Klassifikation:
- Klasse 1: Nicht klassierte und temporäre Objekte
- Klasse 2: Boden
- Klasse 3: Vegetation
- Klasse 6: Gebäude
- Klasse 9: Wasser
- Klasse 17: Brücken, Überführungen, Stege und Viadukte
Anhand dieses Attributs kann man die Punktwolke nach einzelnen Klassen oder Kombinationen filtern. Damit eröffnet sich eine Vielfalt von Ableitungs-, Untersuchungs- und Darstellungsmöglichkeiten. In den folgenden Abbildungen sind nach Klassen eingefärbte Punktwolken als Querschnitt und dreidimensional abgebildet:
Weitere wichtige Attribute sind die Intensität des rückgestreuten Signals und der Zeitstempel des Aufnahmezeitpunkts. Anhand der Intensität kann man Rückschlüsse über die Beschaffenheit, Farbe oder das Material der Oberfläche ziehen. In der folgenden Darstellung ist der Flughafen Cointrin abgebildet. Die Punkte wurden nach Klasse und Intensität eingefärbt. Obwohl die gesamte Landepiste z.B. der Klasse 2 Boden zugeordnet wurde, kann man anhand der Intensitätswerte die Mittelstreifen, die Landeschwelle (Threshold) und den Reifenabrieb auf der Piste erkennen. Der Zeitstempel ermöglicht eine sehr genaue zeitliche Eingrenzung des Aufnahmezeitpunkts. Wichtig ist dies beispielsweise bei Differenzberechnungen zwischen zwei Höhenmodellen zur Ermittlung von Erosion, Ablagerung, Gletscherschmelze oder Massenbewegungen.

Anwendungsbeispiele von LiDAR-Daten bei swisstopo

Nachführung swissALTI3D

swisstopo verwendet die LiDAR-Daten hauptsächlich für die Nachführung bestehender Terrainmodelle. Sowohl Punktdichte wie auch Präzision der Messungen führen zu einem deutlichen Qualitätsgewinn. Zudem reichen die Daten nun weiter über die Schweizer Landesgrenze hinaus, so dass beispielsweise das Matterhorn nun vollständig durch swissALTI3D-Daten abgedeckt ist. Bis 2025 wird die Rasterzellauflösung von 50 cm von swissALTI^3D schweizweit auf hochauflösenden LiDAR-Daten basieren. Vorher- / Nachher-Vergleiche anhand von Reliefschattierungen zeigen ein deutliches Bild:

Neues Oberflächenmodell: swissSURFACE3D Raster

Ein digitales Oberflächenmodell (DOM) unterscheidet sich von einem digitalen Terrainmodell dadurch, dass es das Terrain mitsamt Vegetation und künstlicher Bebauung wie etwa Gebäuden oder Brücken wiedergibt. Aus den LiDAR-Daten von swissSURFACE^3D kann swisstopo swissSURFACE^3D Raster ableiten. Dies ist ein aktuelles, hoch aufgelöstes und fast vollautomatisch gerechnetes DOM, dass jeweils kurz nach den LiDAR-Daten erscheint.

Change detection für die Produktion von swissTLM3D

Ein oft verwendetes Produkt von swisstopo ist swissTLM^3D - das topografische Landschaftsmodell der Schweiz. Es enthält die natürlichen und künstlichen Objekte und bildet diese dreidimensional ab. Die Landschaft befindet sich in einem ständigen Wandel. Alle Veränderungen müssen entdeckt und nachgeführt werden. Diese werden auch mithilfe von klassierten LiDAR-Daten gefunden. Aus der LiDAR-Punktwolke können beispielsweise Gebäude oder Brücken anhand ihrer Klassenzugehörigkeit extrahiert werden. Danach werden sie mit dem bestehenden TLM-Datensatz verglichen. Detektierte Unterschiede weisen schlussendlich auf reale Veränderungen hin.

Änderungen swissTLM3D anhand LiDAR-Daten — Änderungsabbildung, links Gebäude, rechts Brücken. Grüne Objekte haben keine Änderung erfahren, rote fehlen im TLM, blaue sind im TLM noch vorhanden, jedoch nicht mehr im LiDAR-Datensatz

Externe Anwendungsbeispiele

Archäologie

Im Herbst 2023 entdeckte ein ehrenamtlicher Detektorgänger eine auffällige Geländestruktur in der Flur Colm la Runga, etwa 900 Meter über einem antiken Gefechtsfeld. Er nutzte dafür die Reliefschattierung des digitalen Geländemodells swissALTI^3D. Diese wiederum basiert auf den hochauflösenden LiDAR-Daten von swissSURFACE^3D, welche selbst kleinste Höhenunterschied im Gelände erfassen. Da Archäologische Funde und Fundstellen (und dazu gehören auch solche Entdeckungen im LiDAR) der Allgemeinheit gehören, meldete der ehrenamtliche Mitarbeiter verschiedener Kantonsarchäologien die Entdeckung dem Archäologischen Dienst Graubünden. Die auffällige Geländestruktur entpuppte sich als künstliche Befestigung einer Kuppe mit mehreren Gräben und Wällen. Erste Funde und Untersuchungen zeigen, dass es sich dabei tatsächlich um ein 2000 Jahre altes, römisches Lager handelt. Mehr dazu: Römisches Militärlager in Graubünden neu entdeckt.

