Pionierarbeit mit Einzelphotonen-Lidar-Technologie in Europa

Autorin: Renata Barradas Gutiérrez

Die ersten Landkarten wurden auf Pergament gemalt und waren in ihrer Genauigkeit, Qualität und Reichweite sehr eingeschränkt. Technologische Veränderungen haben die Kartografie revolutioniert und die Art, wie wir räumliche Daten erfassen, darstellen und verbreiten, grundlegend verändert. Heute lassen sich detaillierte Karten mit geografischen Informationen auf jedem Gerät darstellen, das über einen Browser verfügt.

Wenn Sie Pamplona besuchen – die Hauptstadt der für ihren Stierkampf welberühmten Region Navarra im Norden Spaniens – können Sie über Ihr Smartphone auf Karten mit sämtlichen topografischen Informationen dieser vielgestaltigen Region zugreifen.

Die Behörde für Wirtschaftsentwicklung der Region Navarra gewährt der Öffentlichkeit freien Zugang zu einer Vielzahl von Basiskarten, darunter Kataster- und hydrografische Karten, Dokumentationen von Kulturdenkmälern und Infrastruktur oder kartografische Orthofotos, über eine einzige Schnittstelle. Diese Daten weisen einen hohen Informations- und Detaillierungsgrad auf und wurden erstmals in Europa mit Einzelphotonen-LiDAR-Technologie erfasst. 

Technologische Quantensprünge

Schon in der Vergangenheit hat sich Navarra immer wieder als Pionierregion hervorgetan, die neueste Technologien anwendete, um bestmögliche geografische Informationen zu erlangen. So wurde Navarra 1929 überflogen und aus der Luft fotografiert, um anhand der Luftbilder eine Katasterkarte der Region anzulegen. 1967 ließ die Verwaltung von Navarra einen ersten kartografischen Plan anlegen, der den Aufbau einer bemerkenswerten geodätischen Infrastruktur erforderte, die für die damalige Zeit führend war.

44 Jahre später – von 2011 bis 2012 – nahm Tracasa, ein Unternehmen, das auf dem spanischen Markt für umfangreiche Kataster-, Kartografie- und GIS-Projekte bekannt ist, die Topografie von Navarra mittels hochdichter LiDAR-Technologie auf. Mithilfe von Leica ALS60-Luftbildsensoren erfasste Tracasa 1,2 Punkte pro Quadratmeter des heterogenen Landstrichs aus der Luft.

2017 fasste die Kartografiebehörde von Navarra den Beschluss, die LiDAR-Daten der autonomen Gemeinschaft auf den neuesten Stand zu bringen. Dabei wurde die Punktdichte im Vergleich zum vorigen Datensatz um den Faktor 10 auf 14 Punkte pro Quadratmeter erhöht – ein technologischer Quantensprung, der erst durch den Leica SPL100­LiDAR-Sensor ermöglicht wurde. 

Die richtige Technologie zur Begehung neuer Wege in Europa

Da keine anderen Unternehmen in Europa Erfahrung mit dieser Lösung hatten, war es nicht ganz einfach, die Eignung des ersten kommerziell verfügbaren Einzelphotonen-LiDAR-Luftbildsensors für die beabsichtigte Anwendung zu überprüfen.

Nach der Erteilung des Auftrags durch die Verwaltung von Navarra führte Tracasa in Zusammenarbeit mit dem spanischen Nationalen Institut für Geografie (IGN) ein anspruchsvolles Ausschreibungsverfahren durch, das eine sehr hohe Punktdichte von 10 Punkten pro Quadratmeter forderte. Nur einige wenige Sensoren konnten diese Forderung mit der für eine so große Fläche benötigten Effizienz erfüllen.

Als Ergebnis des Ausschreibungsverfahrens übertrug Tracasa Flug und Datenerfassung an Grup-Air-Med und COWI, die dafür mit einem B 200-Turboprop-Flugzeug, einem SPL100-LiDAR-Sensor und einer Leica RCD30­Mittelformatkamera ausgerüstet waren. Mit 100 Ausgangsstrahlen und insgesamt 6 Millionen Messungen pro Sekunde gelang dem Team die Erfassung der ganzen großen Fläche binnen weniger Monate.

