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LiDAR vs. Photogrammetrie

WISSENSWERTES

LiDAR oder Photogrammetrie – Welche Methode passt zu Ihrem Projekt?

Die Wahl zwischen LiDAR und Photogrammetrie hängt von zahlreichen Faktoren ab. Beide Technologien haben sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt und bieten spezifische Vorteile, je nach Art des Projekts. Während LiDAR für präzises Höhenmessungen auch in bewaldeten Gebieten geeignet ist, bietet die Photogrammetrie eine kostengünstige Möglichkeit, große Flächen schnell und effizient zu kartieren.

Wie funktioniert LiDAR in Drohnen

Das Grundprinzip

LiDAR steht für Light Detection and Ranging und ist eine Technologie zur Entfernungsmessung mithilfe von Laserpulsen. Eine Drohne mit einem LiDAR-Sensor sendet kontinuierlich Laserstrahlen aus, die von Objekten oder dem Boden reflektiert werden. Der Sensor misst die Zeit, die das Licht benötigt, um zurückzukehren (Time-of-Flight-Prinzip), und berechnet daraus die Entfernung.

Das Ergebnis: Eine Punktwolke – eine dichte Ansammlung von 3D-Koordinatenpunkten, die ein detailliertes Abbild der Umgebung darstellen.

Schritte im LiDAR - Scanprozess mit Drohnen

LiDAR-Scanprozess
  • 1️⃣ Laserimpuls-Aussendung Der LiDAR-Sensor emittiert Laserstrahlen mit hoher Frequenz (z. B. 100.000 bis 2 Millionen Pulse pro Sekunde).
  • 2️⃣ Reflexion vom Objekt oder Boden Der Laser trifft auf eine Oberfläche (z. B. Straße, Vegetation oder Gebäude).
  • 3️⃣ Messung der Lichtlaufzeit Die Zeit vom Aussenden bis zum Empfang des reflektierten Signals wird erfasst.
  • 4️⃣ Berechnung der Entfernung Anhand der bekannten Lichtgeschwindigkeit berechnet das System die Distanz.
  • 5️⃣ Erzeugung einer Punktwolke Millionen einzelner Messpunkte werden zu einem 3D-Bild kombiniert.
  • 6️⃣ Georeferenzierung GPS und IMU (Inertiale Messeinheit) sorgen für eine präzise Positionierung der Punkte.

Wichtige Komponenten eines Drohnen-LiDAR-Systems

Ein leistungsfähiges Drohnen-LiDAR-System besteht aus mehreren essenziellen Komponenten, die für eine präzise und zuverlässige Datenerfassung sowie -verarbeitung erforderlich sind. In der Regel gilt: Je besser die technischen Komponenten sind, desto höher ist die Genauigkeit der erfassten Punktwolken, die Effizienz der Datenverarbeitung und die Robustheit des Systems unter schwierigen Bedingungen. Hochwertige Sensoren ermöglichen eine höhere Pulsrate und eine bessere Erfassung feiner Strukturen, während präzise GNSS- und IMU-Systeme die Positionsgenauigkeit maximieren. Zudem trägt eine leistungsstarke Datenverarbeitungseinheit dazu bei, große Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten und optimierte Punktwolken für verschiedene Anwendungen, wie Infrastrukturkartierung, Forstwirtschaft oder Hochbau, bereitzustellen.

Komponente Funktion
LiDAR-Sensor Kernstück des Systems – sendet Laserimpulse aus und misst die Laufzeit.
IMU (Inertial Measurement Unit) Misst Bewegungen und Neigungen der Drohne, um die Scandaten zu korrigieren.
GNSS/GPS-Empfänger Ermöglicht präzise Georeferenzierung der Daten für genaue Punktwolken.
Drohne/UAV Trägerplattform, die das LiDAR-System transportiert.
Datenverarbeitung Software zur Umwandlung der Punktwolke in verwertbare 3D-Modelle.

Wie funktioniert Photogrammetrie mit Drohnen?

