AT509215B1 - Laser-hydrographieverfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Laser-Hydrographie, bei welchem zumindest ein Laserstrahl (7) von einem bekannten Ort (P) und unter einer bekannten Richtung auf die Oberfläche (5) eines Gewässers (4) und durch diese hindurch auf den Boden (6) des Gewässers (4) gesandt wird und aus Laufzeitmessungen seiner Reflexionen an Gewässeroberfläche (5) und Gewässerboden (6) Meßpunkte (9, 10, S, G) der Gewässeroberfläche (5) und des Gewässerbodens (6) in einem Koordinatensystem (3) erstellt werden, wobei die lokale Neigung (N) der Gewässeroberfläche (5) an einem Eintrittspunkt (9) des Laserstrahls (7) in das Gewässer (4) aus zumindest drei Meßpunkten (S) der Gewässeroberfläche (5) ermittelt wird, wobei aus dieser lokalen Neigung (N) und der bekannten Richtung (R) des Laserstrahls (7). ein lokaler Eintrittswinkel (γ1) des Laserstrahls (7) in das Gewässer (4) ermittelt wird, und wobei der Meßpunkt (10, G) des Gewässerbodens (6) in Abhängigkeit der Laserstrahlrichtung der lokalen Neigung (N) und der optischen Brechung, welche auf den jeweiligen lokalen Eintrittswinkel (γ1) des Laserstrahls zurückzuführen ist, erstellt wird.

Description

österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Hydrographie, bei welchem zumindest ein Laserstrahl von einem bekannten Ort und unter einer bekannten Richtung auf die Oberfläche eines Gewässers und durch diese hindurch auf den Boden des Gewässers gesandt wird und aus Laufzeitmessungen seiner Reflexionen an Gewässeroberfläche und Gewässerboden Meßpunkte der Gewässeroberfläche und des Gewässerbodens in einem Koordinatensystem erstellt werden.

[0002] Die Vermessung von Gewässern mittels Laserentfernungsmessung, die sog. Laser-Hydrographie bzw. - mit Fokus auf die Tiefenbestimmung - Laser-Bathymetrie, ist ein seit den 60er-Jahren bewährtes Verfahren, welches überall dort Anwendung findet, wo die Wassertiefe nicht zu groß und die Wassertrübung nicht zu hoch ist, sodass Reflexionen des Laserstrahls am Gewässerboden von außerhalb des Gewässers detektierbar sind. Die Vorteile der Laser-Hydrographie gegenüber Unterwassersonar-oder -radarverfahren sind die hohe Erfassungsgeschwindigkeit, große Flächenabdeckung und die Möglichkeit der Miterfassung von Landflächen am Gewässerrand. Ein ausführlicher Überblick über die Grundlagen und den Stand der Technik auf dem Gebiet der Laser-Hydrographie ist in Guenther G. C., Cunningham A. G., LaRocque P. E. und Reid D. J., „Meeting the Accuracy Challange in Airborne Lidar Bathymetry", Proceedings of EARSeL-SIG-Workshop LIDAR, Dresden/FRG, 16.-17. Juni 2000, enthalten.

[0003] Alle bekannten Laser-Hydrographieverfahren arbeiten mit großen Laserstrahldurchmessern z.B. im Bereich von 2 bis 5m auf der Wasseroberfläche. Die Gewässeroberfläche kann über derart große Strahldurchmesser als weitgehend eben und horizontal angenommen werden, weil sich der Einfluss der Wellenbewegungen des Gewässers über den Strahlquerschnitt ausmittelt. Ein solch großer Laserstrahldurchmesser beschränkt jedoch die Meßauflösung stark, u. zw. sowohl in der flächenhafen Auflösung, d.h. der Meßpunktdichte, als auch - wegen der Mittelung - in der zeitlichen Auflösung der Laufzeitmessungen und damit der Entfernungsauflösung. Die bekannten Verfahren können daher nur ein verhältnismäßig grobes Raster von Meßpunkten der Gewässeroberfläche und des Gewässerbodens mit geringer Entfernungsauflösung erstellen.

