Lidar

Vom Lidar abgeleitetes Bild der Marching Bears Mound Group, Effigy Mounds National Monument ⓘ

Eine Quelle optischer Strahlung mit Frequenzaddition (FASOR), die im Starfire Optical Range für Lidar- und Laserleitstern-Experimente verwendet wird, ist auf die Natrium-D2a-Linie abgestimmt und dient der Anregung von Natriumatomen in der oberen Atmosphäre. ⓘ

Mit diesem Lidar können Gebäude, Felsformationen usw. gescannt werden, um ein 3-D-Modell zu erstellen. Das Lidar kann seinen Laserstrahl in einem weiten Bereich ausrichten: Sein Kopf ist horizontal drehbar, ein Spiegel ist vertikal schwenkbar. Der Laserstrahl wird verwendet, um die Entfernung zum ersten Objekt auf seinem Weg zu messen. ⓘ

Ein Flugzeug sammelt Daten über einem brasilianischen Regenwald

In dieser Ansicht fliegt der Betrachter hinunter in die Baumkronen des Regenwaldes und fliegt durch die virtuellen Blätter.

Diese Visualisierung zeigt ein Flugzeug, das einen 50-Kilometer-Schwaden von Lidar-Daten über dem brasilianischen Regenwald sammelt. Die Farben der bodennahen Merkmale reichen von tiefbraun bis hellbraun. Die Höhe der Vegetation wird in Grüntönen dargestellt, wobei dunkle Grüntöne am dichtesten am Boden liegen und helle Grüntöne am höchsten sind. ⓘ

Lidar (/ˈlaɪdɑːr/, auch LIDAR oder LiDAR; manchmal auch LADAR) ist eine Methode zur Bestimmung von Entfernungen (variabler Abstand) durch Anvisieren eines Objekts oder einer Oberfläche mit einem Laser und Messen der Zeit, die das reflektierte Licht benötigt, um zum Empfänger zurückzukehren. Es kann auch verwendet werden, um digitale 3-D-Darstellungen von Gebieten auf der Erdoberfläche und dem Meeresboden der Gezeitenzone und der küstennahen Zone zu erstellen, indem die Wellenlänge des Lichts verändert wird. Es gibt terrestrische, luftgestützte und mobile Anwendungen. ⓘ

Lidar ist eine Abkürzung für "light detection and ranging" oder "laser imaging, detection, and ranging". Manchmal wird es auch als 3-D-Laserscanning bezeichnet, eine spezielle Kombination aus 3-D-Scanning und Laserscanning. ⓘ

Lidar wird häufig für die Erstellung hochauflösender Karten verwendet und findet Anwendung in den Bereichen Vermessung, Geodäsie, Geomatik, Archäologie, Geografie, Geologie, Geomorphologie, Seismologie, Forstwirtschaft, Atmosphärenphysik, Laserführung, luftgestützte Laserschwadenkartierung (ALSM) und Laseraltimetrie. Er wird auch für die Steuerung und Navigation einiger autonomer Autos und für den Hubschrauber Ingenuity bei seinen Rekordflügen über das Marsgelände eingesetzt. ⓘ

2D-Abtastung mit Lidar ⓘ

Wasserdampf-Lidar auf der Zugspitze ⓘ

Geschichte und Etymologie

Unter der Leitung von Malcolm Stitch stellte die Hughes Aircraft Company 1961, kurz nach der Erfindung des Lasers, das erste lidarähnliche System vor. Dieses System war für die Satellitenverfolgung gedacht und kombinierte laserfokussierte Bildgebung mit der Fähigkeit, Entfernungen zu berechnen, indem die Zeit gemessen wurde, die ein Signal mit Hilfe geeigneter Sensoren und Datenerfassungselektronik zurückkehrt. Ursprünglich hieß es "Colidar", ein Akronym für "coherent light detecting and ranging" (kohärente Lichterfassung und Entfernungsmessung), abgeleitet vom Begriff "Radar", der wiederum ein Akronym für "radio detection and ranging" ist. Alle Laser-Entfernungsmesser, Laser-Höhenmesser und Lidar-Geräte sind von den frühen Colidar-Systemen abgeleitet. Die erste praktische terrestrische Anwendung eines Colidar-Systems war der "Colidar Mark II", ein großer, gewehrähnlicher Laser-Entfernungsmesser, der 1963 hergestellt wurde und eine Reichweite von 7 Meilen und eine Genauigkeit von 15 Fuß hatte, um für militärische Zwecke eingesetzt zu werden. Die erste Erwähnung des Begriffs Lidar als eigenständiges Wort im Jahr 1963 lässt vermuten, dass es sich um ein Portmanteau aus "Licht" und "Radar" handelt: "Irgendwann könnte der Laser ein extrem empfindlicher Detektor für bestimmte Wellenlängen von weit entfernten Objekten sein. In der Zwischenzeit wird er zur Untersuchung des Mondes mittels 'Lidar' (Lichtradar) eingesetzt ..." Die Bezeichnung "photonisches Radar" wird manchmal verwendet, um die Entfernungsmessung im sichtbaren Spektrum wie Lidar zu bezeichnen. ⓘ

Die ersten Anwendungen von Lidar waren in der Meteorologie, wo das National Center for Atmospheric Research es zur Messung von Wolken und Verschmutzung einsetzte. Die breite Öffentlichkeit wurde 1971 während der Apollo-15-Mission auf die Genauigkeit und den Nutzen von Lidar-Systemen aufmerksam, als die Astronauten einen Laser-Höhenmesser zur Kartierung der Mondoberfläche einsetzten. Obwohl die englische Sprache "Radar" nicht mehr als Akronym (d. h. ohne Großbuchstaben) behandelt, wurde das Wort "Lidar" in einigen Veröffentlichungen seit den 1980er Jahren als "LIDAR" oder "LiDAR" großgeschrieben. Es besteht kein Konsens über die Großschreibung. In verschiedenen Veröffentlichungen wird Lidar als "LIDAR", "LiDAR", "LIDaR" oder "Lidar" bezeichnet. Der USGS verwendet sowohl "LIDAR" als auch "Lidar", manchmal in ein und demselben Dokument; die New York Times verwendet überwiegend "Lidar" für von Mitarbeitern geschriebene Artikel, obwohl auch Nachrichtenagenturen wie Reuters "Lidar" verwenden können. ⓘ

Allgemeine Beschreibung

Lidar verwendet ultraviolettes, sichtbares oder nahinfrarotes Licht, um Objekte abzubilden. Es kann ein breites Spektrum von Materialien erfassen, darunter nichtmetallische Objekte, Felsen, Regen, chemische Verbindungen, Aerosole, Wolken und sogar einzelne Moleküle. Ein schmaler Laserstrahl kann physikalische Merkmale mit sehr hoher Auflösung abbilden; ein Flugzeug kann beispielsweise ein Gelände mit einer Auflösung von 30 Zentimetern oder mehr abbilden. ⓘ

Grundprinzipien der Flugzeit bei der Laserentfernungsmessung

Flug über den brasilianischen Amazonas mit einem LIDAR-Instrument

Animation eines Satelliten, der mit Hilfe von Lidar digitale Höhenkartendaten über dem Einzugsgebiet des Ganges und des Brahmaputra sammelt ⓘ

Das grundlegende Konzept des Lidar stammt von EH Synge aus dem Jahr 1930, der den Einsatz leistungsstarker Suchscheinwerfer zur Untersuchung der Atmosphäre vorsah. Seitdem wurde Lidar in der Atmosphärenforschung und Meteorologie in großem Umfang eingesetzt. An Flugzeugen und Satelliten angebrachte Lidar-Instrumente führen Vermessungen und Kartierungen durch - ein aktuelles Beispiel ist das Experimental Advanced Airborne Research Lidar des U.S. Geological Survey. Die NASA hat Lidar als Schlüsseltechnologie für die autonome, präzise und sichere Landung zukünftiger Roboter und bemannter Mondlandefahrzeuge identifiziert. ⓘ

Die Wellenlängen variieren je nach Ziel: von etwa 10 Mikrometern (Infrarot) bis etwa 250 nm (UV). Normalerweise wird das Licht durch Rückstreuung reflektiert, im Gegensatz zur reinen Reflexion, wie sie bei einem Spiegel vorkommt. Für verschiedene Lidar-Anwendungen werden unterschiedliche Arten der Streuung verwendet: am häufigsten Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung, Raman-Streuung und Fluoreszenz. Geeignete Kombinationen von Wellenlängen können eine Fernkartierung von atmosphärischen Inhalten ermöglichen, indem wellenlängenabhängige Änderungen in der Intensität des zurückgesendeten Signals erkannt werden. Die Bezeichnung "photonisches Radar" wird manchmal für die Entfernungsmessung im sichtbaren Spektrum wie Lidar verwendet, obwohl sich photonisches Radar eher auf die Entfernungsmessung im Hochfrequenzbereich unter Verwendung photonischer Komponenten bezieht. ⓘ

Technologie

Mathematische Formel

Ein Lidar bestimmt die Entfernung eines Objekts oder einer Oberfläche mit der folgenden Formel:

$d={\frac {c\cdot t}{2}}$

wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit ist, $d$ die Entfernung zwischen dem Detektor und dem zu erfassenden Objekt oder der zu erfassenden Oberfläche ist und $t$ die Zeit ist, die das Laserlicht benötigt, um zum Objekt oder zur Oberfläche zu gelangen und dann zum Detektor zurückzukehren. ⓘ

Entwurf

Klicken Sie auf das Bild, um die Animation zu sehen. Ein einfaches Lidar-System besteht aus einem Laserentfernungsmesser, der von einem rotierenden Spiegel reflektiert wird (oben). Der Laser umkreist die zu digitalisierende Szene in einer oder zwei Dimensionen (Mitte) und erfasst dabei Entfernungsmessungen in bestimmten Winkelintervallen (unten). ⓘ

