Moderne Lasertechnologie ermöglicht es, EDM-Messungen nicht nur genauer, ­sondern durch Anreicherung mit Materialinformation auch informativer zu machen. 

Elektrooptische Distanzmessung (EDM) ist seit Jahrzehnten aus der Vermessungspraxis nicht mehr wegzudenken. Zunächst konnten Distanzen zwischen Einzelpunkten – Messgerät und Reflektor – effizient und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Schon waren die Sensoren empfindlich genug, um auch „reflektorlos” (RL) zu messen. Dabei übernahmen die vom Messstrahl ausgeleuchteten Oberflächen die Funktion der Reflektoren. 

Der Messstrahl hat endlichen Durchmesser, in der Regel mehrere Millimeter bis einige Zentimeter, in großer Entfernung sogar noch mehr. Damit bezieht sich die RL-EDM Messung nicht mehr auf einen klar definierten Punkt, sondern auf die ausreichend stark reflektierenden Bereiche innerhalb der ausgeleuchteten Fläche. Die empfangene Signal­stärke ist bei gleicher Entfernung typischerweise geringer als bei der Messung auf ein Prisma und das Messrauschen von RL-EDM daher größer. Dennoch wäre EDM ohne reflektorlose Messung vielleicht eine Nischentechnologie geblieben, während RL-EDM unter der Bezeichnung LiDAR (light detection and ranging) das Anwendungsspektrum vor allem als ­Basis für das Laserscanning immens erweitert hat. 
Neben Photogrammetrie ist LiDAR eine essentielle Basis für die Erfassung der 3D Geometrie für eine Vielzahl von Anwen­dungsbereichen. Bei diesem „EDM 1.0” liefern die Instrumente pro Messpunkt jeweils einen Distanz- und einen Intensitätswert. Letzterer wird häufig nur zur anschaulicheren Visuali­sierung oder als Indikator für die Signalqualität verwendet. 

Eine wesentliche Erweiterung des Informationsgehalts der einzelnen Messung wurde durch Full-Waveform LiDAR erzielt. Dabei wird ein impulsförmiges Signal beim Empfang hochfrequent abgetastet. Die Auswertung der Signalver­zerrung erlaubt es, unter bestimmten Voraussetzungen mehrere Reflektoren in verschiedener Entfernung zu unterscheiden und Information über Beschaffenheit und Orientierung der Oberflächen zu extrahieren. Mit diesem „EDM 2.0” kann es beispielsweise gelingen, beim Scannen aus der Luft, Boden und Vegetation zu unterscheiden. Vereinzelt finden ähnliche Technologien auch in terrestrischen Instrumenten An­wendung.

Distanzmessung mit Intermode-Beating

Durch moderne Lasertechnologie ergeben sich neue Möglichkeiten, EDM weiter zu verbessern und noch mehr Information aus den Signalen zu extrahieren. Am Institut für Geodäsie und Photogrammetrie (IGP) der ETH Zürich geht gerade ein vom Schweizerischen Nationalfonds gefördertes Projekt zu Ende, in dem solche Erweiterungen untersucht wurden (Augmented Capability EDM using Phase and Power Spectral Signatures).

Ausgangspunkt ist die Verwendung eines stabilen Super­kontinuum-Lasers. Der resultierende Laserstrahl deckt den Wellenlängenbereich von 580 bis 1000 nm mit tausenden Spektrallinien im Abstand von jeweils 100 MHz (fr) ab (Abbildung 1, links). Theoretisch könnte man die optische Strahlung auf diesen Wellenlängen modulieren und damit auf konventionelle Weise Distanzen messen.

Die stabile Phasenbeziehung zwischen den Bestandteilen des Superkontinuums eröffnet jedoch noch eine andere Möglichkeit: Wenn das Licht am Photodetektor auftrifft, kommt es durch die vielen eng benachbarten Frequenzen zu Schwebungen (intermode beats) in Form periodischer Intensitätsschwankungen, wie man sie auch aus der Akustik ­kennt, wenn zwei zugleich ertönende Klänge ähnliche, aber nicht gleiche, Tonhöhe haben. Konkret ergeben sich bei unserem Laser Schwebungen mit Frequenzen von 100, 200, 300 MHz und so weiter. Wir filtern optisch bestimmte Wellenlängenbänder und elektronisch bzw. digital bestimmte Schwebungsfrequenzen heraus (Abbildung 2, oben). Die resultierenden Signale können wir exakt wie sinusförmig modulierte Messsignale bei phasenbasierender Distanzmessung verwenden. Aller­dings stehen uns diese Messungen für verschiedene Wellenlängenbänder zur Verfügung, und wir können die Grob- und Feinmaßstäbe der Messung, entsprechend den Modulations­wellenlängen bei der etablierten Distanzmessung, adaptiv in der Datenauswertung wählen, weil wir die Signale nicht explizit modulieren müssen.