[0004] Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Laser-Hydrographieverfahren mit höherer Meßgenauigkeit und Auflösung zu schaffen.

[0005] Dieses Ziel wird mit einem Laser-Hydrographieverfahren der einleitend genannten Art erreicht, welches sich gemäß der Erfindung dadurch auszeichnet, dass die lokale Neigung der Gewässeroberfläche an einem Eintrittspunkt des Laserstrahls in das Gewässer aus zumindest drei Meßpunkten der Gewässeroberfläche ermittelt wird, wobei aus dieser lokalen Neigung und der bekannten Richtung des Laserstrahls ein lokaler Eintrittswinkel des Laserstrahls in das Gewässer ermittelt wird, und wobei der Meßpunkt des Gewässerbodens in Abhängigkeit der Laserstrahlrichtung, der lokalen Neigung und der optischen Brechung, welche auf den jeweiligen lokalen Eintrittswinkel des Laserstrahls zurückzuführen ist, erstellt wird.

[0006] Bei dem Verfahren der Erfindung wird die durch Wellenbewegungen bedingte lokale Neigung der Grenzschicht zwischen Luft und Wasser für jeden Meßpunkt des Gewässerbodens berücksichtigt. Auf diese Weise können erstmals scharf gebündelte Laserstrahlen mit geringem Strahldurchmesser, bevorzugt von weniger als 1m, besonders bevorzugt weniger als 0,5m (gemessen an der Gewässeroberfläche) verwendet werden. Dadurch können die Meßpunkte dichter gesetzt und eine höhere räumliche Auflösung erzielt werden. Durch den Wegfall des Mittelungseffekts kann gleichzeitig eine größere Genauigkeit der Entfernungsbestimmung der Meßpunkte erreicht werden.

[0007] Bevorzugt ist der Eintrittspunkt des Laserstrahls gleichzeitig ein Meßpunkt der Gewässeroberfläche, sodass jede vorgegebene Aussendeposition bzw. -Winkelrichtung des Laserstrahls gleichzeitig zur Vermessung der Gewässeroberfläche und des Gewässerbodens ausgenützt werden kann, was die Erfassungsrate verdoppelt. 1 /8 österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15 [0008] Im einfachsten Fall genügen drei Meßpunkte der Gewässeroberfläche, um die lokale Neigung z.B. als Gradient bzw. Flächennormale des durch die drei Meßpunkte aufgespannten Dreiecks zu bestimmen. Einer der drei Meßpunkte kann gleichzeitig der Eintrittspunkt des Laserstrahls für den gerade betrachteten Gewässerboden-Meßpunkt sein.

[0009] Eine höhere Genauigkeit für die Bestimmung der lokalen Neigung kann erreicht werden, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus mehreren in der Umgebung eines Eintrittspunkts liegenden Meßpunkten der Gewässeroberfläche ein diese Meßpunkte optimal annäherndes parametrisches Flächenmodell berechnet wird, aus welchem die lokale Neigung an diesem Eintrittspunkt ermittelt wird. Mit anderen Worten kann bei Verwendung von mehr als drei Meßpunkten an diese eine Fläche vorwählbarer Funktion mittels eines „best fit"-Verfahrens angepasst werden; aus dieser Fläche kann dann am interessierenden Eintrittspunkt des Laserstrahls die lokale Neigung analytisch abgeleitet werden.

[0010] Gemäß einer ersten Variante der Erfindung wird - wie an sich bekannt - ein Laserstrahl mit einem infraroten und einem grünen Lichtanteil verwendet und die Reflexionen des infraroten Lichtanteils werden zur Erstellung der Meßpunkte der Gewässeroberfläche und die Reflexionen des grünen Lichtanteils zur Erstellung der Meßpunkte des Gewässerbodens ausgewertet. Dadurch kann eine ausgezeichnete Kanaltrennung zwischen den beiden „Meßkanälen" der Meßpunkte der Gewässeroberfläche und des Gewässerboden erreicht werden.