Es gibt zwei Arten von Lidar-Detektionsverfahren: die inkohärente" oder direkte Energiedetektion (bei der hauptsächlich Amplitudenänderungen des reflektierten Lichts gemessen werden) und die kohärente Detektion (am besten geeignet für die Messung von Doppler-Verschiebungen oder Änderungen der Phase des reflektierten Lichts). Bei kohärenten Systemen wird im Allgemeinen eine optische Überlagerungsdetektion verwendet. Diese ist empfindlicher als die direkte Detektion und ermöglicht den Betrieb mit viel geringerer Leistung, erfordert aber komplexere Sende- und Empfangsgeräte. ⓘ

Beide Typen verwenden Impulsmodelle: entweder Mikroimpulse oder Hochenergieimpulse. Mikroimpulssysteme arbeiten mit intermittierenden Energiestößen. Sie sind das Ergebnis der ständig steigenden Computerleistung in Verbindung mit Fortschritten in der Lasertechnologie. Sie verbrauchen wesentlich weniger Energie im Laser, in der Regel in der Größenordnung von einem Mikrojoule, und sind oft "augensicher", d. h. sie können ohne Sicherheitsvorkehrungen verwendet werden. Hochleistungssysteme sind in der Atmosphärenforschung weit verbreitet, wo sie zur Messung atmosphärischer Parameter eingesetzt werden: Höhe, Schichtung und Dichte von Wolken, Eigenschaften von Wolkenpartikeln (Extinktionskoeffizient, Rückstreukoeffizient, Depolarisation), Temperatur, Druck, Wind, Feuchtigkeit und Spurengaskonzentration (Ozon, Methan, Lachgas usw.). ⓘ

Bestandteile

Lidar-Systeme bestehen aus mehreren Hauptkomponenten. ⓘ

Laser

Laser mit einer Wellenlänge von 600-1000 nm sind für nicht-wissenschaftliche Anwendungen am gebräuchlichsten. Die maximale Leistung des Lasers ist begrenzt, oder es wird ein automatisches Abschaltsystem verwendet, das den Laser in bestimmten Höhen ausschaltet, um ihn für die Menschen am Boden augensicher zu machen. ⓘ

Eine gängige Alternative sind Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm, die bei relativ hoher Leistung augensicher sind, da diese Wellenlänge vom Auge nicht stark absorbiert wird, aber die Detektortechnologie ist weniger fortschrittlich, so dass diese Wellenlängen im Allgemeinen bei größeren Reichweiten mit geringerer Genauigkeit eingesetzt werden. Sie werden auch für militärische Anwendungen eingesetzt, da 1550 nm im Gegensatz zum kürzeren 1000-nm-Infrarotlaser in Nachtsichtbrillen nicht sichtbar ist. ⓘ

Für topografische Kartierungen aus der Luft werden in der Regel diodengepumpte YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet, während für bathymetrische Systeme (Unterwasser-Tiefenforschungssysteme) in der Regel frequenzverdoppelte YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt werden, da 532 nm das Wasser mit einer viel geringeren Dämpfung durchdringt als 1064 nm. Zu den Lasereinstellungen gehört die Laser-Wiederholrate (die die Geschwindigkeit der Datenerfassung steuert). Die Pulslänge hängt im Allgemeinen von der Länge des Laserresonators, der Anzahl der erforderlichen Durchgänge durch das Verstärkungsmaterial (YAG, YLF usw.) und der Geschwindigkeit des Güteschalters (Pulsung) ab. Eine bessere Zielauflösung wird mit kürzeren Pulsen erreicht, sofern die Detektoren und die Elektronik des Lidarempfängers über eine ausreichende Bandbreite verfügen. ⓘ

Phased Arrays

Ein Phased Array kann jede beliebige Richtung beleuchten, indem es eine mikroskopisch kleine Gruppe von Einzelantennen verwendet. Durch die Steuerung des Timings (Phase) jeder Antenne wird ein zusammenhängendes Signal in eine bestimmte Richtung gelenkt. ⓘ

Phased Arrays werden seit den 1940er Jahren in der Radartechnik eingesetzt. Die gleiche Technik kann auch für Licht verwendet werden. Es werden etwa eine Million optischer Antennen verwendet, um ein Strahlungsmuster einer bestimmten Größe in einer bestimmten Richtung zu sehen. Gesteuert wird das System über die genaue Zeitsteuerung des Blitzes. Ein einziger Chip (oder einige wenige) ersetzen ein elektromechanisches System im Wert von 75.000 US-Dollar, was die Kosten drastisch senkt. ⓘ

Mehrere Unternehmen arbeiten an der Entwicklung kommerzieller Solid-State-Lidar-Einheiten. ⓘ

Das Steuersystem kann die Form der Linse verändern, um Vergrößerungs- und Verkleinerungsfunktionen zu ermöglichen. Bestimmte Teilbereiche können im Sekundentakt anvisiert werden. ⓘ

Die Lebensdauer eines elektromechanischen Lidars beträgt zwischen 1.000 und 2.000 Stunden. Im Gegensatz dazu können Festkörper-Lidars bis zu 100.000 Stunden lang betrieben werden. ⓘ

Mikroelektromechanische Maschinen

Mikroelektromechanische Spiegel (MEMS) sind nicht vollständig festkörperbasiert. Ihr winziger Formfaktor bietet jedoch viele der gleichen Kostenvorteile. Ein einziger Laser wird auf einen einzigen Spiegel gerichtet, der so ausgerichtet werden kann, dass er einen beliebigen Teil des Zielfeldes anzeigt. Der Spiegel dreht sich mit einer hohen Geschwindigkeit. MEMS-Systeme arbeiten jedoch im Allgemeinen in einer einzigen Ebene (von links nach rechts). Um eine zweite Dimension hinzuzufügen, ist in der Regel ein zweiter Spiegel erforderlich, der sich auf und ab bewegt. Alternativ kann ein anderer Laser denselben Spiegel aus einem anderen Winkel treffen. MEMS-Systeme können durch Stöße/Vibrationen gestört werden und erfordern möglicherweise eine wiederholte Kalibrierung. Ziel ist es, einen kleinen Mikrochip zu schaffen, um die Innovation und den technologischen Fortschritt voranzutreiben. ⓘ

Scanner und Optik

Die Geschwindigkeit der Bildentwicklung hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Bilder gescannt werden. Zu den Optionen für die Azimut- und Elevationsscans gehören zwei oszillierende Planspiegel, eine Kombination mit einem Polygonspiegel und ein Zweiachsenscanner. Die Wahl der Optik hat Auswirkungen auf die Winkelauflösung und die Reichweite, die erfasst werden kann. Ein Lochspiegel oder ein Strahlteiler sind Optionen für die Erfassung eines Rücksignals. ⓘ

Fotodetektor und Empfängerelektronik

Bei Lidar kommen hauptsächlich zwei Photodetektortechnologien zum Einsatz: Festkörperphotodetektoren wie Silizium-Avalanche-Photodioden oder Photomultiplier. Die Empfindlichkeit des Empfängers ist ein weiterer Parameter, der bei der Entwicklung eines Lidars berücksichtigt werden muss. ⓘ

Positions- und Navigationssysteme

Lidar-Sensoren, die auf mobilen Plattformen wie Flugzeugen oder Satelliten angebracht sind, benötigen Instrumente zur Bestimmung der absoluten Position und Ausrichtung des Sensors. Solche Geräte umfassen in der Regel einen Global Positioning System-Empfänger und eine Inertialmesseinheit (IMU). ⓘ

Sensor

Lidar verwendet aktive Sensoren, die über eine eigene Beleuchtungsquelle verfügen. Die Energiequelle trifft auf Objekte, und die reflektierte Energie wird von Sensoren erfasst und gemessen. Die Entfernung zum Objekt wird bestimmt, indem die Zeit zwischen den ausgesendeten und zurückgestreuten Impulsen aufgezeichnet und die zurückgelegte Entfernung anhand der Lichtgeschwindigkeit berechnet wird. Flash-LIDAR ermöglicht 3-D-Bilder, da die Kamera in der Lage ist, einen größeren Blitz auszusenden und die räumlichen Beziehungen und Dimensionen des interessierenden Bereichs mit der zurückgeworfenen Energie zu erfassen. Dies ermöglicht eine genauere Bildgebung, da die aufgenommenen Bilder nicht zusammengefügt werden müssen und das System nicht auf die Bewegung der Plattform reagiert. Dies führt zu einer geringeren Verzerrung. ⓘ

3-D-Bilder können sowohl mit scannenden als auch mit nicht scannenden Systemen erstellt werden. Das "3-D gated viewing laser radar" ist ein nicht scannendes Laser-Entfernungsmesssystem, das einen gepulsten Laser und eine schnelle Kamera mit Torsteuerung verwendet. Die Forschung zur virtuellen Strahlsteuerung mit Hilfe der Digital Light Processing (DLP)-Technologie hat begonnen. ⓘ

Bildgebendes Lidar kann auch mit Arrays von Hochgeschwindigkeitsdetektoren und modulationsempfindlichen Detektorarrays durchgeführt werden, die in der Regel auf einzelnen Chips unter Verwendung von CMOS- (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) und CCD- (Hybrid CMOS/Charge-Coupled Device) Herstellungstechniken aufgebaut sind. Bei diesen Bauelementen führt jedes Pixel eine lokale Verarbeitung wie Demodulation oder Gating mit hoher Geschwindigkeit durch, wobei die Signale auf Videorate herunterkonvertiert werden, so dass die Anordnung wie eine Kamera gelesen werden kann. Mit dieser Technik können viele Tausende von Pixeln/Kanälen gleichzeitig erfasst werden. Hochauflösende 3-D-Lidar-Kameras verwenden die Homodyn-Detektion mit einem elektronischen CCD- oder CMOS-Verschluss. ⓘ

Ein kohärentes bildgebendes Lidar nutzt die synthetische Array-Heterodyn-Detektion, um einen starren Einzelelement-Empfänger wie ein bildgebendes Array wirken zu lassen. ⓘ

