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Was ist eine Punktwolke?

Industrie-Artikel 9. Juli 2020

Eine Punktwolke ist im Grunde ein einfaches Konstrukt. Es handelt sich um eine Sammlung von Punkten im 3D-Raum, wobei jedem Punkt eine Koordinate in kartesischer Konvention zugeordnet ist. Die Punkte können auch mit anderen Eigenschaften versehen werden, die oft Aufschluss darüber geben, wie sie gewonnen wurden.

Beispiele hierfür sind die Zeit, zu der sie von dem Vermessungsgerät, das die Daten erfasst hat, "gesehen" wurden. Auch die Intensität oder die Positionsabweichung des Punktes kann enthalten sein. Punktwolken enthalten nach einer Vermessung oft etwa 100 Millionen Punkte. Mit Hilfe von Photogrammetrietechniken können Punktwolken auch mit Fotografien überlagert werden, um im Wesentlichen 3D-Fotos zu erstellen.

 

LiDAR Trägheits-Odometrie

 

Die wichtigste Methode zur Erhebung von Punktwolkendaten ist die Verwendung von LiDAR. LiDAR ist eine Technologie, die ähnlich wie Radar funktioniert, da Licht vom Gerät ausgesendet wird und von Objekten zurückprallt. Der Unterschied besteht darin, dass beim Radio Radiowellen mit großer Wellenlänge und bei LiDAR Laser mit kleiner Wellenlänge für hohe Präzision eingesetzt werden.

Die Zeit, die das Licht benötigt, um zum Gerät zurückzukehren, wird zusammen mit der Lichtgeschwindigkeit verwendet, um die Entfernung zu berechnen. Normalerweise enthält ein LiDAR-Gerät Laser mit einem festen vertikalen Winkel, die sich jedoch in der horizontalen Ebene drehen. Intern weiß das Gerät, in welchem Winkel der Laser vertikal ausgerichtet ist und welchen Azimutwinkel er hat. Dadurch erhält das Gerät die Position des Punktes auf dem Objekt in sphärischen 3D-Koordinaten. Die Laser im Inneren erzeugen Tausende von Punkten pro Sekunde. Die oben erwähnte Intensität ist die Intensität des reflektierten Strahls und gibt das Reflexionsvermögen des Objekts an.

Wofür werden Punktwolken verwendet?

Es gibt eine breite Palette von Anwendungen, für die Punktwolken verwendet werden können. Sie werden zunehmend in Echtzeit verwendet, damit Roboter und autonom fahrende Computer ihre Umgebung verstehen und durch sie navigieren können. Die bei einer Punktwolkenerfassung erstellten Daten eignen sich gut zur Erkennung und Identifizierung von Oberflächen und Objekten, z. B. von anderen Autos, Straßenschildern und Fahrbahnmarkierungen.

OxTS unterstützt Automobilhersteller bei der Beschaffung von Navigationsdaten, die sie zusammen mit LiDAR-Daten für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge benötigen, sowie bei der Erstellung von Punktwolken für Vermessungszwecke.

Entfernungen und Volumina lassen sich mit einer Software zur Analyse von Punktwolken leicht berechnen, und die Intensität kann helfen, verschiedene Materialien zu identifizieren. Eine weitere Funktion, die LiDAR bietet, ist die Mehrfach-Rückstrahlung. Dadurch kann ein Laserimpuls (der einen begrenzten Querschnitt hat) von mehreren Oberflächen zurückprallen und mehrere Punkte aus demselben Impuls erzeugen. Dies ist besonders nützlich, um sowohl Fenster zu sehen als auch durch sie hindurch zu blicken. Es gibt auch unzählige andere Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. das Erkennen von Baumkronen und des Bodens beim Überfliegen mit einer Drohne. Eine LiDAR-Punktwolkenvermessung kann auch durchgeführt werden, um die Schneehöhe zu erkennen. Wenn das LiDAR die oberste Schneeschicht erkennen kann, kann es auch eine weitere starke Rückmeldung vom darunter liegenden Boden erhalten, so dass der Benutzer die Tiefe berechnen kann.

 

Punktwolkenvermessung

Organisationen wollen aus verschiedenen Gründen Punktwolkendaten sammeln. Seit LiDAR eine wirtschaftlichere Option geworden ist, hat es sich zu einem nützlichen Werkzeug für Vermessungsingenieure entwickelt, die nach neuen und innovativen Wegen suchen, um Aufgaben wie die Überwachung von Infrastruktur und Vegetation oder die Erstellung von Karten für autonomes Fahren zu erfüllen.

Für die Durchführung einer Punktwolkenvermessung mit einem LiDAR sind jedoch andere Sensoren erforderlich. Ein LiDAR allein liefert dem Benutzer ein digitales Bild seiner unmittelbaren Umgebung, aber wenn sich das LiDAR außerhalb der Reichweite bewegt, ist das Bild, das es zurücksendet, nicht mehr vorhanden.

Um ein dauerhafteres Bild zu erstellen, das gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt überprüft werden kann, müssen die vom LiDAR ausgesandten Lichtstrahlen georeferenziert mit Positions- und Inertialdaten von einem GNSS/INS.

OxTS GNSS/INS-Geräte erzeugen zu diesem Zweck genaue Positions- und Trägheitsmessdaten. Je nach Anwendungsfall sind verschiedene Modelle erhältlich. Das genaueste OxTS GNSS/INS, das RT3000 v4 wird für Anwendungen verwendet, bei denen Genauigkeit ein Muss ist, während das xNAV650 für Anwendungen mit eingeschränktem SwaP geeignet ist. Dann gibt es noch das xRED3000 Platinen-Set für Integrator-Projekte. Alle Geräte sind kompatibel mit dem OxTS Georeferenzierungs- und Kalibrierungswerkzeug für die Ziellinie, OxTS Georeferencer. OxTS Kunden verwenden OxTS Georeferencer , um GNSS/INS-Daten mit LiDAR-Daten zu kombinieren und eine georeferenzierte 3D-Punktwolke zu erstellen.