[0011] Eine besonders bevorzugte zweite Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl zur Erstellung der Meßpunkte der Gewässeroberfläche als auch zur Erstellung der Meßpunkte des Gewässerbodens ein Laserstrahl mit grünem Licht verwendet wird. Grünes Licht ist bekanntlich zur Wasserdurchdringung am besten geeignet, wogegen es für die Teilreflexion an der Gewässeroberfläche bisher nicht eingesetzt wurde, siehe z.B. Guenther et al., aaO. Die Anmelder haben erkannt, dass mit hochwertiger Empfangselektronik selbst mit grünem Licht noch ausreichende Reflexionen von der Gewässeroberfläche zurückerhalten werden können, sodass mit dieser Ausführungsform auf mehrchromatische Empfangskanäle verzichtet werden kann.

[0012] Bevorzugt wird der Laserstrahl gepulst und die Meßpunkte werden aus den Impulslaufzeiten der von der Gewässeroberfläche und dem Gewässerboden reflektierten Laserimpulse ermittelt.

[0013] Bei einer solchen Impulslaufzeitmessung kann überdies aus der Impulsform eines an der Gewässeroberfläche reflektierten Laserimpulses eine Schätzung des lokalen Eintrittswinkels des Laserstrahls berechnet werden, gegen welche der ermittelte lokale Eintrittswinkel validiert wird. Dies beruht auf dem Effekt, dass bei einer diffusen Reflexion an einer geneigten Fläche eine Verbreiterung bzw. zeitliche Dehnung des reflektierten Impulses (Echoimpulses) auftritt, deren Ausmaß ungefähr proportional dem Eintrittswinkel ist. Der ermittelte Eintrittswinkel kann bevorzugt gegen diese Schätzung validiert werden.

[0014] Das Verfahren der Erfindung kann für einzelne („punktweise") Messungen z.B. der Gewässertiefe verwendet werden. Bevorzugt wird der Laserstrahl jedoch abtastend über die Gewässeroberfläche geführt, um gleich ein ganzes 3D-Relief (eine „SD-Punktewolke") von Meßpunkten des Gewässerbodens zu erstellen.

[0015] Das Verfahren der Erfindung eignet sich besonders für die sog. luftgestützte Laser-Hydrographie (Airborne Laser/Lidar Bathymetry, ALB), bei welcher der Laserstrahl von einem flugzeuggestützten Laserscanner ausgesandt wird.

[0016] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt: [0017] Fig. 1 das Verfahren der Erfindung anhand eines beispielhaften Strahlengangs während des Laserscannens eines ausschnittsweise perspektivisch dargestellten Gewässers; 2/8 österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15 [0018] Fig. 2 das Prinzip des Einpassens eines parametrisierten Flächenmodells in eine lokale

Gruppe von Meßpunkten der Gewässeroberfläche; [0019] Fig. 3 ein Amplituden/Zeit-Diagramm der Reflexionen bzw. Echoimpulse eines Laser impulses an Gewässeroberfläche und -boden; und [0020] Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Laserscanners zur Durchführung des Verfahrens der

Erfindung.

[0021] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bewegt sich ein Flugzeug 1 mit einem flugzeugeigenen Koordinatensystem 2 in einem Weltkoordinatensystem 3 über einem (ausschnittsweise dargestellten) Gewässer 4, das durch seine Gewässeroberfläche 5 und seinen Gewässerboden 6 veranschaulicht ist. Das Gewässer 4 ist beispielsweise ein See, Flusslauf oder das Meer. Die Gewässeroberfläche 5 ist auf Grund von Wind, Wellen, Gischt usw. in ständiger Bewegung, und der Gewässerboden 6 besitzt eine unregelmäßige Oberflächenkontur, bedingt durch Geologie, Riffe, Tierund Pflanzenwelt oder Artefakte wie Wracks, Pipelines, Seekabel usw. Ziel der Hydrographie bzw. Bathymetrie ist es, die Oberflächenkontur (das Relief) des Gewässerbodens 6 möglichst naturgetreu im Weltkoordinatensystem 3 zu erfassen bzw. vermessen.