Im Jahr 2014 kündigte das Lincoln Laboratory einen neuen Bildgebungschip mit mehr als 16 384 Pixeln an, von denen jedes ein einzelnes Photon abbilden kann, wodurch ein großer Bereich in einem einzigen Bild erfasst werden kann. Eine frühere Generation der Technologie mit einem Viertel so vielen Pixeln wurde vom US-Militär nach dem Erdbeben in Haiti im Januar 2010 eingesetzt. Ein einziger Überflug eines Geschäftsreiseflugzeugs in 3.000 Metern Höhe über Port-au-Prince konnte sofortige Schnappschüsse von 600-Meter-Quadraten der Stadt mit einer Auflösung von 30 Zentimetern aufnehmen und die genaue Höhe der in den Straßen der Stadt verstreuten Trümmer anzeigen. Das neue System ist zehnmal besser und könnte viel größere Karten in kürzerer Zeit erstellen. Der Chip verwendet Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), das im Infrarotspektrum bei einer relativ langen Wellenlänge arbeitet, was eine höhere Leistung und größere Reichweiten ermöglicht. In vielen Anwendungen, wie z. B. in selbstfahrenden Autos, wird das neue System die Kosten senken, da keine mechanische Komponente zum Ausrichten des Chips erforderlich ist. InGaAs verwendet weniger gefährliche Wellenlängen als herkömmliche Siliziumdetektoren, die bei sichtbaren Wellenlängen arbeiten. ⓘ

Blitz-Lidar

Beim Flash-Lidar wird das gesamte Sichtfeld mit einem breit divergierenden Laserstrahl in einem einzigen Puls beleuchtet. Dies steht im Gegensatz zum konventionellen Scanning-Lidar, bei dem ein kollimierter Laserstrahl verwendet wird, der jeweils einen einzelnen Punkt beleuchtet, und der Strahl wird gerastert, um das Sichtfeld Punkt für Punkt zu beleuchten. Diese Beleuchtungsmethode erfordert auch ein anderes Erkennungsschema. Sowohl beim Scanning- als auch beim Flash-Lidar wird eine Time-of-Flight-Kamera verwendet, um in jedem Bild Informationen über die 3D-Position und die Intensität des auf sie einfallenden Lichts zu sammeln. Beim Scanning-Lidar enthält diese Kamera jedoch nur einen Punktsensor, während die Kamera beim Flash-Lidar entweder ein 1-D- oder ein 2-D-Sensorarray enthält, bei dem jedes Pixel 3-D-Orts- und Intensitätsinformationen sammelt. In beiden Fällen werden die Tiefeninformationen mit Hilfe der Flugzeit des Laserpulses erfasst (d. h. der Zeit, die jeder Laserpuls benötigt, um das Ziel zu treffen und zum Sensor zurückzukehren), was eine Synchronisierung des Laserpulses und der Erfassung durch die Kamera erfordert. Das Ergebnis ist eine Kamera, die Bilder von Entfernungen und nicht von Farben aufnimmt. Blitz-Lidar ist im Vergleich zum Scanning-Lidar besonders vorteilhaft, wenn sich die Kamera, die Szene oder beide bewegen, da die gesamte Szene gleichzeitig beleuchtet wird. Beim Scanning-Lidar kann es durch die Bewegung zu einem "Jitter" kommen, der durch die Zeitverzögerung beim Überstreichen der Szene durch den Laser entsteht. ⓘ

Wie bei allen Formen von Lidar macht die eingebaute Beleuchtungsquelle das Blitz-Lidar zu einem aktiven Sensor. Das zurückgesendete Signal wird durch eingebettete Algorithmen verarbeitet, um eine nahezu sofortige 3-D-Darstellung von Objekten und Geländemerkmalen im Sichtfeld des Sensors zu erzeugen. Die Wiederholfrequenz der Laserpulse reicht aus, um 3-D-Videos mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu erzeugen. Die hohe Bildrate des Sensors macht ihn zu einem nützlichen Werkzeug für eine Vielzahl von Anwendungen, die von einer Echtzeit-Visualisierung profitieren, wie z. B. hochpräzise Fernlandeoperationen. Indem er sofort ein 3D-Höhennetz von Ziellandschaften liefert, kann ein Blitzsensor zur Identifizierung optimaler Landezonen in autonomen Raumschiff-Landeszenarien eingesetzt werden. ⓘ

Das Sehen aus der Ferne erfordert einen starken Lichtblitz. Die Leistung ist auf Werte begrenzt, die die menschliche Netzhaut nicht schädigen. Die Wellenlängen dürfen die menschlichen Augen nicht beeinträchtigen. Kostengünstige Silizium-Imager lesen jedoch kein Licht im augensicheren Spektrum. Stattdessen werden Gallium-Arsenid-Imager benötigt, deren Kosten auf bis zu 200.000 Dollar steigen können. Gallium-Arsenid ist die gleiche Verbindung, die auch für die Herstellung von kostengünstigen, hocheffizienten Solarzellen verwendet wird, die normalerweise in der Raumfahrt zum Einsatz kommen. ⓘ

Klassifizierung

Basierend auf der Ausrichtung

Lidar kann auf Nadir, Zenit oder seitlich ausgerichtet sein. Lidar-Höhenmesser schauen zum Beispiel nach unten, ein atmosphärisches Lidar schaut nach oben und Lidar-basierte Kollisionsvermeidungssysteme sind seitlich ausgerichtet. ⓘ

Basierend auf dem Abtastmechanismus

Laserprojektionen von Lidars können mit verschiedenen Methoden und Mechanismen manipuliert werden, um einen Abtasteffekt zu erzeugen: der Standard-Spindel-Typ, der sich dreht, um eine 360-Grad-Sicht zu ermöglichen; Festkörper-Lidar, das ein festes Sichtfeld, aber keine beweglichen Teile hat und entweder MEMS oder optische Phased Arrays zur Steuerung der Strahlen verwenden kann; und Blitz-Lidar, das einen Lichtblitz über ein großes Sichtfeld verteilt, bevor das Signal zu einem Detektor zurückprallt. ⓘ

Basierend auf der Plattform

Lidar-Anwendungen können in luftgestützte und terrestrische Typen unterteilt werden. Für beide Arten sind Scanner mit unterschiedlichen Spezifikationen erforderlich, die sich nach dem Zweck der Datenerfassung, der Größe des zu erfassenden Bereichs, dem gewünschten Messbereich, den Kosten der Ausrüstung und vielem mehr richten. Auch weltraumgestützte Plattformen sind möglich, siehe Satellitenlaseraltimetrie. ⓘ

Luftgestütztes

Beim luftgestützten Lidar (auch Airborne Laser Scanning) erstellt ein Laserscanner, der während des Fluges an einem Flugzeug befestigt ist, ein 3D-Punktwolkenmodell der Landschaft. Dies ist derzeit die detaillierteste und genaueste Methode zur Erstellung digitaler Höhenmodelle und ersetzt die Photogrammetrie. Ein großer Vorteil gegenüber der Photogrammetrie ist die Möglichkeit, Reflexionen der Vegetation aus dem Punktwolkenmodell herauszufiltern, um ein digitales Geländemodell zu erstellen, das Bodenflächen wie Flüsse, Wege, Kulturerbestätten usw. darstellt, die von Bäumen verdeckt werden. Innerhalb der Kategorie der luftgestützten Lidargeräte wird manchmal zwischen Anwendungen in großer Höhe und in geringer Höhe unterschieden, wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass die Genauigkeit und die Punktdichte der in größerer Höhe erfassten Daten abnimmt. Luftgestütztes Lidar kann auch zur Erstellung bathymetrischer Modelle in flachen Gewässern verwendet werden. ⓘ

Zu den Hauptbestandteilen des luftgestützten Lidars gehören digitale Höhenmodelle (DEM) und digitale Oberflächenmodelle (DSM). Die Punkte und Bodenpunkte sind die Vektoren diskreter Punkte, während DEM und DSM interpolierte Rastergitter diskreter Punkte sind. Der Prozess umfasst auch die Erfassung digitaler Luftbilder. Zur Interpretation tiefliegender Erdrutsche, z. B. unter der Vegetationsdecke, von Narben, Spannungsrissen oder umgestürzten Bäumen, wird luftgestütztes Lidar verwendet. Digitale Höhenmodelle aus der Luft können durch das Blätterdach des Waldes hindurchsehen und detaillierte Messungen von Erdrutschen, Erosion und der Neigung von Strommasten durchführen. ⓘ

Luftgestützte Lidardaten werden mit einer Toolbox namens Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) für Lidardatenfilterung und Geländestudien-Software verarbeitet. Die Daten werden mithilfe der Software zu digitalen Geländemodellen interpoliert. Der Laser wird auf die zu kartierende Region gerichtet, und die Höhe jedes Punktes über dem Boden wird durch Subtraktion der ursprünglichen z-Koordinate von der entsprechenden Höhe des digitalen Geländemodells berechnet. Auf der Grundlage dieser Höhe über dem Boden werden die Nicht-Vegetationsdaten ermittelt, zu denen Objekte wie Gebäude, Stromleitungen, fliegende Vögel, Insekten usw. gehören können. Der Rest der Punkte wird als Vegetation behandelt und für die Modellierung und Kartierung verwendet. Innerhalb jeder dieser Flächen werden die Lidar-Metriken durch die Berechnung von Statistiken wie Mittelwert, Standardabweichung, Schiefe, Perzentile, quadratischer Mittelwert usw. berechnet. ⓘ

Luftgestützte Lidar-Bathymetrie-Technologie - Hochauflösende Fächerlidar-Karte, die spektakuläre Verwerfungen und Deformationen des Meeresbodens zeigt, schattiert und nach Tiefe eingefärbt ⓘ

Luftgestützte Lidar-Bathymetrie

Bei der luftgestützten Lidar-Bathymetrie wird die Laufzeit eines Signals von einer Quelle bis zu seiner Rückkehr zum Sensor gemessen. Die Datenerfassungstechnik umfasst eine Komponente zur Kartierung des Meeresbodens und eine Komponente zur Erfassung der Bodenwahrheit, die Videotransekte und Probenahmen umfasst. Es arbeitet mit einem Laserstrahl mit grünem Spektrum (532 nm). Zwei Strahlen werden auf einen schnell rotierenden Spiegel projiziert, der eine Reihe von Punkten erzeugt. Einer der Strahlen durchdringt das Wasser und erfasst unter günstigen Bedingungen auch die Bodenoberfläche des Wassers. ⓘ