 

Wer verwendet Punktwolken?

Punktwolkendaten sind ein wichtiger Bestandteil vieler Arbeitsabläufe in der Industrie geworden. Sie liefern den Nutzern genaue, verwertbare Daten, die sie wiederholt verwenden können. Die möglichen Anwendungsfälle für Punktwolkendaten sind nahezu endlos, allerdings sind Punktwolkendaten in einigen Branchen weiter verbreitet als in anderen. Zum Beispiel:

Bauunternehmen

Bauunternehmen nutzen Punktwolkendaten während des gesamten Lebenszyklus eines Projekts. In der Anfangsphase eines Projekts können LiDAR-Daten für die Vermessung des Geländes, die Projektplanung und zur Vorhersage der Projektkosten genutzt werden. Außerdem ist das Baugewerbe stark reguliert, weshalb es wichtig ist, dass alle Bauarbeiten so genau wie möglich mit den geplanten Entwürfen übereinstimmen. Punktwolkendaten können eine entscheidende Rolle dabei spielen, dies zu gewährleisten.

Bauingenieure

LiDAR wird schon seit einiger Zeit im Bauwesen eingesetzt. Bei Tiefbauprojekten ist Genauigkeit der Schlüssel, besonders zu Beginn eines Projekts. Bei einem neuen Projekt kann eine LiDAR-Punktwolke zur Kartierung des Geländes verwendet werden, um zu analysieren, welche vom Menschen geschaffenen oder natürlichen Merkmale entfernt werden müssen. Wenn der Scan genau ist, muss der Standort nicht erneut aufgesucht werden und die Daten können wiederholt aus der Ferne analysiert werden.

Punktwolkendaten können auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass Projekte im Zeitplan bleiben, indem mögliche Reparatur- und Wartungsprobleme früher im Projekt analysiert werden.

Architekten

Im Bereich der Architektur verschiebt die Technologie immer weiter die Grenzen des Machbaren, und LiDAR spielt bei diesem Wandel eine wichtige Rolle. Die von einem LiDAR-Scanner erfassten Punktwolkendaten liefern dem Architekten detaillierte räumliche Informationen über sein Projekt. Traditionell wurden architektonische Erhebungen manuell durchgeführt, doch mit dem Einsatz von LiDAR können Architekten in einem Bruchteil der Zeit große Datenmengen erfassen.

Punktwolkendaten sind außerdem äußerst präzise und können Architekten in die Lage versetzen, genauere Konstruktionszeichnungen zu erstellen. Sie tragen auch dazu bei, die Anzahl der Fehler zu verringern, was die Rentabilität erhöht und die für die Fertigstellung eines Projekts benötigte Zeit verkürzt.

OxTS Punktwolke von Minster Lovell Hall Ruins

OxTS Punktwolke von Minster Lovell Hall Ruins

OxTS Punktwolke von Minster Lovell Hall Ruins

In welchen Formaten werden Punktwolken angeboten?

Auf OxTS sehen wir, wie LiDAR-Punktwolken für die Entwicklung von fahrerlosen Autos und Arbeitsfahrzeugen, für die Küsten- und Waldbewirtschaftung, die Überwachung von Infrastrukturen (Schilder, Abflüsse, Brücken, Straßenbeläge, Eisenbahnlinien usw.), die Erstellung von 3D-Stadtmodellen, die Erkundung von Pipelines und vieles mehr verwendet werden. Das Endprodukt ist ein einfaches Dateiformat, für das die Möglichkeiten nahezu endlos sind - und wir sehen ständig neue Anwendungen, die Punktwolken verwenden.

Wie bereits erwähnt, ist OxTS Georeferencer ein von OxTS entwickeltes Softwaretool, das GNSS/INS- und LiDAR-Daten dynamisch kombiniert, um eine georeferenzierte 3D-Punktwolke zu erstellen. Die Daten können in verschiedenen Formaten exportiert werden, darunter .LAS, .LAZ und PCD. Die Daten können dann in vielen Softwareanwendungen von Drittanbietern zur Anzeige von Punktwolken angezeigt werden.

LAS, LAZ und PCD sind nicht die einzigen existierenden Punktwolkenformate. Punktwolkendaten können in vielen anderen Formaten exportiert werden, darunter ASCII (XYZ, OBJ, PTX (Leica), ASC) und Binär (FLS (Faro), PCD sowie LAS.

 

Exakt positionierte Punktwolken

Wenn Sie Ihr eigenes mobiles Kartierungsfahrzeug mit einem LiDAR-Sensor entwickeln, ist der vielleicht wichtigste Aspekt die Lokalisierungsquelle. Sie muss es Ihnen ermöglichen, Ihre Sensordaten genau auf einen physischen Ort auf der Erde zu beziehen. Je genauer die Lokalisierungsdaten sind, desto genauer ist auch die Punktwolke.

In dieser Lösungsübersicht gehen wir auf die Aspekte ein, die wir unseren Kunden empfehlen, wenn sie sich für eine Lokalisierungsquelle für ihre mobilen Kartierungsfahrzeuge entscheiden.

Lesen Sie die Lösungsübersicht um zu erfahren, warum ein OxTS GNSS/INS die richtige Option für Sie sein könnte.

Kurzbeschreibung der LiDAR-Vermessungslösung

Lesen Sie den nächsten Abschnitt in der Reihe "Was ist eine Punktwolke": Wie wird eine Punktwolke erstellt? (Was ist eine georeferenzierte Punktwolke?)
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Ashburn, US