Beschaffung von LiDAR-Daten

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. 2017 startet swisstopo eine neue Messkampagne zur Beschaffung von LiDAR-Daten.

Klassifizierte Punktwolke der Kathedrale von Lausanne

swisstopo nutzt die LiDAR-Technologie seit den 2000er Jahren für die Produktion des digitalen Terrainmodells der amtlichen Vermessung (DTM-AV), welches später von swissALTI3D abgelöst wurde. Dank des Eindringens des Lasers in den Wald ist die Erstellung eines landesweiten homogenen DTM von hoher Qualität möglich. Im 2017 startet swisstopo in Zusammenarbeit mit den Kantonen eine neue Messkampagne zur Beschaffung von LiDAR-Daten für die ganze Schweiz und das Fürstentum Liechtenstein, gestaffelt über einen Zeitraum von 6 Jahren (siehe zeitliche Planung weiter unten).

Aus den LiDAR-Daten entstehen klassifizierte Punktwolken. Sie dienen der internen Nachführung der Gelände- und Landschaftsmodelle und werden von unserer Kundschaft ausserhalb des Amtes genutzt.

Karte mit der zeitlichen Planung für die Beschaffung der LIDAR-Daten in den 6 Regionen. 2017-18: Nordostschweiz. 2018-19: Westschweiz. 2019-20: Zentral- und Südschweiz. 2020-21: Graubünden. 2021-22: Jura und Wallis. 2022-23: Bern, Basel und Solothurn.
Zeitliche Planung für die Beschaffung von LiDAR-Daten (Änderungen vorbehalten)

Die neuen LiDAR-Daten decken das gesamte Gebiet der Schweiz und des Fürstentums Liechtenstein bis auf eine Höhe von ca. 2400 m ab (siehe Karte). In vegetationsfreien Gebieten kann die Topografie anhand der jährlichen Bildflüge fotogrammetrisch modelliert werden.

Eigenschaften der LiDAR-Daten

  • Laub- und schneefreie Datenerfassung für eine optimale Bodeninformationserhebung und DTM-Erstellung
  • Punktdichte: mind. 5 Pkt./m2 (Bodenauflösung ca. 45 cm), max. 10 Pkt./m2 (Bodenauflösung ca. 30 cm)
  • Klassifizierung: nicht klassifiziert (temporäre Objekte, Hochspannungsleitungen), Boden, Vegetation, Gebäude, Wasser, Brücken
  • 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.

Das LiDAR-System (aus dem Englischen Light Detection And Ranging) ist mit einem Sender sowie einem Lichtsensor ausgestattet und dient der Laser-Entfernungsmessung. Die verwendeten Wellenlängen liegen im unsichtbaren Spektralbereich und sind somit für das menschliche Auge nicht erkennbar. Die ausgesendeten Laserpulse werden von der Umgebung reflektiert und vom System wieder registriert. Anhand der Zeitspanne, welche die Pulse für den Hin- und Rückweg benötigen, wird die zurückgelegte Distanz berechnet.

Abbildung einer Aufnahme durch flugzeuggestütztes LiDAR
Topografische Aufnahme durch Airborne Laser Scanning

Der Laserscanner an Bord eines Flugzeugs misst die Topografie, indem er den Boden senkrecht zur Flugrichtung abtastet. Dabei entsendet er mehrere Hunderttausend Laserpulse pro Sekunde. Dieses Messverfahren nennt man flugzeuggestütztes Laserscanning (engl. Airborne Laser Scanning).

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 in unserer Umgebung. 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. Die gemessenen Punkte müssen in einem terrestrischen Koordinatensystem referenziert sein. Bei der Lasergrammetrie wird einzig die Position des LiDAR-Systems im Flug verwendet. Die Position im Raum (XYZ) wird mit GNSS und die Winkelposition (Roll-, Nick- und Gierwinkel) mit der inertialen Messeinheit gemessen. Diese Art von Georeferenzierung wird «direkt» genannt, weil dafür keine weiteren Bodenpasspunkte notwendig sind, was wiederum die Datenproduktion beschleunigt.

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.

Beispiel einer klassifizierten Punktwolke
Beispiel einer klassifizierten 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.

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.

Weitere Informationen zum LAS-Format

Dank der binären Datenverwaltung bietet LAS eine sehr hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit. Die XYZ-Koordinaten der Messpunkte werden durch die Verwendung eines Verschiebungsvektors und von Skalierungsfaktoren auf ein Minimum reduziert. Die Dateigrösse bleibt damit möglichst klein.

Zusätzlich zur Position der Punkte speichert das LAS-Format auch alle wichtigen LiDAR-spezifischen Informationen. So steht beispielsweise die vordefinierte Klassifizierung mit den verschiedenen Klassen und den zugehörigen Codes zur Verfügung.

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 swissALTI3D 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)
Beispiel eines DOMs (links) und eines DTMs (rechts)


Bundesamt für Landestopografie swisstopo Seftigenstrasse 264
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