Die gewonnenen Daten zeigen das gesamte Ausmaß der über dem Meeresboden liegenden Landoberfläche. Diese Technik ist äußerst nützlich, da sie eine wichtige Rolle in dem großen Programm zur Kartierung des Meeresbodens spielen wird. Die Kartierung liefert sowohl die Topografie an Land als auch die Unterwasserhöhen. Ein weiteres Produkt dieses Systems ist die Reflexionsmessung des Meeresbodens, die für die Kartierung von Unterwasserlebensräumen von Nutzen sein kann. Diese Technik wurde für die dreidimensionale Kartierung der kalifornischen Gewässer mit einem hydrographischen Lidar eingesetzt. ⓘ

Lidar-Scanning mit einem Multicopter-UAV ⓘ

Drohnen werden jetzt zusammen mit Laserscannern und anderen Fernsensoren als kostengünstigere Methode zum Scannen kleinerer Gebiete eingesetzt. Die Möglichkeit der Fernerkundung mit Drohnen beseitigt auch jegliche Gefahr, der Flugzeugbesatzungen in schwierigem Gelände oder abgelegenen Gebieten ausgesetzt sein können. ⓘ

Vollwellenform-LiDAR

Luftgestützte LiDAR-Systeme konnten bisher nur einige wenige Spitzenwerte erfassen, während neuere Systeme das gesamte reflektierte Signal erfassen und digitalisieren. Wissenschaftler analysierten das Wellenformsignal, um mit Hilfe der Gauß'schen Dekomposition Spitzenwerte zu extrahieren. Zhuang et al. (2017) verwendeten diesen Ansatz zur Schätzung der oberirdischen Biomasse. Die Verarbeitung der riesigen Mengen an Vollwellenformdaten ist schwierig. Daher ist die Gauß'sche Dekomposition der Wellenformen effektiv, da sie die Datenmenge reduziert und von bestehenden Arbeitsabläufen unterstützt wird, die die Interpretation von 3D-Punktwolken unterstützen. In neueren Studien wurde die Voxelisierung untersucht. Die Intensitäten der Wellenform-Samples werden in einen voxelisierten Raum (d. h. ein 3D-Graustufenbild) eingefügt, wodurch eine 3D-Darstellung des gescannten Bereichs entsteht. Aus diesem voxelisierten Raum können dann entsprechende Metriken und Informationen extrahiert werden. Strukturelle Informationen können mit Hilfe von 3D-Metriken aus lokalen Bereichen extrahiert werden. Es gibt eine Fallstudie, in der der Ansatz der Voxelisierung zur Erkennung von abgestorbenen Eukalyptusbäumen in Australien verwendet wurde. ⓘ

Terrestrisch

Terrestrische Anwendungen von Lidar (auch terrestrisches Laserscanning) finden auf der Erdoberfläche statt und können entweder stationär oder mobil sein. Das stationäre terrestrische Scannen wird am häufigsten als Vermessungsmethode eingesetzt, zum Beispiel in der konventionellen Topografie, im Monitoring, in der Dokumentation des kulturellen Erbes und in der Forensik. Die von diesen Scannern erfassten 3D-Punktwolken können mit digitalen Bildern des gescannten Bereichs vom Standort des Scanners aus abgeglichen werden, um im Vergleich zu anderen Technologien in relativ kurzer Zeit realistisch wirkende 3D-Modelle zu erstellen. Jeder Punkt in der Punktwolke erhält die Farbe des Pixels aus dem Bild, das an derselben Stelle und in derselben Richtung wie der Laserstrahl, der den Punkt erzeugt hat, aufgenommen wurde. ⓘ

Beim mobilen Lidar (auch mobiles Laserscanning) werden zwei oder mehr Scanner an einem fahrenden Fahrzeug angebracht, um Daten entlang eines Pfades zu sammeln. Diese Scanner sind fast immer mit anderen Geräten, wie GNSS-Empfängern und IMUs, gekoppelt. Ein Anwendungsbeispiel ist die Vermessung von Straßen, bei der Stromleitungen, genaue Brückenhöhen, angrenzende Bäume usw. berücksichtigt werden müssen. Anstatt jede dieser Messungen einzeln vor Ort mit einem Tachymeter zu erfassen, kann ein 3-D-Modell aus einer Punktwolke erstellt werden, in dem alle erforderlichen Messungen vorgenommen werden können, je nach Qualität der erfassten Daten. Damit entfällt das Problem, dass eine Messung vergessen wurde, sofern das Modell verfügbar und zuverlässig ist und einen angemessenen Genauigkeitsgrad aufweist. ⓘ

Bei der terrestrischen Lidar-Kartierung wird ein Prozess zur Erstellung von Belegungsrasterkarten durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird eine Reihe von Zellen in Gitter unterteilt, in denen die Höhenwerte gespeichert werden, wenn Lidar-Daten in die jeweilige Gitterzelle fallen. Durch Anwendung eines bestimmten Schwellenwerts auf die Zellenwerte wird dann eine binäre Karte zur weiteren Verarbeitung erstellt. Im nächsten Schritt werden der radiale Abstand und die z-Koordinaten der einzelnen Scans verarbeitet, um festzustellen, welche 3D-Punkte den einzelnen Rasterzellen entsprechen, was zur Datenbildung führt. ⓘ

Anwendungen

Dieser mobile Roboter nutzt sein Lidar, um eine Karte zu erstellen und Hindernissen auszuweichen. ⓘ

Es gibt eine Vielzahl von Lidar-Anwendungen, zusätzlich zu den unten aufgeführten Anwendungen, wie sie oft in den nationalen Lidar-Datenprogrammen erwähnt werden. Diese Anwendungen werden größtenteils durch die Reichweite der effektiven Objekterkennung, die Auflösung, d. h. die Genauigkeit, mit der das Lidar Objekte identifiziert und klassifiziert, und die Reflexionsverwirrung, d. h. die Frage, wie gut das Lidar etwas in Gegenwart von hellen Objekten wie reflektierenden Schildern oder heller Sonne erkennen kann, bestimmt. ⓘ

Die Unternehmen arbeiten daran, die Kosten für Lidar-Sensoren zu senken, die derzeit zwischen etwa 1.200 und mehr als 12.000 Dollar liegen. Niedrigere Preise werden Lidar für neue Märkte attraktiver machen. ⓘ

Landwirtschaft

Lidar wird eingesetzt, um die Ertragsraten auf landwirtschaftlichen Feldern zu analysieren. ⓘ

Landwirtschaftsroboter werden für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt, die von der Ausbringung von Saatgut und Düngemitteln über Sensortechniken bis hin zum Scouting von Kulturen zur Unkrautbekämpfung reichen. ⓘ

Mit Hilfe von Lidar kann ermittelt werden, wo teurer Dünger ausgebracht werden muss. Es kann eine topografische Karte der Felder erstellen und Hänge und Sonneneinstrahlung auf dem Ackerland aufzeigen. Forscher des Agricultural Research Service haben diese topografischen Daten mit den Ertragsergebnissen der vergangenen Jahre kombiniert, um das Land in Zonen mit hohem, mittlerem oder niedrigem Ertrag einzuteilen. Daraus ergibt sich, wo Dünger ausgebracht werden sollte, um den Ertrag zu maximieren. ⓘ

Lidar wird jetzt auch zur Überwachung von Insekten auf dem Feld eingesetzt. Der Einsatz von Lidar kann die Bewegung und das Verhalten einzelner fliegender Insekten erkennen und sie bis hin zu Geschlecht und Art identifizieren. Im Jahr 2017 wurde ein Patentantrag für diese Technologie in den Vereinigten Staaten, Europa und China veröffentlicht. ⓘ

Eine weitere Anwendung ist die Erntekartierung in Obst- und Weingärten, um das Blattwachstum und den Bedarf an Beschneidung oder anderen Pflegemaßnahmen zu erkennen, Schwankungen in der Obstproduktion zu erkennen oder Pflanzen zu zählen. ⓘ

Lidar ist in Situationen nützlich, in denen kein GNSS zur Verfügung steht, wie z. B. in Nuss- und Obstplantagen, wo das Laub die Satellitensignale für landwirtschaftliche Präzisionsgeräte oder fahrerlose Traktoren blockiert. Lidar-Sensoren können die Ränder der Reihen erkennen, so dass die landwirtschaftlichen Geräte weiterfahren können, bis das GNSS-Signal wiederhergestellt ist. ⓘ

Klassifizierung von Pflanzenarten

Die Unkrautbekämpfung erfordert die Identifizierung von Pflanzenarten. Dies kann mit Hilfe von 3-D-Lidar und maschinellem Lernen erfolgen. Lidar erzeugt Pflanzenkonturen als "Punktwolke" mit Entfernungs- und Reflexionswerten. Diese Daten werden umgewandelt und Merkmale werden daraus extrahiert. Wenn die Art bekannt ist, werden die Merkmale als neue Daten hinzugefügt. Die Art wird gekennzeichnet und ihre Merkmale werden zunächst als Beispiel gespeichert, um die Art in der realen Umgebung zu identifizieren. Diese Methode ist effizient, weil sie ein Lidar mit geringer Auflösung und überwachtes Lernen verwendet. Sie umfasst einen einfach zu berechnenden Merkmalssatz mit allgemeinen statistischen Merkmalen, die von der Pflanzengröße unabhängig sind. ⓘ

Archäologie

Lidar wird in der Archäologie vielfältig eingesetzt, z. B. zur Planung von Feldkampagnen, zur Kartierung von Merkmalen unter dem Kronendach von Wäldern und zur Übersicht über breite, zusammenhängende Merkmale, die vom Boden aus nicht zu unterscheiden sind. Mit Lidar lassen sich schnell und kostengünstig hochauflösende Datensätze erstellen. Die mit Lidar gewonnenen Produkte lassen sich leicht in ein Geografisches Informationssystem (GIS) zur Analyse und Interpretation integrieren. ⓘ

