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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Scanen von Landschaftsprofilen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Scanen einer Landschaft mithilfe von an Luftfahrzeugen angeordneten Scanvorrichtungen, in welchem das Scanen mithilfe ausgesandter Scanstrahlen und einer Detektion der Reflexion der Scanstrahlen erfolgt.
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Die topographische Erfassung von Geländeoberflächen ist für vielfache Anwendungen relevant, wie z. B. die topographische Kartierung und Umweltforschung wie auch Stadtplanung und Architektur. Die vollautomatische Messung der Geländehöhen von Luftfahrzeugen aus vereinfacht signifikant die früher sehr personalintensive und langwierige Geländeerfassung und manuelle Ausarbeitung eines Geländemodells durch Vermessungstrupps.
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Bekannte Verfahren, dreidimensionale topographische Daten luftgestützt zu gewinnen, sind die Radar-Interferometrie und Laseraltimetrie. Bei diesen Verfahren wird die Landschaft mithilfe elektromagnetischer Wellen gescant, d. h. durch Aussenden von elektromagnetischen Strahlen und Detektion der reflektierten Strahlen abgetastet, wobei die Laufzeitinformation in digitaler Form prozessiert und visuell aufbereitet werden kann.
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Beispielhaft sei die standardmäßige Funktionsweise der Laseraltimetrie bzw. des Laserscannens erläutert. Laseraltimeter werden von Flugzeugen oder Hubschrauber aus eingesetzt. Der Laser-Scanner ist über einer Bodenöffnung eingebaut und sendet in einen vorgegebenen Scanwinkel, von typischerweise bis zu ±20° von der Mittellinie des Luftfahrzeugs aus gemessen, in regelmäßigen Abständen einen Laserstrahl aus, welcher von der Erdoberfläche und darauf befindlichen Objekten reflektiert wird.
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Dem Laserstrahl ist ein rotierender Spiegel als Scanvorrichtung vorgeschaltet, der den Laserstrahl quer zur Flugrichtung ablenkt. Somit tastet der Scanstrahl einen Geländestreifen entlang des Flugwegs in einer Zick-Zack-Linie ab. Die Streifenbreite kann zwischen einigen zehn Metern und einigen Kilometern liegen. Je nach Laseraltimeter und Flughöhe weisen die einzelnen Messpunkte am Boden Durchmesser zwischen einigen zehn Zentimetern und einigen Metern auf. Die Wahl der Scannerparameter, wie Scanwinkel und -frequenz, und Befliegungsparameter, wie Flughöhe und -geschwindigkeit und der Abstand der Fluglininen, bestimmen die Dichte und Verteilung der Messpunkte. Um zu große parasitäre Winkel zu vermeiden, werden üblicherweise Scanwinkel von allenfalls bis zu ±20° gemessen von der Längsachse des Luftfahrzeugs vorgegeben.
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Ein Teil der reflektierten Strahlung wird von Laseraltimeter detektiert und stoppt bei der Detektion einen Zeitzähler, der gestartet wurde, als der Strahl ausgesandt wurde. Die Entfernung von der Erdoberfläche wird unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeitdifferenz zwischen Aussenden und Empfangen des Scanstrahls ermittelt.
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Die Orientierung der Scanvorrichtung im Raum, d. h. die geographische Position, von der aus die Messung vorgenommen wird und die Richtung, in die der Scanstrahl ausgesandt wird, werden üblicherweise mithilfe eines GPS(Global Positioning Systems)-Empfängers und eines Inertial-Navigationssystems, wie beispielsweise eines optischen Kreisels, bestimmt. Zusammen mit der Scanwinkelmessung lässt sich so für jeden Reflexionspunkt des Scanstrahls der Zick-Zack-Linie die Position und Höhe bestimmen und eine Höhenkarte berechnen.
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Bei den herkömmlichen Landschaftsscanverfahren werden nur die Oberflächen, bzw. im Fall von Häusern nur die Dachflächen, mithilfe einer mit kleinem Scanwinkel operierenden Scanvorrichtung erfasst (s. 1).
