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Warum ein inertiales Navigationssystem (INS) mit einem LiDAR verwenden?

Anwendungshinweise 7. Juli 2016

Was ist LiDAR?

Die LiDAR-Technologie (Light detection and ranging) ist eine in der Vermessungsbranche weit verbreitete Technologie zur Erfassung hochpräziser dreidimensionaler (3D) Vermessungsdaten. Diese generische Beschreibung des LiDAR-Mechanismus gilt auch für einen anderen häufig verwendeten Begriff, nämlich Laserscanning, sodass in den folgenden Beschreibungen diese Begriffe meist synonym verwendet werden. LiDAR-Systeme sammeln Daten, indem sie viele tausend einzelne Lichtimpulse pro Sekunde aussenden und die Zeit berechnen, die ein Lichtimpuls benötigt, um zum LiDAR-Sensor zurückzukehren. Diese Lichtimpulse werden über einen Streifen, die so genannte Scanlinie, ausgesendet. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann die Entfernung jedes Impulses zu seinem Ziel (z. B. dem Boden) berechnet werden. Je nach Art des verwendeten LiDAR und je nachdem, wie weit der Boden oder die zu messende Struktur vom LiDAR-Sensor entfernt ist, können diese einzelnen Datenpunkte millimeterweise voneinander entfernt sein. Es ist üblich, darauf zu vertrauen, dass jeder Datenpunkt mit einer Toleranz von /- 5 mm bis 10 mm relativ zur Position des LiDAR-Sensors lokalisiert wurde.

Zusätzlich zu den Genauigkeits- und Präzisionsmerkmalen der gesammelten Daten bieten LiDAR-Sensoren eine effiziente Raumdatenerfassung, da sie in der Lage sind, eine direkte Georeferenzierung vorzunehmen, um jedem der vom LiDAR erfassten Datenpunkte geografische Koordinaten zuzuordnen, ohne dass eine Vermessungskontrolle am Boden erforderlich ist.

Was passiert, wenn der LiDAR-Sensor seine Position verändert?

Terrestrische LiDAR-Vermessungssysteme werden meist auf stationären Stativen montiert. Um die Effizienz der Vermessung bei großen Orten zu verbessern, können sie auf beweglichen Plattformen montiert werden, die sich mit Geschwindigkeiten von der Gehgeschwindigkeit bis zur Geschwindigkeit eines Flugzeugs bewegen. Zunehmend sieht man LiDAR-Sensoren auf Plattformen montiert, die von Rucksäcken oder Wägen, die vom Vermessungspersonal getragen oder geschoben werden, über Autos, Lastwagen und Züge bis hin zu unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) und natürlich auch bemannten Hubschraubern und Flugzeugen reichen.

Aufgrund der Dichte und der relativen Genauigkeit jeder der vom LiDAR durchgeführten 3D-Messungen wird oft gesagt, dass eine LiDAR-"Punktwolke" dem Benutzer einen der besten Vermessungsdatensätze liefert. Um möglichst nützlich zu sein, werden jedem Datenpunkt in der LiDAR-Punktwolke reale geografische Koordinaten zugeordnet, so dass die vom LiDAR gesammelten Daten in Verbindung mit vorhandenen Kartierungs- oder Vermessungsinformationen verwendet werden können.

Die Zuordnung einer geographischen Koordinate zu einem LiDAR-Datenpunkt erfordert zu jedem Zeitpunkt die Kenntnis, wo sich der LiDAR-Sensor befindet und in welche Richtung er zeigt (äußere Orientierung). Basierend auf diesen Messungen wird eine reale geografische Koordinate berechnet und jedem Impuls dynamisch zugeordnet (ein Prozess, der als direkte Georeferenzierung bekannt ist). Angesichts der hohen Präzision der LiDAR-Daten in Bezug auf die Position des LiDAR-Sensors sowie der hohen Frequenz und des großen Datenvolumens, die jede Sekunde erfasst werden, muss die Methode zur Berechnung der Position und der Orientierung der Plattform ebenso ausgefeilt sein. Dies kann eine Herausforderung sein, je nach den Beschränkungen der Referenzinformationen und der Umgebung der Plattform während der Vermessung.

Wie kann die Position und Orientierung eines LiDAR-Sensors gemessen werden?