Lidar kann auch dazu beitragen, hochauflösende digitale Höhenmodelle (DEMs) von archäologischen Stätten zu erstellen, die die Mikrotopographie erkennen lassen, die sonst durch die Vegetation verdeckt ist. Anhand der Intensität des zurückgesendeten Lidar-Signals lassen sich unter flachen Vegetationsflächen wie Feldern verborgene Merkmale erkennen, insbesondere wenn die Kartierung im Infrarotspektrum erfolgt. Das Vorhandensein dieser Merkmale beeinflusst das Pflanzenwachstum und damit die Menge des zurückgeworfenen Infrarotlichts. In Fort Beauséjour - Fort Cumberland National Historic Site, Kanada, entdeckte Lidar beispielsweise archäologische Merkmale, die mit der Belagerung des Forts im Jahr 1755 zusammenhängen. Merkmale, die am Boden oder durch Luftaufnahmen nicht zu erkennen waren, wurden durch Überlagerung von Hügelschattierungen des mit künstlicher Beleuchtung aus verschiedenen Winkeln erzeugten DEM identifiziert. Ein weiteres Beispiel ist die Arbeit von Arlen Chase und seiner Frau Diane Zaino Chase in Caracol. Im Jahr 2012 wurde Lidar eingesetzt, um nach der legendären Stadt La Ciudad Blanca oder "Stadt des Affengottes" in der Region La Mosquitia im honduranischen Dschungel zu suchen. Während einer siebentägigen Kartierung wurden Hinweise auf von Menschen errichtete Strukturen gefunden. Im Juni 2013 wurde die Wiederentdeckung der Stadt Mahendraparvata bekannt gegeben. Im südlichen Neuengland wurden mit Hilfe von Lidar Steinmauern, Gebäudefundamente, verlassene Straßen und andere Landschaftsmerkmale aufgedeckt, die auf Luftaufnahmen durch das dichte Walddach der Region verdeckt waren. In Kambodscha nutzten Damian Evans und Roland Fletcher Lidar-Daten, um die anthropogenen Veränderungen der Landschaft von Angkor aufzudecken. ⓘ

Im Jahr 2012 zeigte Lidar, dass die Purépecha-Siedlung Angamuco in Michoacán, Mexiko, etwa so viele Gebäude hatte wie das heutige Manhattan. 2016 wurden durch den Einsatz von Lidar bei der Kartierung alter Maya-Dammwege im Norden Guatemalas 17 erhöhte Straßen entdeckt, die die antike Stadt El Mirador mit anderen Stätten verbanden. Im Jahr 2018 entdeckten Archäologen mithilfe von Lidar mehr als 60.000 von Menschenhand geschaffene Strukturen im Maya-Biosphärenreservat - ein "großer Durchbruch", der zeigte, dass die Maya-Zivilisation viel größer war als bisher angenommen. ⓘ

Autonome Fahrzeuge

Selbstfahrendes Auto von Cruise Automation mit fünf Velodyne LiDAR-Einheiten auf dem Dach ⓘ

Forecast 3-D-Lasersystem mit einem SICK LMC-Lidarsensor ⓘ

Autonome Fahrzeuge können Lidar zur Hinderniserkennung und -vermeidung einsetzen, um sicher durch die Umgebung zu navigieren. Die Einführung von Lidar war ein entscheidendes Ereignis, das Stanley, dem ersten autonomen Fahrzeug, das die DARPA Grand Challenge erfolgreich absolvierte, den Weg ebnete. Die vom Lidar-Sensor ausgegebene Punktwolke liefert die notwendigen Daten für die Robotersoftware, um festzustellen, wo in der Umgebung potenzielle Hindernisse vorhanden sind und wo sich der Roboter im Verhältnis zu diesen potenziellen Hindernissen befindet. Die Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) in Singapur entwickelt aktiv Technologien für autonome Lidar-Fahrzeuge. ⓘ

Die allerersten Generationen von adaptiven Geschwindigkeitsregelsystemen für Kraftfahrzeuge verwendeten ausschließlich Lidar-Sensoren. ⓘ

Objekterkennung für Verkehrssysteme

Um die Sicherheit von Fahrzeugen und Fahrgästen zu gewährleisten und elektronische Systeme zur Unterstützung des Fahrers zu entwickeln, ist es in Verkehrssystemen unerlässlich, das Fahrzeug und seine Umgebung zu verstehen. Lidar-Systeme spielen eine wichtige Rolle für die Sicherheit von Verkehrssystemen. Viele elektronische Systeme, die zur Unterstützung des Fahrers und zur Sicherheit des Fahrzeugs beitragen, wie z. B. die adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC), der Notbremsassistent und das Antiblockiersystem (ABS), sind auf die Erfassung der Fahrzeugumgebung angewiesen, um autonom oder teilautonom zu handeln. Dies wird durch Lidar-Kartierung und -Schätzung erreicht. ⓘ

Überblick über die Grundlagen: Aktuelle Lidar-Systeme verwenden rotierende sechseckige Spiegel, die den Laserstrahl aufteilen. Die oberen drei Strahlen werden zur Erkennung von Fahrzeugen und Hindernissen verwendet, während die unteren Strahlen zur Erkennung von Fahrbahnmarkierungen und Straßenmerkmalen eingesetzt werden. Der Hauptvorteil von Lidar besteht darin, dass die räumliche Struktur erfasst wird und diese Daten mit anderen Sensoren wie Radar usw. fusioniert werden können, um ein besseres Bild der Fahrzeugumgebung in Bezug auf die statischen und dynamischen Eigenschaften der in der Umgebung vorhandenen Objekte zu erhalten. Ein großes Problem bei Lidar ist dagegen die Schwierigkeit, die Punktwolkendaten bei schlechten Wetterbedingungen zu rekonstruieren. Bei starkem Regen zum Beispiel werden die vom Lidar-System ausgesandten Lichtimpulse teilweise von Regentropfen reflektiert, was zu einem zusätzlichen Rauschen in den Daten führt, das als "Echo" bezeichnet wird. ⓘ

Im Folgenden werden verschiedene Ansätze zur Verarbeitung von Lidar-Daten und deren Verwendung zusammen mit Daten von anderen Sensoren durch Sensorfusion zur Erkennung der Fahrzeugumgebung beschrieben. ⓘ

Hinderniserkennung und Erkennung der Straßenumgebung mit Lidar

Diese von Kun Zhou et al. vorgeschlagene Methode konzentriert sich nicht nur auf die Erkennung und Verfolgung von Objekten, sondern auch auf die Erkennung von Fahrbahnmarkierungen und Straßenmerkmalen. Wie bereits erwähnt, verwenden die Lidar-Systeme rotierende sechseckige Spiegel, die den Laserstrahl in sechs Strahlen aufteilen. Die oberen drei Schichten werden zur Erkennung von vorwärtsgerichteten Objekten wie Fahrzeugen und Objekten am Straßenrand verwendet. Der Sensor ist aus wetterfestem Material gefertigt. Die vom Lidar erfassten Daten werden in mehrere Segmente geclustert und mit Hilfe des Kalman-Filters nachverfolgt. Das Clustering der Daten erfolgt hier auf der Grundlage von Merkmalen jedes Segments, die auf einem Objektmodell basieren, das verschiedene Objekte wie Fahrzeuge, Schilder usw. unterscheidet. Zu diesen Merkmalen gehören die Abmessungen des Objekts usw. Die Reflektoren an den Hinterkanten der Fahrzeuge werden verwendet, um Fahrzeuge von anderen Objekten zu unterscheiden. Die Objektverfolgung erfolgt mit einem zweistufigen Kalman-Filter, der die Stabilität der Verfolgung und die beschleunigte Bewegung der Objekte berücksichtigt. Die Straßenmarkierung wird mit einer modifizierten Otsu-Methode erkannt, die raue und glänzende Oberflächen unterscheidet. ⓘ

Vorteile

Reflektoren am Straßenrand, die den Fahrbahnrand anzeigen, sind manchmal aus verschiedenen Gründen verdeckt. Daher werden andere Informationen benötigt, um den Fahrbahnrand zu erkennen. Das bei dieser Methode verwendete Lidargerät kann die Reflektivität des Objekts messen. Daher kann mit diesen Daten auch der Straßenrand erkannt werden. Die Verwendung eines Sensors mit wetterfestem Kopf hilft außerdem, die Objekte auch bei schlechten Wetterbedingungen zu erkennen. Das Modell der Baumkronenhöhe vor und nach einer Überschwemmung ist ein gutes Beispiel. Lidar kann sehr detaillierte Daten über die Höhe der Baumkronen sowie die Straßengrenzen erkennen. ⓘ

Lidar-Messungen helfen, die räumliche Struktur des Hindernisses zu erkennen. Dies hilft, Objekte anhand ihrer Größe zu unterscheiden und die Auswirkungen des Überfahrens abzuschätzen. ⓘ

Lidar-Systeme bieten eine bessere Reichweite und ein großes Sichtfeld, was die Erkennung von Hindernissen in Kurven erleichtert. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber RADAR-Systemen, die ein engeres Sichtfeld haben. Die Fusion von Lidar-Messungen mit verschiedenen Sensoren macht das System robust und nützlich für Echtzeitanwendungen, da Lidar-abhängige Systeme die dynamischen Informationen über das erkannte Objekt nicht abschätzen können. ⓘ

Es hat sich gezeigt, dass Lidar so manipuliert werden kann, dass selbstfahrende Autos zu einem Ausweichmanöver verleitet werden. ⓘ

Biologie und Naturschutz

Lidar-Aufnahme eines alten Waldes (rechts) im Vergleich zu einer neuen Baumpflanzung (links) ⓘ

Lidar hat auch in der Forstwirtschaft zahlreiche Anwendungen gefunden. Mit luftgestützten Lidar-Systemen können die Höhe der Baumkronen, die Biomasse und die Blattfläche untersucht werden. Ebenso wird Lidar von vielen Industriezweigen, einschließlich der Energie- und Eisenbahnbranche und dem Verkehrsministerium, als schnellere Methode der Vermessung eingesetzt. Auch topografische Karten können mit Lidar leicht erstellt werden, auch für den Freizeitgebrauch, z. B. bei der Erstellung von Orientierungslaufkarten. Lidar wurde auch zur Schätzung und Bewertung der biologischen Vielfalt von Pflanzen, Pilzen und Tieren eingesetzt. ⓘ