Das Grundprinzip

Photogrammetrie ist ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung und Rekonstruktion von Oberflächen und Objekten anhand von fotografischen Aufnahmen. Eine Drohne mit einer hochauflösenden Kamera nimmt dabei eine große Anzahl an überlappenden Bildern aus verschiedenen Perspektiven auf. Anschließend werden diese Bilder mithilfe spezieller Software analysiert, um 3D-Modelle, Orthofotos oder digitale Geländemodelle (DGM) zu erstellen.

Das Verfahren basiert auf Stereofotografie, bei der mindestens zwei Bilder desselben Objekts aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen werden. Die Software erkennt dabei markante Punkte in den Bildern und berechnet anhand der Geometrie der Aufnahmen Tiefeninformationen – ähnlich wie das menschliche Auge räumliche Tiefe wahrnimmt.

Wichtige Komponenten eines Drohnen-Photogrammetrie-Systems

Ein leistungsfähiges Photogrammetrie-System benötigt mehrere Schlüsselkomponenten, die für eine präzise, verzerrungsfreie und hochauflösende Datenerfassung entscheidend sind. In der Regel gilt: Je hochwertiger die verwendeten Kamerasysteme und Positionsreferenzierungstechnologien sind, desto exakter können die erzeugten 3D-Modelle und Orthofotos dargestellt werden.


Eine hochauflösende Kamera mit geringer Verzerrung und großem Sensor sorgt für detailreiche Aufnahmen, während ein präzises GNSS- und IMU-System die Georeferenzierung der Bilder optimiert. Eine stabile Flugplattform mit einem Gimbal gewährleistet eine gleichbleibende Kameraposition während des gesamten Fluges und minimiert Verwacklungen.


Zudem ist eine leistungsfähige Software zur Verarbeitung der Bilddaten essenziell, um durch Algorithmen wie SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) und Triangulation hochgenaue Punktwolken und Höhenmodelle zu generieren. Der Einsatz von RTK- oder PPK-Technologie zur Korrektur der GPS-Daten kann die absolute Genauigkeit weiter verbessern.



Eine effiziente Datenverarbeitungseinheit hilft, große Bildmengen schnell zu analysieren und optimierte Ergebnisse für verschiedene Anwendungen zu liefern, sei es für Bau- und Infrastrukturprojekte, topografische Kartierungen oder Umweltüberwachungen.

Komponente Funktion
Hochauflösende Kamera Erfasst klare, detailreiche Bilder mit möglichst wenig Verzerrung.
GNSS/GPS-Modul Liefert präzise Positionsdaten für eine exakte Georeferenzierung.
Gimbal / Stabilisierungssystem Hält die Kamera während des Flugs stabil, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden.
IMU (Inertiale Messeinheit) (optional) In Kombination mit GNSS ermöglicht sie Direct Georeferencing (DG), wodurch Bodenpasspunkte überflüssig werden.
Autonomes Flugsteuerungssystem Ermöglicht automatisierte Rasterflüge mit gleichmäßiger Überlappung der Bilder.
Bodenpasspunkte (GCPs) Referenzpunkte auf dem Boden zur Verbesserung der Messgenauigkeit (falls kein DG genutzt wird). In jedem Fall aber zur Überprüfung der Messungen!
Post-Processing-Software Software zur Verarbeitung der Bilder in Orthofotos und 3D-Modelle.

