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Nasa-Technologie Emsige Laserstrahlen, die unsere Umgebung scannen

Früher exklusive Nasa-Technologie, ist Lidar nun in unseren Alltag angekommen, weil sie enorm vielfältig ist.

Kathedrale St. Gallen und Klosterplatz als 3D-Modell, erzeugt aus Lidar-Daten.
Legende: Kathedrale St. Gallen und Klosterplatz als 3D-Modell, erzeugt aus Lidar-Daten. Screenshot

Lidar (Light Detectional and Ranging) ist vergleichbar mit Radar: Es geht darum, Distanzen zu messen. Bei Radar geschieht dies mit Radiowellen – Lidar arbeitet optisch und nutzt Laserimpulse.
Die Technologie ist nicht neu: Schon in den 70er-Jahren begann die Nasa, Wolken mit LIDAR zu erforschen und auch die EPFL war früh dabei: In den 90er Jahren spürte sie damit Substanzen in der Athmosphäre auf.

GPS und Rechenleistung: Lidar startet durch

Der Durchbruch kam mit GPS, sagt Roberto Artuso, Lidar-Spezialist und Leiter Höhenmodell beim Bundesamt für Landestopografie (Swisstopo). Mit GPS lässt sich die Position bestimmen, mit Laserstrahl kann man die Distanz messen. Ein Computer kann nun mit diesen Daten, mit der Distanz vom Lidar und der Position und Richtung vom GPS ein dreidimensionales Gelände- oder Raummodell berechnen.

Eigentlich sei Lidar ziemlich primitiv, meint Roberto Artuso: Ein Laser-Strahl wird an der Oberfläche eines Objektes reflektiert und zurückgeschickt. Aus der Laufzeit kann man die Distanz berechnen. Lässt man den Lidar pulsieren, so entsteht eine Punkte-Wolke.

Diese Daten müssen interpretiert werden, damit sie nützlich sind. Weil in den letzten Jahren die Leistungsfähigkeit der Rechner explodiert ist, wird die Interpretation der riesigen Datenmengen immer schneller und exakter und ermöglicht heute sogar schon Anwendungen in Echtzeit, auch mobile.

Beispiel: Wenn ein Polizist am Strassenrand steht und mit einer «Kanone» die Geschwindigkeit der Autos misst, überführt Lidar die Temposünder. Eine sehr simple Anwendung der Technologie.

Lidar kommt auch bei selbstfahrenden Autos zum Einsatz. Die Technologie macht sich ein Bild der Umgebung und hilft so, den Fahrer zu ersetzen. Damit ist sie als Schlüsseltechnologie für autonomes Fahren so wichtig, dass beispielsweise der Autohersteller GM letztes Jahr Strobe, Link öffnet in einem neuen Fenster gekauft hat, einen Hersteller von Lidar-Systemen.
Google weiss ebenfalls um die Wichtigkeit von Lidar und forscht mit der Tochterfirma Waymo, Link öffnet in einem neuen Fenster an der Weiterentwicklung für die fahrerlosen Autos der Zukunft. Serienmässig ist Lidar bereits als Notbremssystem in verschiedenen Modellen im Einsatz, auch in Kleinwagen wie dem VW Up.
Auch lokale Unternehmen könnten vom Boom profitieren und die Schweiz vermehrt zu einem wichtigen Autoindustrie-Zulieferer-Land machen, wie etwa die Sarganser Firma Espros, Link öffnet in einem neuen Fenster.

Geografische «Volkszählung»

Sehr grosses Potential entfaltet Lidar bei digitalen Höhen-und Terrainmodellen. Das Verfahren heisst «Airborne Laser Scanning», ein Lidar-Gerät an Bord eines Flugzeuges, Helikopters oder einer Drohne.

Pottwal? Flugzeug mit Lidar-Nase!
Legende: Pottwal? Flugzeug mit Lidar-Nase! Riegl.com

Swisstopo vermisst in diesen Tagen ein Stück Ostschweiz, Link öffnet in einem neuen Fenster neu, um genauere Daten zu erhalten.
Bis 2022 soll so die ganze Oberfläche der Schweiz erfasst sein, mit einer Genauigkeit von 10cm in der Höhe und 20cm am Boden. Jedes Gebäude, jeder Strommast, jeder Baum manchmal bis zu seinen Ästen steht dann als digitales Modell zur Verfügung – mit Einschränkungen auch online für alle. Beispiel: Hier klicken Klosterplatz St. Gallen, Link öffnet in einem neuen Fenster und dann rechts auf das Symbol «3D».