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In der
DE 198 59 879 A1 wird ein LIDAR-System beschrieben, das die Kartierung eines Gebäudes von einem Flugzeug aus mithilfe eines gepulsten Laserstrahls ermöglicht. In der
US 6 792 684 B1 wird die Verwendung eines LIDAR-Systems zur Erfassung eines Baumbestands beschrieben. In der
EP 1 418 401 A1 wird die Verwendung einer Stereo-Sensorkamera zur Erfassung einer Oberfläche beschrieben, wobei mithilfe eines LIDAR-Systems die Entfernung zur Oberfläche an Stützpunkten gemessen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Scanen von Landschaften zur Verfügung zu stellen, dass neben der Information über die Höhen von Oberflächen auch die Erfassung seitlicher Flächen erlaubt. Durch dieses Scanverfahren wird das wirkliche Höhenprofil wesentlich besser, d. h. vollständiger und somit realitätsnäher, abgebildet. So wird es beispielsweise ermöglicht, die Bodenerhöhung unter vorspringenden Dächern und ebenso die Seitenflächen von Häusern unterhalb der Dachvorsprünge zu erfassen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zum Scanen einer Landschaft durch mindestens eine an einem Luftfahrzeug angebrachte Scanvorrichtung mithilfe ausgesandter Scanstrahlen und einer Detektion der Reflexion der Scanstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Scanvorgänge mit großen Scanwinkeln erfolgen, und ein Höhenprofil der Landschaft unter seitlicher Erfassung von emporragenden Objekten durch Kombination von durch die mehreren Scanvorgänge mit großen Scanwinkeln gewonnenen Datensätzen erstellt wird.
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Eine Kombination der Scandaten, die durch mehrere Scanvorgänge mit großen Scanwinkeln, insbesondere von 25° und mehr, weiterhin insbesondere von 30° und mehr, gewonnen wurden, ermöglicht so eine möglichst realistische Erstellung des Höhenprofils unter Erfassung der Seiten der Objekte.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere Scanvorgänge mit einer an einem Luftfahrzeug angebrachten Scanvorrichtung durch Überflüge aus verschiedenen Richtungen vorgenommen. Diese Weiterbildung ist technisch am wenigsten aufwendig und kostenintensiv.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere Scanvorgänge mit mehreren an einem Luftfahrzeug angeordneten Scanvorrichtungen vorgenommen. Alternativ können die Scanvorrichtungen in einer oder mehreren Scanrichtungen angeordnet sein. Prinzipiell sind erfindungsgemäß beliebige Anordnungen von Scanvorrichtungen vorgesehen, sofern hierdurch emporragende Objekte in der Landschaft von allen Seiten und von oben erfasst werden können. Durch die Nutzung mehrerer Scanvorrichtungen kann die Anzahl der Überflüge reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Weiterbildung werden die Scanvorrichtungen an einem Luftfahrzeug so angeordnet, dass während eines einzigen Überflugs das Höhenprofil der Landschaft unter seitlicher Erfassung von emporragenden Objekten durch Kombination von durch mehrere Scanvorgänge gewonnenen Datensätzen erstellt wird. Die Betriebskosten für das Luftfahrzeug, insbesondere aber der Zeitaufwand für das erfindungsgemäße Verfahren zum Landschaftsscanen wird somit minimiert.
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In weiteren Weiterbildungen sind die Scanvorrichtungen in zwei Scanrichtungen und gegebenenfalls in Richtungen senkrecht zueinander angeordnet. Mit diesen relativ einfachen Anordnungen lassen sich Anordnungen realisieren, mithilfe derer während eines einzigen Überflugs das Höhenprofil der Landschaft unter seitlicher Erfassung von emporragenden Objekten durch Kombination von durch mehrere Scanvorgänge gewonnenen Datensätzen erstellt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren zum Landschaftsscanen sind die Scanvorrichtungen in zwei Scanrichtungen in Winkeln von 45° bzw. 225° und von 135° und 315° gemessen von der Längsachse eines Flugfahrzeugs angeordnet. Hierdurch wird beispielhaft erreicht dass während eines einzigen Überflugs das Höhenprofil der Landschaft unter seitlicher Erfassung von emporragenden Objekten durch Kombination von durch mehrere Scanvorgänge gewonnenen Datensätzen erstellt wird.