[0022] Zu diesem Zweck wird vom Flugzeug 1 ein Laserstrahl 7 abtastend über das Gewässer 4 geführt, und zwar jeweils vom aktuellen Ort P des Flugzeugs 1 aus unter einer aktuellen Richtung R in Bezug auf das Flugzeugkoordinatensystem 2. In Kenntnis der aktuellen Lage des Flugzeugs 1, d.h. der Lage seines Koordinatensystems 2 gegenüber dem Weltkoordinatensystem 3, kann damit die Strahlrichtung R des Laserstrahls 7 in Bezug auf das Weltkoordinatensystem 3 ermittelt werden. Die Richtung R kann z.B. jeweils durch die Azimuth- und Elevationswinkel des Laserstrahls 7 im Flugzeugkoordinatensystem 2 bzw. Weltkoordinatensystem 3 definiert bzw. ausgedrückt werden, wie in der Technik bekannt.

[0023] Der Laserstrahl 7 tritt in das Gewässer 4 ein und wird vom Gewässerboden 6 auf demselben Wege zurück zum Flugzeug 1 reflektiert. An der Grenzschicht zwischen Luft und Wasser, der Gewässeroberfläche 5, erfährt der Laserstrahl 7 eine optische Brechung bezüglich der Flächennormale 8 auf die Gewässeroberfiche 5 am Eintrittspunkt 9, und zwar gemäß dem bekannten Gesetz sin r, -—L = — (1) smy2 n} mit [0024] γ·\ Eintrittswinkel des Laserstrahls 7 bezogen auf die Flächennormale 8; [0025] j2 Austrittswinkel des Laserstrahls 7 bezogen auf die Flächennormale 8; [0026] ni Brechungsindex von Luft; und [0027] n2 Brechungsindex von Wasser.

[0028] Aus Laufzeitmessungen der Reflexionen des Laserstrahls 7 an der Gewässeroberfläche 5 und am Gewässerboden 6, d.h. der Teilreflexion am Eintrittspunkt 9 einerseits und am Auftreffpunkt 10 am Boden anderseits, können in Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Licht in den Medien Luft und Wasser die Entfernungen vom Aussendepunkt P zum Eintrittspunkt 9 und zum Auftreffpunkt 10 ermittelt werden; und in Kenntnis der Aussenderichtung R und der Eintritts- und Austrittswinkel γ2 können damit die Eintritts- und Auftreffpunkte 9, 10 im Koordinatensystem 3 räumlich angeordnet werden.

[0029] Aus einer Vielzahl verschiedener Messungen mit dem Laserstrahl 7, d.h. einem Abtasten bzw. Scannen der Gewässeroberfläche 5 und damit auch des Gewässerbodens 6, können eine Vielzahl von Eintritts- und Auftreffpunkten 9, 10 ermittelt werden, welche in der Folge als Meßpunkte S der Gewässeroberfläche 5 („Surface") und Meßpunkte G des Gewässerbodens 6 („Ground") bezeichnet werden. Die Meßpunkte S, G bilden in ihrer Gesamtheit zwei sog. „Punk- 3/8 österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15 tewolken" im Raum bzw. Weltkoordinatensystem 3, welche darin die Gewässeroberfläche 5 und den Gewässerboden 6 räumlich repräsentieren bzw. abbilden. Aus den Vertikalabständen zwischen der Gewässeroberfläche 5 und dem Gewässerboden 6 kann anschließend z.B. die lokale Wassertiefe berechnet werden.

[0030] Der Laserstrahl 7 wird beim Abtasten (Scannen) beispielsweise in einem Abtastfächer 11 winkelmäßig hin und her bewegt. In Verbindung mit der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs 1 ergibt sich damit ein zeilenweises flächendeckendes Abtasten der Gewässeroberfläche 5 und des darunterliegenden Gewässerboden 6.

[0031] Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wurde die Gewässeroberfläche 5 -nicht zuletzt aufgrund der Verwendung von Strahlquerschnitten, welche groß gegenüber der Wellenlänge der Wasserwellen des Gewässers 4 sind - als eben und horizontal angenommen, sodass der Eintrittswinkel direkt aus der Aussenderichtung R des Laserstrahls 7 abgeleitet werden konnte.

