Warum ein Trägheitsnavigationssystem (INS) mit einem LiDAR verwenden?

Die LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging) ist eine in der Vermessungsbranche weit verbreitete Technologie zur Erfassung hochpräziser dreidimensionaler (3D) Vermessungsdaten. Diese allgemeine Beschreibung des LiDAR-Mechanismus gilt auch für einen anderen gebräuchlichen Begriff, das Laserscanning, so dass diese Begriffe in den folgenden Beschreibungen meist synonym verwendet werden. LiDAR-Systeme sammeln Daten, indem sie viele tausend einzelne Lichtimpulse pro Sekunde aussenden und die Zeit berechnen, die ein Lichtimpuls braucht, 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 das zu messende Bauwerk vom LiDAR-Sensor entfernt ist, können diese einzelnen Datenpunkte Millimeter voneinander entfernt sein. In der Regel kann man sich darauf verlassen, dass jeder Datenpunkt mit einer Toleranz von +/- 5 mm bis 10 mm relativ zur Position des LiDAR-Sensors lokalisiert wurde.

Neben der Genauigkeit und Präzision der erfassten Daten bieten LiDAR-Sensoren eine höhere Effizienz bei der Erfassung räumlicher Daten, da sie in der Lage sind, jedem der vom LiDAR erfassten Datenpunkte direkt geografische Koordinaten zuzuweisen, ohne dass eine Bodenkontrolle erforderlich ist.

Terrestrische LiDAR-Vermessungssysteme sind in der Regel auf stationären Stativen montiert. Um die Vermessungseffizienz auf großen Flächen zu verbessern, können sie auf beweglichen Plattformen montiert werden, die sich mit Geschwindigkeiten von Schrittgeschwindigkeit bis hin zur Geschwindigkeit eines Flugzeugs bewegen. Zunehmend werden LiDAR-Sensoren auf Plattformen montiert, die von Rucksäcken oder Trolleys, 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 der einzelnen 3D-Messungen des LiDAR wird oft gesagt, dass eine LiDAR-"Punktwolke" dem Benutzer einen der besten Vermessungsdatensätze bietet. Um möglichst nützlich zu sein, werden jedem Datenpunkt in der LiDAR-Punktwolke reale geografische Koordinaten zugewiesen, so dass die mit dem LiDAR erfassten Daten in Verbindung mit vorhandenen Karten- oder Vermessungsinformationen verwendet werden können.

Um einem LiDAR-Datenpunkt eine geografische Koordinate zuzuordnen, muss bekannt sein, wo sich der LiDAR-Sensor befindet und in welche Richtung er jederzeit zeigt (äußere Ausrichtung). Auf der Grundlage dieser Messungen wird eine reale geografische Koordinate berechnet und dynamisch den einzelnen Impulsrückgaben zugewiesen (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 Menge der sekündlich gesammelten Daten muss die Methode zur Berechnung der Position und Ausrichtung der Plattform ebenso anspruchsvoll sein. Dies kann je nach den Einschränkungen bei den Referenzdaten und der Umgebung der Plattform während der Vermessung eine Herausforderung darstellen.

Neben der Genauigkeit und Präzision der erfassten Daten bieten LiDAR-Sensoren eine höhere Effizienz bei der Erfassung räumlicher Daten, da sie in der Lage sind, jedem der vom LiDAR erfassten Datenpunkte direkt geografische Koordinaten zuzuweisen, ohne dass eine Bodenkontrolle erforderlich ist.

Bei der Durchführung einer LiDAR-Vermessung in Bewegung könnte man annehmen, dass die Verwendung eines GNSS-Sensors (Global Navigation Satellite System), z. B. eines GPS-Empfängers, für die Zuordnung geografischer Koordinaten zu den erfassten Daten ausreicht. Während dies für die Bestimmung der Sensorposition bei statischen Scanning-Anwendungen ausreicht, ist es in einem mobilen Kontext nicht ausreichend, was zu Ungenauigkeiten führt, da der Sensor während des Scannens ständig in Bewegung ist.

Zu den Problemen im Zusammenhang mit der Nutzung von GPS gehört insbesondere, dass der GPS-Empfänger zu jedem Zeitpunkt eine klare Sichtlinie zu mindestens vier GNSS haben muss, um Längen-, Breiten- und Höhenkoordinaten zu erhalten. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass die Gesamtverteilung der GNSS-Satelliten über einem bestimmten Teil der Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt keine klare Sichtlinie ergibt. Das Ausmaß, in dem Standortkoordinaten erfasst werden können, hängt auch davon ab, ob Strukturen in der Umgebung die Sicht des Empfängers auf den Himmel behindern, so dass hohe Gebäude oder überhängende Bäume zu Beeinträchtigungen bei der Berechnung der GPS-Position führen können. Dieses Problem kann sich beim Einsatz einer bodengestützten mobilen LiDAR-Implementierung noch verschärfen, da die Fahrzeuge häufig durch Gebiete ohne GPS-Empfang fahren, wie z. B. städtische Zentren oder Wälder.

Abgesehen von den Auswirkungen der unmittelbaren Umgebung ist die Häufigkeit, mit der Standortmessungen von einem GPS aufgezeichnet werden, selbst dann, wenn die erforderliche Anzahl von Satelliten gesehen werden kann, viel langsamer als die Häufigkeit, mit der Daten vom LiDAR-Sensor erfasst werden. Daher ist es notwendig, den Standort der Vermessungsplattform auch dann zu kennen, wenn keine GPS-Messungen verfügbar sind. Das Positionierungssystem des LiDAR-Sensors muss in der Lage sein, den Weg zu messen oder vorherzusagen, den das Fahrzeug zwischen den empfangenen GPS-Messungen zurückgelegt hat. Fehlerquellen bei den Standortberechnungen, die sich aus den Auswirkungen der Umgebung der Frequenzen ergeben, mit denen die Standortmessungen im Verhältnis zur Geschwindigkeit der sich bewegenden Plattform aufgezeichnet werden, können sich akkumulieren und im Laufe eines Projekts zu einem zunehmenden Fehlerbudget führen, das gemeinhin als "Drift" bezeichnet wird.