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In alternativen Weiterbildungen erfasst hierbei eine Scanvorrichtung in jeweils einer Scanrichtung den gesamten zu scanenden Winkelbereich oder es erfassen mehrere Scanvorrichtungen in jeweils einer Scanrichtung den gesamten zu scanenden Winkelbereich. Die erstere Alternative ist prinzipiell technisch einfacher zu realisieren. Im Rahmen der zweiten Alternative können die mehreren Scanvorrichtungen auch sich überdeckende Scanwinkel aufweisen, wodurch eine erhöhte Scangenauigkeit erreicht werden kann.
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Die in dem Verfahren der Erfindung vorgesehenen Scanvorrichtungen können alternativ solche sein, die Laser-, Radar-, Radio-, Mikrowellen-, Infrarot-, Ultraviolett- oder optische Scanstrahlen aussenden.
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Anhand der Zeichnung werden im folgenden vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer beschrieben.
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1 illustriert das herkömmliche Landschaftsscanverfahren.
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2 zeigt das Landschaftsscanverfahren mithilfe einer Scanvorrichtung mit großem Scanwinkel.
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3 zeigt eine bzw. mehrere in einer Richtung angeordnete Scanvorrichtungen.
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4 illustriert mehrere Überflüge über abzutastende Objekte mit einer Scanvorrichtung.
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5 zeigt mehrere in mehreren Richtungen angeordnete Scanvorrichtungen.
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6 zeigt eine Kombination von drei verschiedenen Scanvorgängen und die durch die Kombination der Scandaten abgebildeten Volumina und Oberflächen.
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Wie in 1 dargestellt sind übliche Scanvorrichtungen durch einen relativ kleinen Scanwinkel von beispielsweise insgesamt ungefähr 30° (bzw. ±15°) charakterisiert. Der Landschaftsscan erfolgt zeilenweise senkrecht zu der Flugrichtung. Das kleine Quadrat 10 in der linken Abbildung repräsentiert ein Flugfahrzeug, das sich entweder auf den Betrachter zu oder von ihm fort bewegt. Die Pfeile 20 stellen die Scanstrahlen dar.
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Wie auf der rechten Seite der 1 illustriert, erlaubt ein Scanvorgang mit kleinem Scanwinkel das Erfassen der Seiten eines emporragenden Objekts nicht. Im Fall des dargestellten Hauses 30, das im weiteren beispielhaft diskutiert wird, ist die Höhe des Daches problemlos erfassbar. Jedoch können die Regionen unterhalb der über die Hauswände überragenden Dachvorsprünge 40 nicht gescant werden, da die Scanstrahlen 20 fast vollkommen senkrecht auf das zu scanende Objekt 30 fallen.
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2 verdeutlicht den Vorteil der vorliegenden Erfindung. Auf der linken Seite ist ein Scanvorgang mit einem großen Scanwinkel der Scanstrahlen 20 von insgesamt ungefähr 90° (bzw. ±45°) dargestellt. Die rechte Seite zeigt, dass nunmehr nur kleine Bereiche 50 (hell schraffiert) direkt unterhalb der Dachvorsprünge bei der Kombination von Daten mehrerer Scanvorgänge den Scanstrahlen 20 verborgen bleiben. Die Ausdehnung dieser Bereiche hängt von dem Scanwinkel sowie der Vorsprungsweite des Daches ab.
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Zwei verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in 3 gezeigt. Ein vorgegebener Winkel senkrecht zu der Mittelebene eines Luftfahrzeugs, wie hier eines Flugzeugs 60, das im weiteren beispielhaft für ein Flugfahrzeug stehen mag, wird zeilenweise abgetastet. Auf der linken Seite ist ein Spanvorgang in der einfachsten Ausführung, mit nur einer einzigen an dem Flugzeug angeordneten Scanvorrichtung, die über den gesamten Scanwinkel weit aufgefächert scant (vgl. 2, linke Abbildung), illustriert. Die Pfeile 70 repräsentieren Richtung und Reichweite des Scanvorgangs. Auf der rechten Seite der 3 ist das entsprechende Lanschaftsscanen gemäß einer Ausführung mithilfe dreier in derselben Richtung mit jeweils unterschiedlichen Scanwinkeln angeordneten Scanvorrichtungen gezeigt.