Auffällige Geländestruktur Colm La Rugna — Drohnenaufnahme der auffälligen Geländestruktur bei Colm La Rugna — © Fotografie Andrea Badrutt, Chur

Reliefschattierung der auffälligen Geländestruktur bei Colm la Rugna

Colm Da Rugna Fundstelle — Erste Funde und Untersuchungen zeigen, dass es sich bei der Fundstelle auf dem Colm la Rugna um ein 2000 Jahre altes, römisches Militärlager handelt — © Fotografie Andrea Badrutt, Chur

Fundgegenstand Colm La Rugna — Einer der Fundgegenstände — © Fotografie Andrea Badrutt, Chur

Landschaftsgestaltung und Stadtplanung

Forscher und Architekten des large scale virtualization and modeling lab der ETH Zürich verwenden swissSURFACE^3D LiDAR-Punktwolken als Grundlage für eine ganzheitliche Herangehensweise bei der Landschafts- und insbesondere der Stadtgestaltung. Die LiDAR-Daten dienen dabei drei zentralen Komponenten:

Der Geländemodellierung. Geländemodelle ermöglichen ein besseres Verständnis der räumlichen Strukturen und der Entwicklung von standortspezifischen Lösungen.
Der wissenschaftlichen Visualisierung: biophysikalische Eigenschaften wie Höhenunterschiede, Hangneigungen oder Vegetationsmuster können abgeleitet werden und unterstützen so eine analytische und designorientierte Auseinandersetzung mit der Landschaft.
Der Berechnung von «Landschaftsphysik»: Durch LiDAR-Daten abgeleitete Geländemodelle können beispielsweise mit klimatischen oder hydrologischen Daten kombiniert werden, um Auswirkungen urbaner Hitzeinseln oder Versiegelung zu simulieren. Solche Simulationen sind essentiell für eine nachhaltige urbane Entwicklung.

Das folgende Video veranschaulicht die drei Komponenten am Beispiel eines städtebaulichen Entwurfs der Genfer Gemeinde Carouge.

Ausblick

Im Rahmen der neuen Kampagne wurden bereits die Kantone Appenzell Innerrhoden und Appenzell Ausserrhoden, Glarus, Schaffhausen, Schwyz, St. Gallen, Thurgau, Zug und Zürich beflogen. Diese Daten sind aktuell in Bearbeitung und werden in den kommenden Monaten fortlaufend publiziert. Und es geht weiter: Zurzeit werden LiDAR-Daten in der Romandie (blauer Block) kontinuierlich erfasst. Ab 2030 sollten die Daten flächendeckend verfügbar sein.

Planung swissSURFACE3D Erfassung 2024 - 2029 — Geplante Erfassungsetappen von swissSURFACE3D. Ungefähr 12 Monate nach der Erfassung sind die Daten öffentlich verfügbar

Neuerungen

Unter Berücksichtigung der Kundenrückmeldungen und Anregungen sowie des Fortschritts in der LiDAR-Technologie hat swisstopo entschieden, für die kommende Version von swissSURFACE^3D folgende Neuerungen einzuführen:

eine höhere Punktdichte: min. 10 Pulse pro m²
zusätzliche Klassen: Fassaden, Strommasten/Transportmasten, Stromleitungen/Transportkabel und Brückenpfeiler / tragende Seile
synthetische Punkte auf Gewässern und unter Brücken
normalisierte Intensitätswerte für einen flächenübergreifenden Vergleich der Werte
ein neues Datenformat: cloud optimized point cloud .laz statt den bisher gezippten .las-Files

LiDAR-Daten von Eglisau aus 2018 — Eglisau mit seiner Eisenbahnbrücke über den Rhein. Die LiDAR-Punktwolke von 2018 ist nach Klassen eingefärbt. Brücke, Strommasten, Fahrleitung sind alle grau eingefärbt, da sie zur selben Klasse gehören. Fassaden und Dächer werden auch der gleichen Klasse zugeordnet.

LiDAR Daten Eglisau 2024 — Eglisau mit seiner Eisenbahnbrücke über den Rhein. Die LiDAR-Punktwolke 2024 ist nach neuen Klassen eingefärbt. Brücke, Strommasten, Fahrleitung und Fassaden sind in unterschiedlichen Farben eingefärbt.

Falls Sie Fragen oder spezifische Anregungen zu den geplanten Messkampagnen, zu swissSURFACE^3D oder generell zu unseren Geodaten haben, freuen wir uns über Ihre Mail an geodata@swisstopo.ch. Bleiben Sie auch mittels des geodata-Newsletters auf dem Laufenden: Anmeldung für den Geodata Newsletter.