In unserem experimentellen Laboraufbau (Abbildung 2), der die Machbarkeit demonstriert und uns die Gelegenheit für umfangreiche Untersuchungen bietet, nutzen wir die breitbandige Laserquelle und das obige Messprinzip für Forschungsarbeiten in zwei Richtungen: (i) automatische Kompensation der atmosphärischen Einflüsse auf die hochpräzise Distanzmessung mit künstlichen Reflektoren, und (ii) berührungslose Materialerkennung bzw. Bestimmung wei­terer Material-/Oberflächenparameter individuell für jeden einzelnen gescannten Punkt im Zuge des Laserscannings.

Kompensation atmosphärischer Einflüsse

Der Schlüssel zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse liegt in der Dispersion der Atmosphäre, die dazu führt, dass die Signallaufzeit von der Trägerwellenlänge abhängt, in unserem Fall also dem jeweils gefilterten Wellenlängenband („spektralen Kanal”). Die Distanzmessung mittels Intermode-Beating ist ausreichend präzise, um die geringen scheinbaren Unterschiede der Distanzen in verschiedenen Kanälen zu bestimmen und daraus die atmosphärisch korrigierte Distanzmessung abzuleiten. Neben den bereits vor mehreren Jahrzehnten fast zur Serienreife gebrachten, aber zu komplexen Zweifarben-Distanzmessern, wie dem Terrameter, zeichnen sich derzeit in unserer Arbeit und der anderer Forschungsinstitutionen Lösungsmöglichkeiten ab, das bekannte Dispersionsverfahren zu nutzen. Es kann gut sein, dass der Bedarf an expliziter meteorologischer Korrektur von Distanzen bald der Vergangenheit angehört.

Materialerkennung und Erfassung weiterer Oberflächeneigenschaften

Auch Material und Oberflächenstruktur beeinflussen die Intensität des empfangenen LiDAR-Signals abhängig von der Wellenläge. Die breitbandige Lichtquelle ermöglicht es uns, die Distanz- und Intensitätsmessung auf einer Vielzahl spektraler Kanäle durchzuführen und damit für jeden einzelnen Punkt einer Punktwolke gleichsam einen Fingerabdruck der jeweils reflektierenden Oberfläche zu erfassen. Grundsätzlich ist es damit möglich, Laserscans durch punktweise Materialklassifikation anzureichern (Abbildung 3).

Wird das ausgesendete Licht linear polarisiert und die Messung mit unterschiedlich orientierten Analysatoren durchgeführt, so kann rechnerisch noch für jeden spektralen Kanal bestimmt werden, welcher Anteil des Signals auf entpolarisierende Streuung (z. B. unterhalb der Oberfläche) und welcher auf polarisations-erhaltende Reflexion (z. B. an einer relativ glatten Oberfläche) zurückzuführen ist. Wir nutzen dieses multimodale, multispektrale (MM) ­LiDAR für die Ableitung von Spektren, mit denen sich Materialen und Oberflächen­beschaffenheit besonders gut unterscheiden lassen (Abbildung 4).

Auch für dieses MM-LiDAR konnten wir bisher anhand des Laboraufbaus die grundsätzliche Machbarkeit zeigen. Bis zur kommerziellen Umsetzung in leistbaren Instrumenten müssen noch viele technische Fragen geklärt und Herausforderungen gelöst werden. Dennoch erscheint uns die Entwicklung vielversprechend, wenn man an Anwendungen wie Bestandsdokumentation, Monitoring, Denkmalschutz, Wie­deraufbau, Recycling oder Landwirtschaft denkt, wo sich großer Mehrwert der Daten ergäbe, wenn zusätzlich zur Geometrie auch Materialien, Materialeigenschaften oder Oberflächenbe­schaffenheit automatisch, schnell und kostengünstig erfasst werden könnten.

Zusammenfassung

Moderne Lasertechnologie ermöglicht es, EDM-Messungen nicht nur genauer, sondern durch Anreicherung mit Material­information auch informativer zu machen. Bis zur kommerziellen Umsetzung wird es sicher noch eine Zeitlang dauern, aber die aktuelle Forschung zeigt vielversprechende Richtungen auf, und man darf gespannt sein, wie die Reise weiter­geht. Und ganz bestimmt lohnt es sich, von diesem EDM 3.0 zu träumen.

Andreas Wieser, Yu Han, Pabitro Ray und David Salido-Monzú
Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, ETH Zürich