Darüber hinaus hat die Save the Redwoods League ein Projekt zur Kartierung der hohen Redwoods an der nordkalifornischen Küste durchgeführt. Mit Hilfe von Lidar können die Forscher nicht nur die Höhe von bisher nicht kartierten Bäumen messen, sondern auch die Artenvielfalt des Redwood-Waldes bestimmen. Stephen Sillett, der mit der Liga an dem Lidar-Projekt an der Nordküste arbeitet, behauptet, dass diese Technologie bei künftigen Bemühungen um die Erhaltung und den Schutz alter Mammutbäume von Nutzen sein wird. ⓘ

Geologie und Bodenkunde

Hochauflösende digitale Höhenkarten, die mit Hilfe von luftgestützten und stationären Lidargeräten erstellt werden, haben zu bedeutenden Fortschritten in der Geomorphologie (dem Teilgebiet der Geowissenschaften, das sich mit der Entstehung und Entwicklung der Topografie der Erdoberfläche befasst) geführt. Die Fähigkeit des Lidars, subtile topografische Merkmale wie Flussterrassen, Flussufer und Gletscherlandschaften zu erkennen, die Höhe der Landoberfläche unter der Vegetationsdecke zu messen, räumliche Ableitungen der Höhe besser aufzulösen und Höhenveränderungen zwischen wiederholten Messungen zu erkennen, hat viele neuartige Studien der physikalischen und chemischen Prozesse ermöglicht, die Landschaften formen. Im Jahr 2005 war der Tour Ronde im Mont-Blanc-Massiv der erste hochalpine Berg, auf dem Lidar eingesetzt wurde, um das zunehmende Auftreten schwerer Felsstürze an großen Felswänden zu überwachen, die angeblich durch den Klimawandel und den Abbau des Permafrosts in großer Höhe verursacht werden. ⓘ

Lidar wird auch in der Strukturgeologie und Geophysik als Kombination von luftgestütztem Lidar und GNSS zur Erkennung und Untersuchung von Verwerfungen und zur Messung der Hebung eingesetzt. Die Ergebnisse der beiden Technologien können extrem genaue Höhenmodelle für das Gelände erstellen - Modelle, die sogar die Bodenhöhe durch Bäume hindurch messen können. Diese Kombination wurde berühmt, um die Lage der Seattle-Verwerfung in Washington, USA, zu bestimmen. Mit dieser Kombination wird auch die Hebung des Mount St. Helens gemessen, indem Daten von vor und nach der Hebung im Jahr 2004 verwendet werden. Luftgestützte Lidar-Systeme überwachen Gletscher und sind in der Lage, geringfügiges Wachstum oder Rückgang zu erkennen. Ein satellitengestütztes System, der ICESat der NASA, enthält ein Lidar-Subsystem für diesen Zweck. Der NASA Airborne Topographic Mapper wird ebenfalls häufig zur Überwachung von Gletschern und zur Analyse von Küstenveränderungen eingesetzt. Diese Kombination wird auch von Bodenwissenschaftlern bei der Erstellung eines Bodengutachtens verwendet. Dank der detaillierten Geländemodellierung können Bodenkundler Hangveränderungen und Landformbrüche erkennen, die auf Muster in den räumlichen Beziehungen zwischen den Böden hinweisen. ⓘ

Atmosphäre

Das ursprünglich auf Rubinlasern basierende Lidar für meteorologische Anwendungen wurde kurz nach der Erfindung des Lasers entwickelt und stellt eine der ersten Anwendungen der Lasertechnologie dar. Die Möglichkeiten der Lidar-Technologie haben sich seither stark erweitert, und Lidar-Systeme werden für eine Reihe von Messungen eingesetzt, darunter die Profilierung von Wolken, die Messung von Winden, die Untersuchung von Aerosolen und die Quantifizierung verschiedener atmosphärischer Komponenten. Atmosphärische Komponenten können wiederum nützliche Informationen liefern, darunter Oberflächendruck (durch Messung der Absorption von Sauerstoff oder Stickstoff), Treibhausgasemissionen (Kohlendioxid und Methan), Photosynthese (Kohlendioxid), Brände (Kohlenmonoxid) und Feuchtigkeit (Wasserdampf). Atmosphärische Lidare können je nach Art der Messung entweder bodengestützt, luftgestützt oder satellitengestützt sein. ⓘ

Atmosphärische Lidar-Fernerkundung funktioniert auf zwei Arten -

1. durch Messung der Rückstreuung aus der Atmosphäre und
2. durch Messung der gestreuten Reflexion vom Boden (wenn das Lidar in der Luft ist) oder einer anderen harten Oberfläche. ⓘ

Die Rückstreuung aus der Atmosphäre liefert ein direktes Maß für Wolken und Aerosole. Andere aus der Rückstreuung abgeleitete Messungen, wie Winde oder Zirren, erfordern eine sorgfältige Auswahl der Wellenlänge und/oder der Polarisation. Doppler-Lidar und Rayleigh-Doppler-Lidar werden zur Messung der Temperatur und/oder der Windgeschwindigkeit entlang des Strahls verwendet, indem die Frequenz des zurückgestreuten Lichts gemessen wird. Die Dopplerverbreiterung von Gasen in Bewegung ermöglicht die Bestimmung von Eigenschaften über die resultierende Frequenzverschiebung. Scanning-Lidars, wie das konisch scannende NASA HARLIE LIDAR, wurden zur Messung der atmosphärischen Windgeschwindigkeit eingesetzt. Die ESA-Windmission ADM-Aeolus wird mit einem Doppler-Lidar-System ausgestattet, um globale Messungen von vertikalen Windprofilen zu ermöglichen. Ein Doppler-Lidar-System wurde bei den Olympischen Sommerspielen 2008 eingesetzt, um die Windfelder während der Segelwettbewerbe zu messen. ⓘ

Doppler-Lidar-Systeme werden inzwischen auch erfolgreich im Bereich der erneuerbaren Energien eingesetzt, um Daten zu Windgeschwindigkeit, Turbulenz, Winddrehung und Windscherung zu erfassen. Es werden sowohl gepulste als auch kontinuierliche Wellensysteme eingesetzt. Bei gepulsten Systemen wird das Signal getaktet, um eine vertikale Entfernungsauflösung zu erreichen, während bei Systemen mit kontinuierlicher Welle der Detektor fokussiert wird. ⓘ

Der Begriff eolics wurde vorgeschlagen, um die gemeinschaftliche und interdisziplinäre Untersuchung des Windes mit Hilfe von Strömungsmechaniksimulationen und Doppler-Lidar-Messungen zu beschreiben. ⓘ

Die Bodenreflexion eines luftgestützten Lidars liefert ein Maß für die Oberflächenreflexion (vorausgesetzt, der atmosphärische Transmissionsgrad ist bekannt) bei der Lidar-Wellenlänge, doch wird die Bodenreflexion in der Regel für Absorptionsmessungen der Atmosphäre verwendet. "Differential-Absorptions-Lidar"-Messungen (DIAL) nutzen zwei oder mehr eng beieinander liegende Wellenlängen (<1 nm), um das Oberflächenreflexionsvermögen sowie andere Transmissionsverluste zu berücksichtigen, da diese Faktoren relativ unempfindlich gegenüber der Wellenlänge sind. Wenn sie auf die entsprechenden Absorptionslinien eines bestimmten Gases abgestimmt sind, können DIAL-Messungen dazu verwendet werden, die Konzentration (Mischungsverhältnis) dieses bestimmten Gases in der Atmosphäre zu bestimmen. Dieser Ansatz wird als Integrated Path Differential Absorption (IPDA) bezeichnet, da es sich um eine Messung der integrierten Absorption entlang des gesamten Lidarpfades handelt. IPDA-Lidare können entweder gepulst oder CW sein und verwenden in der Regel zwei oder mehr Wellenlängen. IPDA-Lidare wurden bereits für die Fernerkundung von Kohlendioxid und Methan eingesetzt. ⓘ

Synthetische Array-Lidare ermöglichen abbildende Lidare ohne die Notwendigkeit eines Array-Detektors. Es kann für die bildgebende Doppler-Velocimetrie, die Bildgebung mit ultraschneller Bildrate (MHz) sowie für die Speckle-Reduktion bei kohärenten Lidars eingesetzt werden. Eine umfangreiche Lidar-Bibliographie für atmosphärische und hydrosphärische Anwendungen findet sich bei Grant. ⓘ

Strafverfolgung

Lidar-Geschwindigkeitsmessgeräte werden von der Polizei eingesetzt, um die Geschwindigkeit von Fahrzeugen zur Durchsetzung von Geschwindigkeitsbegrenzungen zu messen. Außerdem werden sie in der Forensik zur Unterstützung von Tatortuntersuchungen eingesetzt. Es werden Scans eines Tatorts angefertigt, um genaue Details über die Platzierung von Gegenständen, Blut und andere wichtige Informationen für eine spätere Überprüfung aufzuzeichnen. Diese Scans können auch verwendet werden, um bei Schießereien die Flugbahn von Kugeln zu bestimmen. ⓘ

Militär

Es sind nur wenige militärische Anwendungen bekannt, die als geheim eingestuft sind (z. B. die Lidar-gestützte Geschwindigkeitsmessung des nuklearen Tarnkappen-Marschflugkörpers AGM-129 ACM), aber es wird intensiv an der Verwendung von Lidar für die Bildgebung geforscht. Systeme mit höherer Auflösung erfassen genügend Details, um Ziele wie z. B. Panzer zu identifizieren. Beispiele für militärische Anwendungen von Lidar sind das Airborne Laser Mine Detection System (ALMDS) für die Minenbekämpfung von Areté Associates. ⓘ