[0032] Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird hingegen ein Laserstrahl 7 mit einem sehr geringen Strahlquerschnitt bzw. Strahldurchmesser von insbesondere weniger als 1m, bevorzugt weniger als 0,5m, gemessen auf der Gewässeroberfläche 5, verwendet. Ein derartiger Strahldurchmesser ist in der Regel kleiner als die durchschnittliche Wellenlänge von z.B. Meereswellen, die im Bereich von mehreren Metern liegt. Damit trifft der Laserstrahl 7 am Eintrittspunkt 9 nicht mehr auf eine horizontale Fläche, sondern eine Fläche mit stets unterschiedliche lokaler Neigung N, z.B. definiert als Azimuth- und Elevationswinkel der Flächennormalen 8 im Flugzeugkoordinatensystem 2 oder Weltkoordinatensystem 3; als Richtungen zweier die Tangentenfläche an die Gewässeroberfläche 5 am Eintrittspunkt 9 aufspannender Vektoren, usw. Dadurch hängt der jeweilige Eintrittswinkel γι des Laserstrahls 7 nicht nur von der Aussenderichtung R, sondern zusätzlich auch von der lokalen Neigung N am Eintrittspunkt 9 ab. Dies führt im Ergebnis zu unterschiedlichen Brechungen des Laserstrahls 7 abhängig vom jeweiligen Punkt 9 des Eintritts in die Gewässeroberfläche 5, welche zu entsprechend unterschiedlichen Versetzungen der Auftreffpunkte 10 und damit der Meßpunkte G führt. Dieser Effekt wird wie folgt kompensiert.

[0033] Für jeden Meßpunkt G wird die lokale Neigung N der Gewässeroberfläche 5 am Eintrittspunkt 9 des Laserstrahls 7 individuell bestimmt. Dazu werden zumindest drei dem Eintrittspunkt 9 benachbarte Meßpunkte S der Gewässeroberfläche 5 benötigt (einer der Meßpunkte S könnte auch der Eintrittspunkt 9 selbst sein). Aus der Flächennormalen 8 (bzw. dem Gradienten) der von diesen drei Meßpunkten S aufgespannten Ebene lässt sich unmittelbar die lokale Neigung N im Weltkoordinatensystem 3 bestimmen. Aus der Differenz zwischen lokaler Neigung N und Aussenderichtung R des Laserstrahls 7 ergibt sich direkt der lokale Eintrittswinkel γι des Laserstrahls 7. Aus dem Eintrittswinkel γι lässt sich mit Gleichung (1) die lokale optische Brechung, d.h. der Austrittswinkel γ2 des Laserstrahls 7 an diesem Eintrittspunkt 9 berechnen. In Kenntnis der lokalen Brechungswinkel γ2 und der mittels Laufzeitmessungen bestimmten Entfernungen von der Aussendeposition P zum Eintrittspunkt 9 und zum Auftreffpunkt 10 kann nun der Auftreffpunkt 10 als aktueller Meßpunkt G des Gewässerbodens 6 im Weltkoordinatensystem 3 positioniert werden.

[0034] Für die Bestimmung der lokalen Neigung N können auch mehr als drei Meßpunkte S der Gewässeroberfläche 5 herangezogen werden, beispielsweise vier wie in Fig. 1 oder neun wie in Fig. 2 gezeigt. Je mehr Meßpunkte S in der Umgebung des Eintrittspunktes 9 herangezogen werden, ein umso genaueres lokales Flächenmodell F der Gewässeroberfläche 5 in der Umgebung des Eintrittspunktes 9 kann erstellt werden. Ein solches Flächenmodell F ist in der Regel ein parametrisches Flächenmodell, beispielsweise eine Polynomfläche zweiter, dritter oder allgemein n-ter Ordnung, wobei die Polynomkoeffizienten die Parameter des Flächenmodells F darstellen. Durch Aufsuchen jener Parameter des Flächenmodells F, welche die betrachteten Meßpunkte S optimal annähern („best fit"), kann das die Meßpunkte optimal annähernde Flächenmodell F der lokalen Fläche rund um den Eintrittspunkt 9 ermittelt werden. Aus dem Flächenmodell F kann anschließend die lokale Neigung N am betrachteten Eintrittspunkt 9 analy- 4/8 österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15 tisch ermittelt werden, z.B. durch Gradientenbildung.

