Beschaffung von LiDAR-Daten
Lidar-Daten sind 3D-Daten, die mittels Laserscanning von einem Flugzeug aus aufgenommen werden. Aus den Punktwolken lassen sich hochpräzise digitale Höhenmodelle der Landschaft ableiten.
Wiederholung der Messkampagne
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 hat swisstopo in Zusammenarbeit mit den Kantonen 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 weiter unten). Diese findet mit der PUblikation der Daten bis Ende 2024 ihren Abschluss.
Aufgrund der sehr guten Erfahrungen und der hohen Nachfrage hat swisstopo entschieden, die LiDAR-Messkampagne zu wiederholen und somit das Produkt swissSURFACE3D nachzuführen. Sofern es die Finanzen ermöglichen, sollen erneut die gesamte Schweiz sowie das Fürstentum Liechtenstein über eine Zeitspanne von 6 Jahren erfasst werden. Die provisorische Planung für die Beschaffung der neuen LiDAR-Daten (Änderungen vorbehalten) ist in der folgenden Abbildung ersichtlich. Bei den Jahreszahlen handelt es sich um das Jahr der Befliegung. Durchschnittlich sind die Daten etwa 12 Monate nach der Befliegung 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 swissSURFACE3D 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. 5 Pkt./m2, Mittelwert um 15-20 Pkt/m2
- Klassifizierung: nicht klassifiziert, 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.
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.
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 swissSURFACE3D.
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.
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