Verbesserung von Airborne‑LiDAR mit Mehrfach‑Returns: Ein Whitepaper

Executive Summary

LiDAR ist ein Grundpfeiler moderner Luftvermessung, weil es unabhängig vom Licht hochpräzise 3D‑Modelle liefert. Während klassische Systeme nur erstes/letztes Echo speicherten, erfassen moderne Sensoren mehrere Echos pro Puls – heute bis zu sieben. Dieses Whitepaper erklärt, wie Returns entstehen, warum mehrere Echos Vorteile bieten, und warum sich viele Effekte mit der Zahl der Returns skalieren. Abschließend stellen wir den ROCK Ultra vor – ein UAV‑optimiertes System, das sieben Returns pro Puls aufzeichnet und dichte Bodenpunkte unter Wald erzeugt.

1 Grundlagen der LiDAR‑Returns

1.1 Funktionsprinzip

LiDAR sendet kurze Laserpulse aus und misst die Laufzeit. Zusammen mit Position und Lage (IMU/GNSS) entstehen 3D‑Punkte – die Punktwolke. Diskrete Systeme erkennen mehrere Reflexionen eines Pulses: das erste Echo meist von der obersten Oberfläche, Zwischen‑Echos von Objekten dazwischen und das letzte Echo oft vom Boden.

1.2 Anzahl der Returns

Die maximalen Returns hängen von Elektronik und Zielstruktur ab. Viele luftgestützte Sensoren liefern vier bis fünf Returns; Innovationen – inkl. ROCK Ultra – ermöglichen bis zu sieben. Jedes Echo ist mit seiner Ordnungsnummer gekennzeichnet (z. B. 2 von 5).

2 Warum mehrere Returns im UAV‑LiDAR zählen

2.1 Bessere Vegetationsdurchdringung und Bodenerkennung

Mehrfach‑Returns erlauben „Blick“ durch Vegetation: ein Puls liefert nacheinander Reflexionen aus Baumkrone, Zwischenraum und Boden. So lassen sich Bare‑Earth‑Modelle auch in dichtem Bewuchs erstellen.

2.2 Genauere Höhenmodelle

Mit mehreren Echos können Algorithmen Nicht‑Bodenpunkte herausfiltern und Bodenpunkte (meist letzte Echos) zur DEM‑Erzeugung verwenden – weniger Fehler an steilen Hängen.

2.3 Feinere Objektklassifikation

Return‑Nummer und Intensität unterstützen die Trennung in Boden, Vegetation, Gebäude u. a. – essenziell für Forst‑ und Leitungs‑Monitoring.

2.4 Höhere nutzbare Punktdichte

Durch Vegetationsdurchdringung steigt die Zahl der Bodenpunkte – dichteres, belastbareres Terrain‑Modell.

3 Skalierung: Vorteile von sieben Returns

Während viele Systeme 3–5 Echos liefern, zeichnet ROCK Ultra ≥7 Returns auf. Mehr Echos steigern die Wahrscheinlichkeit eines Bodentreffers bei dichter Vegetation/komplexem Gelände.

3.1 Relevanz für UAV‑Betrieb

UAV‑Sensoren arbeiten niedriger und mit geringerer Pulsenergie als bemannte Systeme; zusätzliche Returns erhöhen die „Abtasttiefe“ jedes Pulses – weniger Nachflüge, weniger Lückenfüllung, schnellere Verarbeitung.

4 ROCK Ultra: für Drohnen optimiertes 7‑Return‑LiDAR

Leichtes System mit 1550‑nm‑Laser, taktischer IMU und 90° FOV. Kerneigenschaften:

• Langstrecke: 500 m @20 % und 1.000 m @80 % Reflektivität – hohe Flughöhen möglich.
• Hohe Pulsrate: bis 1 Mio. Pulse/s, vollständig nach unten gerichtet – deutlich dichtere Punkte am Boden.
• Sieben Returns pro Puls: überlegen bei Vegetation und Boden­erfassung.
• IMU/GNSS: 0,006° Pitch/Roll, 0,03° Heading; PPK bis 1 cm / 2 cm.
• Gewicht: 1,21 kg (Sensor) bzw. 1,40 kg mit 26 MP Kamera.
• Integriertes Ökosystem: ROCK Desktop, ROCK Photogrammetry und ROCK Cloud.

4.1 Operationelle Vorteile

1. Einfachere Missionsplanung: Flüge bei 120 m+ machen Hindernisse oft irrelevant – weniger Risiko.
2. Weniger Feldzeit: Höhere Flughöhen decken 2–3× mehr Fläche pro Flug ab.
3. Skalierbarkeit & Training: Einfache Rasterflüge verkürzen Schulung.
4. Bessere Deliverables: Mehr Bodenpunkte → akkuratere DEMs und Features.

4.2 Vergleich mit gängigen UAV‑LiDARs

Einsteiger wie DJI L2 (bis 5 Returns) sind solide, fehlen aber Reichweite/Durchdringung. High‑End‑Systeme sind schwer und teuer. ROCK Ultra liefert 7 Returns, Reichweite und Genauigkeit in 1,4 kg – ideale Balance.

5 Fazit

Mehrfach‑Returns sind einer der größten Fortschritte im Airborne‑LiDAR. Sieben Returns treiben die Vorteile voran – besonders für UAVs in dichter Vegetation. Der ROCK Ultra kombiniert 1550 nm, 7‑Return‑Fähigkeit und taktische IMU zu vermessungstauglichen Daten mit minimalem Feldeinsatz – integriert ins ROCK‑Ökosystem für einen „Easy‑Button“‑Workflow von Flug bis Deliverable.