In einem NATO-Bericht (RTO-TR-SET-098) wurden potenzielle Technologien für die Detektion von biologischen Kampfstoffen aus der Entfernung bewertet. Bei den bewerteten Technologien handelte es sich um Langwellen-Infrarot (LWIR), Differenzialstreuung (DISC) und Ultraviolett-Laser-induzierte Fluoreszenz (UV-LIF). Der Bericht kam zu folgendem Schluss: Auf der Grundlage der Ergebnisse der getesteten Lidar-Systeme empfiehlt die Task Group, dass die beste Option für die kurzfristige (2008-2010) Anwendung von Stand-off-Detektionssystemen UV-LIF ist, langfristig könnten sich jedoch auch andere Techniken wie die Stand-off-Raman-Spektroskopie als nützlich für die Identifizierung von biologischen Kampfstoffen erweisen. ⓘ

Ein kompaktes spektrometrisches Lidar mit kurzer Reichweite, das auf der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) basiert, würde das Vorhandensein von biologischen Bedrohungen in Form von Aerosolen an kritischen Orten in Innenräumen, halbgeschlossenen Gebäuden und im Freien wie Stadien, U-Bahnen und Flughäfen aufdecken. Diese Fähigkeit, die nahezu in Echtzeit zur Verfügung steht, würde eine rasche Erkennung der Freisetzung von Bioaerosolen ermöglichen und die rechtzeitige Einleitung von Maßnahmen zum Schutz der Insassen und zur Minimierung des Ausmaßes der Kontamination erlauben. ⓘ

Das Long-Range Biological Standoff Detection System (LR-BSDS) wurde für die US-Armee entwickelt, um die frühestmögliche Warnung vor einem biologischen Angriff zu ermöglichen. Es handelt sich um ein luftgestütztes System, das von einem Hubschrauber getragen wird und synthetische Aerosolwolken mit biologischen und chemischen Stoffen auf große Entfernung aufspüren kann. Das LR-BSDS, das eine Reichweite von 30 km oder mehr hat, wurde im Juni 1997 in Betrieb genommen. Fünf von der deutschen Firma Sick AG hergestellte Lidar-Einheiten wurden für die Kurzstreckenerkennung in Stanley eingesetzt, dem autonomen Auto, das 2005 die DARPA Grand Challenge gewann. ⓘ

Ein Boeing AH-6-Roboter führte im Juni 2010 einen völlig autonomen Flug durch, bei dem er Hindernissen mithilfe von Lidar auswich. ⓘ

Bergbau

Zur Berechnung des Erzvolumens werden regelmäßige (monatliche) Abtastungen in den Gebieten durchgeführt, in denen Erz abgebaut wird, und dann die Oberflächendaten mit der vorherigen Abtastung verglichen. ⓘ

Lidar-Sensoren können auch zur Hinderniserkennung und -vermeidung für Bergbau-Roboter eingesetzt werden, wie z. B. im Autonomous Haulage System (AHS) von Komatsu, das in Rio Tinto's Mine of the Future verwendet wird. ⓘ

Physik und Astronomie

Ein weltweites Netz von Observatorien nutzt Lidars, um die Entfernung zu Reflektoren auf dem Mond zu messen, wodurch die Position des Mondes millimetergenau bestimmt und Tests der allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden können. MOLA, das Mars Orbiting Laser Altimeter, nutzte ein Lidar-Instrument in einem Mars-Satelliten (dem Mars Global Surveyor der NASA), um eine spektakulär präzise globale topografische Vermessung des roten Planeten durchzuführen. Mit Laser-Höhenmessern wurden globale Höhenmodelle des Mars, des Mondes (Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA)), des Merkur (Mercury Laser Altimeter (MLA)) und des NEAR-Shoemaker Laser Rangefinder (NLR) erstellt. Künftige Missionen werden auch Laser-Höhenmesser-Experimente wie das Ganymed-Laser-Höhenmessgerät (GALA) als Teil der Mission Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) umfassen. ⓘ

Im September 2008 nutzte der NASA Phoenix Lander Lidar, um Schnee in der Marsatmosphäre zu entdecken. ⓘ

In der Atmosphärenphysik wird Lidar als Fernerkennungsinstrument eingesetzt, um die Dichte bestimmter Bestandteile der mittleren und oberen Atmosphäre zu messen, z. B. Kalium, Natrium oder molekularer Stickstoff und Sauerstoff. Diese Messungen können zur Berechnung von Temperaturen verwendet werden. Lidar kann auch zur Messung der Windgeschwindigkeit eingesetzt werden und Informationen über die vertikale Verteilung der Aerosolpartikel liefern. ⓘ

In der JET-Kernfusionsforschungsanlage im Vereinigten Königreich in der Nähe von Abingdon, Oxfordshire, wird Lidar Thomson-Streuung zur Bestimmung der Elektronendichte und der Temperaturprofile des Plasmas eingesetzt. ⓘ

Felsmechanik

Lidar wird in der Felsmechanik häufig zur Charakterisierung von Gesteinsmassen und zur Erkennung von Hangveränderungen eingesetzt. Aus den mit dem Lidar gewonnenen 3-D-Punktwolken können einige wichtige geomechanische Eigenschaften des Gesteins extrahiert werden. Einige dieser Eigenschaften sind:

• Orientierung der Diskontinuitäten
• Diskontinuitätsabstand und RQD
• Diskontinuitätsapertur
• Beständigkeit der Diskontinuität
• Rauheit der Diskontinuität
• Wasserinfiltration

Einige dieser Eigenschaften wurden verwendet, um die geomechanische Qualität des Gesteins mit Hilfe des RMR-Index zu bewerten. Da die Orientierungen von Diskontinuitäten mit den vorhandenen Methoden extrahiert werden können, ist es außerdem möglich, die geomechanische Qualität eines Felshangs mit Hilfe des SMR-Index zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht der Vergleich verschiedener 3D-Punktwolken eines Hangs, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen wurden, den Forschern, die Veränderungen zu untersuchen, die in diesem Zeitintervall durch Felsstürze oder andere Hangrutschungen entstanden sind. ⓘ

THOR ⓘ

THOR ist ein Laser, der für die Messung der atmosphärischen Bedingungen auf der Erde entwickelt wurde. Der Laser dringt in eine Wolkendecke ein und misst die Dicke des zurückkehrenden Halos. Der Sensor verfügt über eine faseroptische Öffnung mit einer Breite von 7,5 Zoll, die zur Messung des zurückkehrenden Lichts verwendet wird. ⓘ

Robotik

Die Lidar-Technologie wird in der Robotik für die Wahrnehmung der Umgebung und die Klassifizierung von Objekten eingesetzt. Die Fähigkeit der Lidar-Technologie, dreidimensionale Höhenkarten des Geländes, hochpräzise Entfernungen zum Boden und Annäherungsgeschwindigkeiten zu liefern, kann sichere Landungen von Roboter- und bemannten Fahrzeugen mit einem hohen Maß an Präzision ermöglichen. Lidar wird auch in der Robotik zur gleichzeitigen Lokalisierung und Kartierung eingesetzt und ist gut in Robotersimulatoren integriert. Weitere Beispiele finden Sie im obigen Abschnitt Militär. ⓘ

Raumfahrt

Lidar wird zunehmend für die Entfernungsbestimmung und die Berechnung der Relativgeschwindigkeit von Raumfahrzeugen im Nahbereich und bei der Stationierung eingesetzt. Lidar wurde auch für atmosphärische Studien aus dem Weltraum eingesetzt. Kurze Laserlichtimpulse, die von einem Raumfahrzeug ausgestrahlt werden, können von winzigen Partikeln in der Atmosphäre reflektiert und zu einem Teleskop zurückgesendet werden, das auf den Laser des Raumfahrzeugs ausgerichtet ist. Durch die genaue zeitliche Abstimmung des Lidar-'Echos' und die Messung der Menge des vom Teleskop empfangenen Laserlichts können die Wissenschaftler den Ort, die Verteilung und die Art der Partikel genau bestimmen. Das Ergebnis ist ein revolutionäres neues Instrument zur Untersuchung von Bestandteilen der Atmosphäre - von Wolkentröpfchen bis hin zu industriellen Schadstoffen -, die mit anderen Mitteln nur schwer zu erfassen sind. ⓘ

Die Laser-Altimetrie wird für die Erstellung digitaler Höhenkarten von Planeten verwendet, darunter das Mars Orbital Laser Altimeter (MOLA) zur Kartierung des Mars, das Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) und das Lunar Altimeter (LALT) zur Kartierung des Mondes sowie das Mercury Laser Altimeter (MLA) zur Kartierung des Merkurs. Es wird auch für die Navigation des Hubschraubers Ingenuity bei seinen Rekordflügen über das Marsgelände eingesetzt. ⓘ

Vermessung

Dieser TomTom-Kartierungswagen ist mit fünf Lidar-Sensoren auf seinem Dachträger ausgestattet. ⓘ

Luftgestützte Lidar-Sensoren werden von Unternehmen im Bereich der Fernerkundung eingesetzt. Sie können verwendet werden, um ein DTM (Digitales Geländemodell) oder DEM (Digitales Höhenmodell) zu erstellen; dies ist eine gängige Praxis für größere Gebiete, da ein Flugzeug bei einem einzigen Überflug 3 bis 4 km breite Schwaden erfassen kann. Eine höhere vertikale Genauigkeit von unter 50 mm kann mit einem niedrigeren Überflug erreicht werden, selbst in Wäldern, wo sowohl die Höhe des Kronendachs als auch die Bodenhöhe erfasst werden kann. In der Regel wird ein GNSS-Empfänger benötigt, der über einem georeferenzierten Passpunkt konfiguriert wird, um die Daten mit dem WGS (World Geodetic System) zu verbinden. ⓘ

LiDAR wird auch in der hydrografischen Vermessung eingesetzt. Je nach Klarheit des Wassers kann LiDAR Tiefen von 0,9 m bis 40 m mit einer vertikalen Genauigkeit von 15 cm und einer horizontalen Genauigkeit von 2,5 m messen. ⓘ