3D-Höhenmodelle sind aber nicht primär für klassisches Kartenmaterial vorgesehen, sondern für Spezialanwendungen:

  • Will ein Kanton eine neue Brücke bauen, können die Ingenieure sie bereits in der Planungsphase am Computer in das Gelände hineinmodellieren.
  • Die Erstellung eines Lärmkatasters wird vereinfacht, in dem am Rechner simuliert werden kann, wie sich bauliche Massnahmen auf den Lärm auswirken.
  • Da die Laserstrahlen bei Wäldern mit wenig belaubten Bäumen bis an den Boden gelangen, können Archäologen neue Ausgrabungsstätten entdecken, von denen bis anhin niemand nur vermutet hat, dass es sie gibt. Aktuellstes Beispiel: Die bis anhin verschollene Maya-Stadt, Link öffnet in einem neuen Fenster.
Ein stationäres Lidar-Gerät vermisst eine Staumauer.
Legende: Ein stationäres Lidar-Gerät vermisst eine Staumauer. Riegl.com
  • Gefahrenkarten werden zuverlässiger, Gefahrenszenarien wie zum Beispiel Hochwasser simulierbar. In Küstenbereichen werden Höhenmodelle bereits eingesetzt, um Erosionen im Vergleich zum Vorjahr rechtzeitig zu erkennen. Auch in Kiesgruben oder im Kohle-Abbau helfen die Daten, am richtigen Ort weiterzugraben.
  • Der Unterhalt beispielsweise von Hochspannungsleitungen wird günstiger: Um Bäume zu entdecken, die gefährlich nahe an die Leitungen herangewachsen sind und deshalb geschnitten werden müssen, genügt es, einmal mit dem Helikopter der Leitung entlang zu fliegen und mit dem Lidar die Baumhöhen abzuscannen, sogenanntes «Corridor Mapping».

Dank Lidar-Scan schnell Bäume erkennen, die der Stromleitung gefährlich werden können.
Legende: Dank Lidar-Scan schnell Bäume erkennen, die der Stromleitung gefährlich werden können. helimap.ch

Die Energiewirtschaft benutzt die Lidar-Technologie, um den optimalen Standort für Windräder zu finden. Die Laserstrahlen erfassen über reflektierende Aerosole in der Luft den Wind. So können Forscher wie etwa jene von der ZHAW, Link öffnet in einem neuen Fenster genaue Aussagen über die Windrichtung auf bestimmten Höhen machen und daraus ableiten, ob sich am Standort der Bau einer Windanlage lohnt und wie diese angeordnet werden muss.

Effizienter Filmen und realistischere Games entwickeln

Auch die Filmbranche hat Lidar für sich entdeckt. Bereits in einer frühen Projektphase kann der Regiesseur einen Drehort virtuell besichtigen. So kann beispielsweise die benötigte Infrastruktur vor Ort besser geplant oder Perspektiven, Brennweiten und ganze Kamerapfade im 3D-Modell beliebig ausprobiert werden; Handlungsabläufe und Schauspielerbewegungen lassen sich simulieren. Das spart Zeit und Kosten am Set – und steigert erst noch die Qualität der Aufnahmen.

Nach dem Dreh kann man mit Hilf der Lidar-Daten vom Aufnahmeort digital erzeugte Inhalte masstabsgetreu und im richtigen Winkel einfügen; Spezialeffekte wie Zerstörungen oder Explosionen lassen sich berechnen, die in der Realität nie hätten gedreht werden können.

Game-Entwickler setzen 3D-Daten ein, um existierende Welten in den Computer zu bringen. So wäre es etwa denkbar, aus den Swisstopo-Daten der Klosteranlage St. Gallen ein Adventure zu entwickeln, das in den mittelalterlichen Gebäuden spielt, massstabsgetreu und der Realität nachempfunden: Die Sonne scheint im Game im selben Winkel und zum selben Zeitpunkt durch die Fenster der Kathedrale wie in Echt.

Lidar macht Roboter menschlicher

Roboter nutzen Lidar und haben die Technologie dort eingebaut, wo Menschen ein Gesicht haben, wie beispielsweise der Roboter «Atlas, Link öffnet in einem neuen Fenster», der sich dadurch sehr menschlich bewegen und orientieren kann. Und er bringt sogar etwas zustande, was die meisten von uns nicht können: Einen Salto.

Atlas macht Salto

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