[0035] Die Laufzeitmessungen am Laserstrahl 7 zur Bestimmung der Entfernungen vom Aus-sendepunkt P zu den Eintritts- und Auftreffpunkten 9, 10 und damit den Meßpunkten S, G können an sich auf jede in der Technik bekannte Art durchgeführt werden, beispielsweise durch Interferenzmessungen. Für solche Interferenzmessungen wäre jedenfalls ein Laserstrahl 7 mit unterschiedlichen Lichtanteilen, die von der Gewässeroberfläche 5 einerseits und dem Gewässerboden 6 anderseits unterschiedlich reflektiert werden, heranzuziehen, beispielsweise mit einem infraroten Lichtanteil zur Ermittlung der Meßpunkte S und einem grünen Lichtanteil für die Meßpunkte G.

[0036] Bevorzugt werden die Laufzeitmessungen jedoch mittels eines gepulsten Laserstrahls 7 anhand von Laufzeitmessungen an den einzelnen Impulsen des Laserstrahls 7 durchgeführt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel der im Flugzeug 1 empfangenen reflektierten Laserimpulse (Echoimpulse) als Reaktion auf einen auf die Gewässeroberfläche 5 ausgesandten, an dieser teilweise reflektierten und anschließend am Gewässerboden 6 reflektierten Laserimpuls. Der ausgesandte Laserimpuls führt damit zu zwei Echoimpulsen, u.zw. einem ersten Echoimpuls 12 für die Teilreflexion am Eintrittspunkt 9 und einem zweiten Echoimpuls 13 für die Reflexion am Auftreffpunkt 10. In Kenntnis der jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts in Wasser und Luft kann somit aus der Impulslaufzeit Ti des ersten Echoimpulses 12 auf die Entfernung vom Punkt P zum Eintrittspunkt 9 und aus der Impulslaufzeit T2 des zweiten Echoimpulses 13 auf die Entfernung vom P zum Auftreffpunkt 10 geschlossen werden, wie in der Technik bekannt.

[0037] Bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls wie in Fig. 3 veranschaulicht ist es nicht zwingend notwendig, einen Laserstrahl 7 mit unterschiedlichen Lichtanteilen (Infrarot für die Meßpunkte S und Grün für die Meßpunkte G) zu verwenden. In praktischen Versuchen wurde gefunden, dass tatsächlich auch mit einem einzigen Lichtanteil, und zwar insbesondere einem grünen Lichtanteil, das Auslangen gefunden werden kann.

[0038] Da selbst bei dem hier vorgestellten Verfahren der Laserstrahl 7 in der Praxis keine ideale punktförmige Bündelung, sondern eine reale Strahlaufweitung in der Größenordnung von bis zu 1m auf der Gewässeroberfläche 5 besitzt, erfährt ein räumlich ausgedehnter Laserimpulse beim Auflaufen, d.h. der Reflexion an einer geneigten Fläche eine Verbreiterung bzw. zeitliche Dehnung und Verformung, deren Stärke vom Auftreffwinkel abhängig ist. Die Impulsbreite B des ersten Echoimpulses 12 ist daher ein ungefähres Maß für den Eintrittswinkel γι am Eintrittspunkt 9, welches Maß beispielsweise zur Validierung, Grobabschätzung oder Verfeinerung des mit Hilfe der Meßpunkte S ermittelten lokalen Eintrittswinkels oder z.B. auch als Iterations-Startwert für ein „best fit"-Approximationsver-fahren gemäß Fig. 2 herangezogen werden kann.