Schritte der Photogrammetrischen Aufnahme und Verarbeitung mit Drohnen

Best Practices für Photogrammetrie
1️⃣ Auswahl der richtigen Kamera und Einstellungen Die Wahl der Kamera hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der erstellten 3D-Modelle. Eine hochauflösende Kamera mit mindestens 20 Megapixeln ist ideal. Alle automatischen Funktionen wie Autofokus, Bildstabilisierung oder Blitz sollten deaktiviert werden. Eine Festbrennweite hilft, Verzerrungen zu minimieren, und die Kamera sollte auf einem stabilen Gimbal montiert sein, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden.
2️⃣ Planung der Aufnahmestrategie Vor dem Start sollte eine klare Strategie erstellt werden. Alle Oberflächen des Objekts oder der Landschaft müssen ausreichend abgedeckt werden. Eine gleichmäßige Beleuchtung ist entscheidend, um Verzerrungen und Schattenbildung zu vermeiden. Eine sorgfältige Flugplanung mit Rastermustern oder spiralförmigen Flügen kann die Qualität der Datenerfassung verbessern.
3️⃣ Bilderfassung mit hoher Überlappung Eine Überlappung von mindestens 60–80 % zwischen den Bildern ist erforderlich, um eine fehlerfreie 3D-Rekonstruktion zu ermöglichen. Je nach Projekt sollten zwischen 30 und 150 Bilder aufgenommen werden. Eine zu geringe Anzahl kann zu Lücken im Modell führen, während eine zu große Menge die Verarbeitung unnötig verlangsamt.
4️⃣ Überprüfung und Vorbearbeitung der Bilder Bevor die Bilder in die Photogrammetrie-Software importiert werden, sollten sie überprüft und gegebenenfalls bearbeitet werden. Unscharfe oder überbelichtete Aufnahmen sollten aussortiert werden. Falls nötig, können Helligkeit, Kontrast und Farbbalance angepasst werden. Bewegliche Objekte sollten nach Möglichkeit entfernt werden.
5️⃣ Import und Ausrichtung der Bilder Nach der Bilderfassung werden die Aufnahmen in die Photogrammetrie-Software importiert. Die Einstellungen sollten so gewählt werden, dass die Bilder präzise ausgerichtet werden. Falls Referenzbilder aufgenommen wurden, können diese helfen, Verzerrungen zu vermeiden. Manuelle Korrekturen können die Qualität zusätzlich verbessern.
6️⃣ Erzeugung und Verfeinerung des 3D-Modells Basierend auf den importierten Bildern erstellt die Software eine dichte Punktwolke, ein 3D-Mesh und eine Textur. Artefakte wie Löcher oder ungenaue Strukturen sollten korrigiert werden. Durch Glätten, Schneiden oder andere Bearbeitungsschritte kann das Modell weiter optimiert werden.
7️⃣ Zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten Wetterbedingungen spielen eine große Rolle – die besten Ergebnisse werden bei wenig Wind und stabilen Lichtverhältnissen erzielt. Der Einsatz von Bodenpasspunkten (GCPs) oder RTK/PPK-Systemen kann die absolute Positionierungsgenauigkeit erheblich verbessern. Abschließend sollte das Modell in einem geeigneten Format exportiert werden, beispielsweise als OBJ, STL oder LAZ.
Kriterium LiDAR Photogrammetrie
Geeignet für Bewaldete Gebiete, topografische Modelle, Stromleitungen, Minen, Bahntrassen Offene Flächen, Stadtmodelle, Bauplanung, Volumenberechnung, Denkmalpflege
Schwächen Höhere Kosten, komplexe Verarbeitung, keine Texturen Schwierigkeiten bei Vegetation, lichtabhängig, problematisch bei Wasser-/Glasflächen, homogenen Flächen
Besonderheiten Erfasst Gelände auch unter Vegetation, funktioniert bei allen Lichtverhältnissen Erzeugt farbige 3D-Modelle, abhängig von Licht & Überlappung

Die Wahl zwischen LiDAR und Photogrammetrie hängt von den spezifischen Anforderungen eines Projekts ab. LiDAR bietet eine hohe Präzision und kann selbst durch Vegetation hindurch den Boden erfassen, was es ideal für topografische Modelle und Infrastrukturanalysen macht. Photogrammetrie hingegen eignet sich besonders für großflächige Kartierungen, detailreiche 3D-Modelle und Anwendungen mit visuell realistischen Texturen. Beide Technologien haben ihre Stärken und Schwächen – in vielen Fällen kann eine Kombination beider Methoden die besten Ergebnisse liefern.

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