Position

Bei der Durchführung einer beweglichen LiDAR-Vermessung könnte man davon ausgehen, dass die Verwendung eines GNSS-Sensors (Global Navigation Satellite System), wie z. B. eines GPS-Empfängers (Global Position System), zur Zuordnung von geographischen Koordinaten zu den gesammelten Daten ausreicht. Dies ist zwar ausreichend, um die Position des Sensors bei statischen Scan-Anwendungen zu bestimmen, aber nicht ausreichend in einem mobilen Kontext, was zu Ungenauigkeiten führt, da sich der Sensor während des Scannens in ständiger Bewegung befindet.

Genauer gesagt, gehören zu den Fragen im Zusammenhang mit der Nutzung von GPS auch solche, die mit dem GPS-Empfänger zusammenhängen, der eine saubere Sichtlinie zu mindestens vier GNSS gleichzeitig haben muss, um Längen-, Breiten- und Höhenkoordinaten zu erhalten. Darüber hinaus führt die Gesamtverteilung der GNSS-Satelliten über einem bestimmten Teil der Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt möglicherweise nicht zu einer klaren Sichtlinie. Das Ausmaß, in dem die Standortkoordinaten erfasst werden können, hängt auch davon ab, ob Strukturen in der Umgebung den Empfänger davon abhalten, den Himmel klar zu sehen, so dass hohe Gebäude oder überhängende Bäume zu Ausfällen in dem Ausmaß führen können, in dem ein GPS seine Position berechnen kann. Dieses Problem kann sich bei einer bodengebundenen mobilen LiDAR-Implementierung noch verschärfen, da die Fahrzeuge häufig durch GPS-berührte Gebiete wie Stadtzentren oder Wälder fahren.

Abgesehen von den Auswirkungen der unmittelbaren Umgebung wird die Frequenz, mit der die Standortmessungen von einem GPS aufgezeichnet werden, selbst dann, wenn die erforderliche Anzahl von Satelliten zu sehen ist, viel langsamer sein als die Frequenz, mit der die Daten vom LiDAR-Sensor erfasst werden. Daher ist es notwendig zu verstehen, wo sich die Vermessungsplattform in Zeiten, in denen keine GPS-Messungen verfügbar sind, befindet. Das LiDAR-Sensor-Positionierungssystem, um zwischen den empfangenen GPS-Messwerten messen oder vorhersagen zu können, wo das Fahrzeug eingefahren ist. Fehlerquellen bei der Standortberechnung, die sich aus den Auswirkungen der Umgebung von Frequenzen ergeben, bei denen die Standortmessungen im Verhältnis zur Geschwindigkeit der sich bewegenden Plattform aufgezeichnet werden, können sich akkumulieren und zu einem steigenden Fehlerbudget im Laufe eines Projekts führen, das allgemein als "Drift" bekannt ist.

Ausrichtung

Unabhängig von der Plattform, auf der der LiDAR montiert ist (d. h. in der Luft oder am Boden), ist es zusätzlich zur genauen Sensorpositionierung wichtig, die Ausrichtung des Systems zu verstehen, um die Position der gesammelten Daten genau zu verstehen. Diese äußere Orientierung des Sensors muss während der Bewegung der Plattform kontinuierlich berechnet werden. Abgesehen vom geradlinigen Abstand zwischen den Datenpunkten muss seine Bewegung in Form von Roll-, Neigungs- und Gierbewegungen beschrieben werden. Diese Art von Bewegungen mögen vertraut sein, wenn man sich ein Flugzeug im Flug vorstellt, aber jeder, der eine Straße entlang gefahren ist oder zu schnell um eine Kurve gefahren ist, wird auch mit diesen Bewegungen vertraut sein. Aufgrund der Detailgenauigkeit, die ein LiDAR in seinen Daten erfasst, wirkt sich jede geringfügige Abweichung von einer vollständig ebenen Plattform auf die Berechnung der einem LiDAR-Datenpunkt zugeordneten Raumkoordinaten aus.

Es ist auch wichtig zu wissen, ob die Plattform beschleunigt oder abgebremst wurde, oder ob der Bewegungsablauf der LiDAR-Plattform vollständig linear war. Auch hier gilt, dass aufgrund der Frequenz und Auflösung eines LiDAR-Sensors diese Bewegungsänderungen berücksichtigt werden müssen, um zu verstehen, wo die Punktwolke gesammelt wurde.

Die Hardware-Komponente, die einen Großteil der Informationen über die Bewegungsdynamik der Plattform liefert, ist die inertiale Messeinheit (IMU). Die IMU besteht aus einer Baugruppe von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern und wird einen kontinuierlichen Datenstrom über die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs auf drei Achsen zusammen mit den drei Sätzen von Rotationsparametern wie Rollen, Neigen und Gieren liefern.