[0039] Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Laserscanvorrichtung 14 zur Durchführung des geschilderten Verfahrens, die vom Flugzeug 1 mitgeführt werden kann. Die Vorrichtung 14 umfasst einen Laserscanner 15 herkömmlicher Art, der beispielsweise mit Hilfe eines rotierenden Prismenspiegels den Laserstrahl 7 periodisch im Abtastfächer 11 verschwenkt. Der Laserscanner 15 liefert an einem Ausgang 16 Laufzeit- bzw. Entfernungsmeßwerte der jeweils aktuell aufgrund der Scanner- und Flugzeugstellung angesteuerten Meßpunkte S, G. Ein Mikroprozessor 17 empfängt diese Meßwerte und kombiniert sie in der geschilderten Art und Weise mit Positionsdaten 18 und Beschleunigungsdaten. 19 aus einem Satellitennavigationsempfänger 20 und einer Trägheitsmeßeinrichtung (inertial measurement unit) 21 des Flugzeugs 1, um die vom Laserscanner 15 gelieferten Meßpunkte S, G im Raum bzw. Weltkoordinatensystem 3 zu positionieren und in einer Datenbank 22 abzulegen. Der Mikroprozessor 17 führt dabei die obengenannten Schritte aus, um die Meßpunkte G brechungskorrigiert im Weltkoordinatensystem 3 zu positionieren.

[0040] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. 5/8

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT 509 215 B1 2011-07-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Laser-Hydrographie, bei welchem zumindest ein Laserstrahl von einem bekannten Ort und unter einer bekannten Richtung auf die Oberfläche eines Gewässers und durch diese hindurch auf den Boden des Gewässers gesandt wird und aus Laufzeitmessungen seiner Reflexionen an Gewässeroberfläche und Gewässerboden Meßpunkte der Gewässeroberfläche und des Gewässerbodens in einem Koordinatensystem erstellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Neigung (N) der Gewässeroberfläche (5) an einem Eintrittspunkt (9) des Laserstrahls (7) in das Gewässer (4) aus zumindest drei Meßpunkten (S) der Gewässeroberfläche (5) ermittelt wird, wobei aus dieser lokalen Neigung (N) und der bekannten Richtung (R) des Laserstrahls (7) ein lokaler Eintrittswinkel (γι) des Laserstrahls (7) in das Gewässer (4) ermittelt wird, und wobei der Meßpunkt (10, G) des Gewässerbodens (6) in Abhängigkeit der Laserstrahlrichtung (R), der lokalen Neigung (N) und der optischen Brechung, welche auf den jeweiligen lokalen Eintrittswinkel (γι) des Laserstrahls zurückzuführen ist, erstellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (7) mit einem Strahldurchmesser von weniger als 1m, bevorzugt weniger als 0,5m, gemessen an der Gewässeroberfläche (5), verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittspunkt (9) des Laserstrahls (7) gleichzeitig ein Meßpunkt (S) der Gewässeroberfläche (5) ist.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren in der Umgebung eines Eintrittspunkts (9) liegenden Meßpunkten (S) der Gewässeroberfläche (5) ein diese Meßpunkte (S) optimal annäherndes parametrisches Flächenmodell (F) berechnet wird, aus welchem die lokale Neigung (N) an diesem Eintrittspunkt (9) ermittelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (7) mit einem infraroten und einem grünen Lichtanteil verwendet wird und in an sich bekannter Weise die Reflexionen (12) des infraroten Lichtanteils zur Erstellung der Meßpunkte (S) der Gewässeroberfläche (5) und die Reflexionen (13) des grünen Lichtanteils zur Erstellung der Meßpunkte (G) des Gewässerbodens (6) ausgewertet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zur Erstellung der Meßpunkte (S) der Gewässeroberfläche (5) als auch zur Erstellung der Meßpunkte (G) des Gewässerbodens (6) ein Laserstrahl (7) mit grünem Licht verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) gepulst wird und die Meßpunkte (9, 10, S, G) aus den Laufzeiten (T·,, T2) der an der Gewässeroberfläche (5) und dem Gewässerboden (6) reflektierten Laserimpulse (12, 13) ermittelt werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Impulsform (B) eines an der Gewässeroberfläche (5) reflektierten Laserimpulses (7) eine Schätzung des lokalen Eintrittswinkels (γ^ des Laserstrahls (7) berechnet wird, gegen welche der ermittelte lokale Eintrittswinkel (γ^ validiert wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) abtastend über die Gewässeroberfläche (5) geführt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) von einem flugzeuggestützten Laserscanner (14) ausgesandt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 6/8