Forstwirtschaft ⓘ

Lidar-Systeme wurden auch zur Verbesserung der Forstwirtschaft eingesetzt. Die Messungen werden zur Bestandsaufnahme in Waldparzellen sowie zur Berechnung der Höhe einzelner Bäume, der Kronenbreite und des Kronendurchmessers verwendet. Bei anderen statistischen Analysen werden Lidar-Daten zur Schätzung der Gesamtfläche der Parzelle verwendet, z. B. für das Volumen der Baumkronen, die mittlere, minimale und maximale Höhe sowie die Schätzung der Vegetationsdecke. LiDAR-Daten aus der Luft wurden verwendet, um die Buschbrände in Australien Anfang 2020 zu kartieren. Die Daten wurden manipuliert, um nackte Erde zu sehen und gesunde und verbrannte Vegetation zu identifizieren. ⓘ

Verkehr

Eine Punktwolke, die von einem fahrenden Auto mit einem einzelnen Ouster OS1 Lidar erzeugt wurde ⓘ

Lidar wurde in der Eisenbahnindustrie zur Erstellung von Zustandsberichten für das Anlagenmanagement und von Verkehrsministerien zur Bewertung des Straßenzustands eingesetzt. CivilMaps.com ist ein führendes Unternehmen in diesem Bereich. Lidar wurde in adaptiven Geschwindigkeitsregelungssystemen (ACC) für Autos eingesetzt. Systeme wie die von Siemens, Hella, Ouster und Cepton verwenden ein Lidar-Gerät, das an der Vorderseite des Fahrzeugs, z. B. an der Stoßstange, angebracht wird, um den Abstand zwischen dem Fahrzeug und einem vorausfahrenden Fahrzeug zu überwachen. Wird das vorausfahrende Fahrzeug langsamer oder ist es zu nah, bremst der ACC, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Wenn die Straße frei ist, kann der ACC das Fahrzeug auf die vom Fahrer eingestellte Geschwindigkeit beschleunigen. Weitere Beispiele finden Sie im obigen Abschnitt Militär. Das Ceilometer, ein auf Lidar basierendes Gerät, wird weltweit auf Flughäfen eingesetzt, um die Höhe der Wolken auf den Landebahnanflugrouten zu messen. ⓘ

Optimierung von Windparks

Lidar kann zur Steigerung der Energieausbeute von Windparks eingesetzt werden, indem Windgeschwindigkeiten und Windturbulenzen genau gemessen werden. Experimentelle Lidar-Systeme können an der Gondel einer Windturbine angebracht oder in den rotierenden Spinner integriert werden, um entgegenkommende horizontale Winde und Winde im Kielwasser der Windturbine zu messen und die Rotorblätter proaktiv anzupassen, um Komponenten zu schützen und die Leistung zu erhöhen. Lidar wird auch eingesetzt, um die einfallenden Windressourcen zu charakterisieren und mit der Stromerzeugung der Windturbine zu vergleichen, um die Leistung der Windturbine durch Messung der Leistungskurve der Windturbine zu überprüfen. Die Optimierung von Windparks kann als ein Thema der angewandten Wissenschaft betrachtet werden. Ein weiterer Aspekt des Einsatzes von Lidar in der Windindustrie ist die Anwendung der numerischen Strömungsmechanik über mit Lidar gescannten Oberflächen, um das Windpotenzial zu bewerten, das für die optimale Platzierung von Windparks genutzt werden kann. ⓘ

Optimierung des Einsatzes von Solar-Photovoltaikanlagen

Lidar kann auch eingesetzt werden, um Planer und Entwickler bei der Optimierung von Photovoltaikanlagen auf Stadtebene zu unterstützen, indem geeignete Dächer und Abschattungsverluste ermittelt werden. Jüngste Bemühungen im Bereich des Laserscannings aus der Luft haben sich darauf konzentriert, die Menge des auf vertikale Gebäudefassaden auftreffenden Sonnenlichts abzuschätzen oder detailliertere Abschattungsverluste durch Berücksichtigung des Einflusses von Vegetation und größerem umliegenden Gelände zu berücksichtigen. ⓘ

Videospiele

In neueren Rennsimulationen wie rFactor Pro, iRacing, Assetto Corsa und Project CARS werden Rennstrecken zunehmend anhand von 3D-Punktwolken nachgebildet, die durch Lidar-Vermessungen erfasst wurden, was zu zentimeter- oder millimetergenauen Nachbildungen der Oberflächen in der 3D-Umgebung des Spiels führt. ⓘ

Das Erkundungsspiel Scanner Sombre von Introversion Software aus dem Jahr 2017 nutzt Lidar als grundlegende Spielmechanik. ⓘ

In Build the Earth wird Lidar verwendet, um genaue Renderings des Geländes in Minecraft zu erstellen, um etwaige Fehler (hauptsächlich in Bezug auf die Höhe) in der Standardgenerierung auszugleichen. Der Prozess des Renderns von Gelände in Build the Earth ist durch die Menge der in der Region verfügbaren Daten sowie durch die Geschwindigkeit, mit der die Datei in Blockdaten umgewandelt wird, begrenzt. ⓘ

Andere Verwendungen

Lidar-Scanner auf einem iPad Pro der 4. Generation ⓘ

Das Video zum Song "House of Cards" von Radiohead aus dem Jahr 2007 war vermutlich die erste Verwendung von 3D-Laserscanning in Echtzeit für die Aufnahme eines Musikvideos. Die Entfernungsdaten in dem Video stammen nicht vollständig von einem Lidar, da auch strukturierte Lichtabtastung verwendet wird. ⓘ

Im Jahr 2020 stellte Apple die vierte Generation des iPad Pro mit einem in das hintere Kameramodul integrierten Lidar-Sensor vor, der speziell für Augmented-Reality-Erlebnisse (AR) entwickelt wurde. Die Funktion wurde später in das iPhone 12 Pro und iPhone 12 Pro Max und nachfolgende Modelle integriert. ⓘ

Alternative Technologien

Die jüngste Entwicklung von Structure From Motion (SFM)-Technologien ermöglicht die Bereitstellung von 3-D-Bildern und -Karten auf der Grundlage von Daten, die aus visuellen und IR-Fotografien gewonnen werden. Die Höhen- oder 3-D-Daten werden durch mehrere parallele Überfahrten über den kartierten Bereich extrahiert, wobei sowohl visuelle Lichtbilder als auch 3-D-Strukturen von ein und demselben Sensor gewonnen werden, bei dem es sich häufig um eine speziell ausgewählte und kalibrierte Digitalkamera handelt. ⓘ

Computer-Stereovision hat sich als vielversprechende Alternative zu LiDAR für Anwendungen im Nahbereich erwiesen. ⓘ

Funktionsweise

Differentielle Absorptions-Lidar

Spurengaskonzentrationen können auch – und bei den meisten Stoffen genauer – mit der Methode des differentiellen Absorptions-Lidars (engl.: differential absorption lidar, DIAL) gemessen werden. Bei dieser Technik werden zwei Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet. Eine der Wellenlängen wird so gewählt, dass sie vom Stoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll, absorbiert wird (On-line-Wellenlänge); die andere Wellenlänge so, dass sie nicht oder möglichst wenig absorbiert wird (Off-line-Wellenlänge). Aus dem schrittweisen Vergleich der Rückstreusignale (jeweils für „on“ und „off“) kann dann das Konzentrationsprofil des Stoffes entlang der Ausbreitungslinie der Laserpulse berechnet werden. Absorptionskoeffizienten sind in der Regel aus Laborexperimenten gut bekannt; DIAL bestimmt mittels der entsprechenden Werte für On- und Off-Wellenlänge die atmosphärische Spurengaskonzentration, ohne dass eine weitere Kalibrierung des Instrumentes erforderlich wäre (die Technik ist „selbstkalibrierend“). Dafür müssen allerdings die Wellenlängen der Laserpulse sehr genau eingestellt bzw. kontrolliert werden. Da die Absorptionskoeffizienten meist von Druck und Temperatur abhängen, müssen diese entlang der Messstrecke genau bekannt sein. Vor allem bei der Vertikalsondierung der Atmosphäre spielt dieser Umstand eine große Rolle. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass das Rückstreulicht (Rayleigh-Streuung) eine temperaturabhängige Dopplerverbreiterung erfährt. Dieser Effekt tritt jedoch nicht bei der Rückstreuung an Partikeln (Aerosolen) auf. Daher müssen auch Informationen über das Verhältnis von Rayleigh-Streuung und Rückstreuung an Partikeln eingeholt werden. ⓘ

Unter aerosolfreien Bedingungen und der Annahme, dass die spektrale Verteilung des Lichts nicht signifikant durch das zu messende Spurengas selbst verändert wird, gilt die vereinfachte Lidar-Gleichung für das DIAL:

$N(r)={\frac {1}{\Delta \sigma _{\uparrow }(r)+\Delta \sigma _{\downarrow }(r)}}\cdot \left[{\frac {-{\text{d}}}{{\text{d}}r}}\ln {\frac {S_{\mathrm {on} }(r)}{S_{\mathrm {off} }(r)}}\right]$ ⓘ

Dabei ist $N(r)$ die Konzentration des zu messenden Spurengases, $\Delta \sigma _{\uparrow }(r)$ bzw. $\Delta \sigma _{\downarrow }(r)$ die Differenzen der effektiven Absorptionsquerschnitte $(\sigma _{\mathrm {off} }-\sigma _{\mathrm {on} })$ auf dem Lichtweg des Laserstrahls bis zum Streuprozess bzw. auf dem Lichtweg vom Streuprozess zum Lidar-Empfänger und $S_{\mathrm {on} }(r)$ und $S_{\mathrm {off} }(r)$ die Rückstreusignale der Laserschüsse auf den Wellenlängen $\lambda _{\mathrm {on} }$ bzw. $\lambda _{\mathrm {off} }$. Bei einer signifikant aerosolhaltigen Atmosphäre ist die Berechnung von $N(r)$ allgemein erheblich komplexer, da die spektrale Verteilung des rückgestreuten Lichts stark von der Verteilung der Aerosole abhängig ist. ⓘ