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Wie in 4 gezeigt, ist es für die in 3 gezeigten Scanvorrichtungen erforderlich, dass das Luftfahrzeug 60 die Landschaft bzw. das speziell zu scanende Objekt in mehreren Flugrichtungen 80 überfliegt, damit sämtliche Scanrichtungen erfasst werden können. Die Pfeilbündel 90 in der Figur stellen die Scanstrahlen und die Reichweite der Scanvorgänge dar.
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5 zeigt weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein solches Verfahren 100 weist zwei Scanvorrichtungen auf, deren Scanstrahlen sich jeweils über den gesamten zu scanenden Winkelbereich erstrecken 70, in welchem die Scanstrahlen der beiden Vorrichtungen senkrecht zueinander verlaufen und die Mittelachse des Flugzeugs 60 in Winkeln von 45° und 225° bzw. 135° und 315° (gemessen von der Längsachse des Flugzeugs 60) schneiden.
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In einer weiteren Ausführungsform 110, in welcher die Scanstrahlen der Scanvorrichtungen senkrecht zueinander verlaufen und die Mittelachse des Flugzeugs 60 in Winkeln von 45° und 225° bzw. 135° und 315° (gemessen von der Längsachse des Flugzeugs 60) schneiden, finden drei Scanvorrichtungen in jeder der beiden Richtungen mit jeweils unterschiedlichen Scanwinkeln 70 Verwendung. Die Scanstrahlen erstrecken sich in jeder Richtung additiv jeweils über den gesamten zu scanenden Winkelbereich, der mit demjenigen der vorherigen Ausführungsform 100 identisch ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform 120 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch in eine dritte Richtung, namentlich senkrecht zu der Längsachse des Flugzeugs 60 gescant wird. Beispielhaft zeigt die 5 eine Ausführungsform, gemäß der die Scanvorrichtung, die senkrecht zu der Längsachse des Flugzeugs angeordnet ist, einen der Mittellinie der Flugzeugs näheren Winkelbereich 70' scant, wohingegen die übrigen vier symmetrisch in Winkeln von 45°, 135°, 225° und 315° angeordneten Scanvorrichtungen jeweils weiter entfernte Scanwinkelbereiche 70 erfassen. Der Winkelausschnitt, der von jeder Scanvorrichtung erfasst wird, ist hingegen in diesem Ausführungsbeispiel identisch.
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Durch die Verwendung mehrerer Scanvorrichtungen kann die Genauigkeit erhöht werden. Ebenso können mehr Scanvorrichtungen als zum Abtasten des gesamten zu scanenden Winkelbereichs notwendig ist, d. h. mit einander überdeckenden einzelnen Scanwinkeln, zur Erhöhung der Genauigkeit eingesetzt werden. Die in 5 illustrierten Scanrichtungen sind beispielhaft zu verstehen.
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6 illustriert eine Kombination von Datensätzen die mithilfe dreier Scanvorgänge gewonnen werden. Die Pfeile zeigen wiederum die Scanstrahlen, wobei die durchgezogenen 20', die schrägen gepunkteten 20'' und die senkrechten gepunkteten 20''' Pfeile Scanstrahlen ausgehend von jeweils unterschiedlichen Scanvorrichtungen darstellen.
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Die von den Scanvorgängen erfassten Oberflächen und Volumina außerhalb der Konturen des Hauses und oberhalb der Erdoberfläche sind durch die unterschiedlichen Grauskalen gekennzeichnet. Der helle Bereich 200 wird durch alle drei Scanvorgänge erfasst, der hellgraue 300 zusätzlich durch die Kombination jeweils zweier und der dunkelgraue 400 durch jeweils einen Spanvorgang erfasst. Neben der Dachoberfläche des Hauses lassen sich also auch etwaige Bodenerhebungen unter den Dachvorsprüngen und die Seitenflächen des Hauses scanen.