Direkte Georeferenzierung mit einem inertialen Navigationssystem

Das inertiale Navigationssystem (INS) ist das Rechensystem, das eine IMU zusammen mit einer Verarbeitungseinheit beherbergt, die statistische (Kalman-)Filter anwendet, um eine bestmögliche Positionsschätzung für die sich bewegende Plattform auf ihrer Reise zu berechnen. Wenn ein GPS-System verfügbar ist, wird das INS Daten vom GPS in die Positionsschätzung einbeziehen. Wenn das LiDAR-System auf einem Straßenfahrzeug montiert wurde, das ein Kilometerzähler-System zur Unterstützung der Messung der zurückgelegten Strecke enthält, werden diese Daten ebenfalls in die Berechnungen des INS einbezogen.

Durch die gleichzeitige Berücksichtigung aller Methoden der Positions- und Orientierungsinformation auf einmal ist das INS in der Lage, die Mängel dieser Daten bei der Berechnung von Position und Orientierung auszugleichen. Da es beispielsweise zu häufigen Ausfällen der GPS-Daten und zu einem möglichen "Driften" kommen kann, ist das INS in der Lage, den Weg der Plattform auf ihrer vorhergesagten Flugbahn durch zusätzliches Gewicht zu den Informationen eines Kilometerzählers (sofern verfügbar) oder der Beschleunigungsmesser der IMU vorherzusagen.

Mit Aktualisierungsraten von bis zu 250 Hz arbeiten INS-Systeme wie das OxTS xNAV550 und OxTS Inertial+ mit kombinierten Vorwärts- und Rückwärtsverarbeitungsroutinen (in der Zeit), um die wahrscheinlichste Gesamtposition der sich bewegenden Plattform und des darauf montierten LiDAR-Sensors zu berechnen. Dieser dynamische Prozess der kontinuierlichen Berechnung der besten Schätzung von Position und Ausrichtung des LiDAR-Sensors und folglich jedes einzelnen Datenpunktes, den er erfasst, wird als direkte Georeferenzierung bezeichnet.

INS LiDAR-Punktwolke

LiDAR-Implementierungen mit inertialen Navigationssystemen

Die inertiale Technologie von OxTS wurde in einer Reihe von hochpräzisen LiDAR-Implementierungen auf einer Reihe von Plattformen, einschließlich fahrzeuggestützter sowie bemannter und unbemannter Flugzeugsysteme, eingesetzt.

Die Schweizer UAV-Firma Aeroscout hat das xNAV550 mit dem Riegl VUX-1 LiDAR-System erfolgreich für die Kartierung von Stromleitungen eingesetzt. Durch eine tiefe und doch einfache Integration zwischen dem INS- und dem LiDAR-Sensor umfasst der Arbeitsablauf der Datenerfassung und -verarbeitung nur wenige Klicks. Innerhalb von 14 Minuten Flugzeit ist Aeroscout in der Lage, LiDAR-Daten von 1 km Hochspannungsleitung mit einer räumlichen Gesamtgenauigkeit von 1,6 cm zu erfassen.

In Australien setzt HAWCS ein OxTS Inertial+ System ein, um die äußere Orientierung zu berechnen und eine direkte Georeferenzierung eines hubschraubermontierten LiDAR-Systems zu ermöglichen. Das HAWCS-Team sammelt täglich Daten über Hunderte von Kilometern und ist in der Lage, die Vegetationsabstände entlang von Stromleitungen auf 20 cm genau zu messen.

Für die Vermessung von Autobahnen setzt das schwedische Unternehmen WSP seit 2010 das OxTS Inertial+ INS-System auf mehreren GeoTracker-Systemen ein. WSP verlässt sich auf das Inertial+ System, um die GPS-Driftraten zu reduzieren und nutzt die von OxTS optimierten Wegstreckenberechnungen, um die Positionsgenauigkeit bei Hindernissen wie Brücken, Tunneln oder dichten Häuserschluchten zu erhöhen. Durch die Bereitstellung eines einzigen Synchronisationsmechanismus zur gleichzeitigen direkten Georeferenzierung von Daten aus LiDAR-Sensoren mit Informationen, die von 360-Kameras und HD-Videos gesammelt wurden, ist das OxTS Inertial+ INS von unschätzbarem Wert für diese Art von fahrzeugbasierten mobilen Kartierungsanwendungen.

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