Unabhängig von der Plattform, auf der das LiDAR-Gerät montiert ist (d. h. luft- oder bodengestützt), ist neben der genauen Sensorposition auch die Orientierung des Systems von entscheidender Bedeutung, um die Position der erfassten Daten genau zu verstehen. Diese äußere Ausrichtung des Sensors muss kontinuierlich berechnet werden, während die Plattform in Bewegung ist. Neben dem geradlinigen Abstand zwischen den Datenpunkten muss die Bewegung in Form von Roll-, Nick- und Gierbewegungen beschrieben werden. Diese Arten von Bewegungen sind vielleicht bekannt, wenn man sich ein Flugzeug im Flug vorstellt, aber auch jeder, der schon einmal eine Straße hinuntergefahren ist oder zu schnell um eine Kurve gefahren ist, wird mit diesen Bewegungen vertraut sein. Aufgrund der Detailgenauigkeit, die ein LiDAR in seinen Daten erfasst, wirkt sich jede geringfügige Abweichung von der völligen Ebenheit einer Plattform auf die Berechnung der einem LiDAR-Datenpunkt zugewiesenen 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 erfasst wurde.

Die Hardwarekomponente, die einen Großteil der Informationen über die Dynamik der Plattformbewegung liefert, ist die Trägheitsmesseinheit (IMU). Die IMU besteht aus einer Anordnung von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern und liefert einen kontinuierlichen Datenstrom zur linearen Beschleunigung des Fahrzeugs auf drei Achsen sowie zu den drei Rotationsparametern Roll, Nick und Gier.

Das Trägheitsnavigationssystem (INS) ist das Rechensystem, das eine IMU sowie eine Verarbeitungseinheit enthält, die statistische (Kalman-)Filter anwendet, um eine bestmögliche Schätzung der Position der sich bewegenden Plattform auf ihrer Reise zu berechnen. Wenn ein GPS-System zur Verfügung steht, bezieht das INS die Daten des GPS in die Positionsschätzung ein. Wenn das LiDAR-System an einem Straßenfahrzeug montiert wurde, das über einen Kilometerzähler verfügt, der bei der Messung der zurückgelegten Strecke hilft, werden diese Daten ebenfalls in die INS-Berechnungen einbezogen.

Durch die gleichzeitige Berücksichtigung aller Methoden zur Positions- und Orientierungsbestimmung ist das INS in der Lage, Unzulänglichkeiten in diesen Daten bei der Berechnung von Position und Orientierung auszugleichen. Da es beispielsweise bei GPS-Daten häufig zu Ausfällen kommen kann und die Gefahr einer "Drift" besteht, ist das INS in der Lage, einen Prozess der Koppelnavigation anzuwenden, um den Weg der Plattform auf ihrer vorausberechneten Flugbahn vorherzusagen, indem es den Informationen eines Wegstreckenzählers (sofern verfügbar) oder den Beschleunigungsmessern der IMU gegebenenfalls zusätzliches Gewicht verleiht.

Mit Aktualisierungsraten von bis zu 250 Hz können INS-Systeme wie das OXTS xNAV550 und OXTS Inertial+, arbeiten 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 von ihm erfassten Datenpunktes wird als direkte Georeferenzierung bezeichnet.

Die Trägheitstechnologie von OXTS wurde in einer Reihe von hochpräzisen LiDAR-Implementierungen auf einer Reihe von Plattformen eingesetzt, darunter fahrzeugbasierte sowie bemannte und unbemannte Luftfahrtsysteme.

Schweizer UAV-Firma Aeroscout hat erfolgreich das xNAV550 mit dem Riegl VUX-1 LiDAR-System, um die Kartierung von Stromleitungen durchzuführen. Durch eine tiefgreifende und dennoch einfache Integration zwischen dem INS- und dem LiDAR-Sensor ist die Datenerfassung und -verarbeitung mit nur wenigen Klicks erledigt. Innerhalb von 14 Minuten Flugzeit ist Aeroscout in der Lage, LiDAR-Daten von 1 km Hochspannungsleitung mit einer Gesamtgenauigkeit von 1,6 cm zu erfassen.

In Australien, HAWCS betreiben ein OXTS Inertial+ System zur Berechnung der äußeren Ausrichtung und zur direkten Georeferenzierung eines am Hubschrauber montierten LiDAR-Systems. Durch die tägliche Erfassung von Daten über Hunderte von Kilometern ist das HAWCS-Team in der Lage, die Vegetationsabstände entlang von Stromleitungen auf 20 cm genau zu messen.

Bei den Erhebungen auf Autobahnen hat das schwedische Unternehmen WSP setzt 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 die von OXTS optimierten Wegstreckenberechnungen zu nutzen, um die Positionsgenauigkeit bei Hindernissen wie Brücken, Tunneln oder dichten Häuserschluchten zu erhöhen. Das OXTS Inertial+ INS bietet einen einzigen Synchronisationsmechanismus für die gleichzeitige direkte Georeferenzierung von Daten aus LiDAR-Sensoren mit Informationen, die von 360-Kameras und HD-Videos erfasst werden. Das System ist von unschätzbarem Wert für diese Art von fahrzeugbasierten mobilen Kartierungsanwendungen.