„Neu ist für uns die erhöhte Punktwolkendichte, die eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen wird. Wir haben eine durchschnittliche Punktdichte von 14 Punkten pro Quadratmeter mit einer Genauigkeit besser als 20 Zentimeter in der Planimetrie bzw. 15 Zentimeter in der Altimetrie erzielt. Die gleichzeitige Erfassung von RGBN-Bildern mit einer Mittelformat-Fotogrammetriekamera hat es außerdem ermöglicht, gleichzeitig Daten zur Kolorierung der Punktwolke zu sammeln.

Wir sind in jeder Hinsicht zufrieden mit den Daten – sowohl was Punktdichte, als auch was Zonenspezifikation und Genauigkeit anbelangt. 2011 hatten wir einen Punkt pro Quadratmeter, heute sind es 14“, so der Projektleiter von Tracasa, Víctor García Morales, zufrieden.

Hohe Berge und tiefe Täler

Die autonome Gemeinschaft Navarra ist 10.391 Quadratkilometer groß und liegt an der Grenze zu Frankreich zwischen den Pyrenäen und dem Fluss Ebro. Trotz ihrer relativ geringen Größe weist die Region eine sehr vielgestaltige Landschaft auf, in der die Bergmassive der Pyrenäen mit einer Höhe von 2.400 Metern und mehr in scharfem Kontrast zu den flachen Schwemmlandebenen des Ebro-Tals stehen. 

„Navarra ist die perfekte Gegend zum Testen eines Luftbildsensors. Wenn der Sensor hier – in dieser heterogenen Landschaft, in welcher der Bewuchs, die Flugplanung und die Ausführung der Flüge Herausforderungen waren – erfolgreich eingesetzt werden konnte, wird das überall möglich sein“, ist Moisés Zalba Almándoz, der Geschäftsführer von Tracasa, überzeugt.

Vor jedem Flug mussten viele Aspekte bedacht werden. Der Flugplan zur Erfassung von Navarra sah ursprünglich 200 Flugstreifen vor. Der SPL100 durchdrang die Vegetation, Bodennebel und dünne Wolkenschichten, um hochdichte Punktwolken zu generieren, während mit der 80-MP-Kamera RGBN-Farbinformationen gesammelt wurden.

„Die alte Technologie erforderte rund 270 Flugstunden, während wir mit dem SPL100 in nur 170 Stunden 14 Mal dichtere Punktwolken erfassen konnten. Durch bessere Planung lässt sich dieser Aufwand sogar noch weiter verringern“, vermutet García Morales.

Entscheidungen über große Flächen erfordern detaillierte, einheitliche Daten und häufige Aktualisierungen zu überschaubaren Kosten. Unternehmen sollten die Kosten pro Datenpunkt im Auge behalten. Einzelphotonen-LiDAR-Systeme erfassen eine Million Messungen pro Sekunde mit einer Schwadbreite von zwei Kilometern. Der SPL100 eignet sich ideal zur Abdeckung großer Flächen und Reduktion der Kosten pro erfasstem Datenpunkt.  

Unterschiedliche Anwendungen - Unterschiedliche Anwender

Im Rahmen dieses Projekts, das wiederum Teil des nationalen Orthofotografie-Flächenplans (PNOA) des IGN ist, sollen in ganz Spanien alle sechs Jahre hochdichte LiDAR-Daten erfasst werden. Die Bereitstellung kartografischer Daten für unterschiedlichste Anwendungen und Anwender ist ein langwieriger Prozess, in dem die LiDAR-Datenerfassung nur ein einzelnes Puzzleteil darstellt. Ebenso wichtig sind die Auswertung und Visualisierung der gesammelten Daten.

Die SPL100-LiDAR-Daten von Navarra wurden mit HxMap nachbearbeitet, während die Flugplanungssoftware Leica MissionPro zur Flugplanung in 3D und 2D diente. Als zentrale Plattform zur Datenbearbeitung unterstützte HxMap die Generierung sämtlicher LiDAR-Datenprodukte über eine Schnittstelle. Einzelphotonen-LiDAR und HxMap konnten in einem Workflow u. a. für folgende Anwendungen zusammengefasst werden: 

• Erstellung eines digitalen Höhen- und Geländemodells
• Aktualisierung von Kartenmaterial 
• Ausarbeitung eines Waldbewirtschaftungsplans 
• Kartierung von Überflutungsgebieten und andere hydrologische Anwendungen
• Unterstützung bei der Ausarbeitung und Umsetzung von Notfallplänen
• Kartierung von Stromleitungen
• Bereitstellung von Informationen für die Öffentlichkeit