Historische Kartografie und Heimatforschung

Was ist LiDAR?

veröffentlicht: 11/2024, von Jens Klöckner

LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine radarähnliche Messtechnologie, die Laserstrahlen verwendet, unter anderem um Entfernungen zu messen. Diese Technologie ermöglicht die Erstellung hochpräziser, dreidimensionaler Höhenmodelle und liefert detaillierte Informationen über die Oberflächenstruktur von Landschaften und Objekten. Sie kann auch Daten aus dicht bewachsenen oder unzugänglichen Gebieten erfassen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zugänglich wären.

Was ist LiDAR? | Einsatzgebiete | Software | Digitale Geländemodelle, Formate | DTM in 3D-Software (Blender) | Links und Quellen |

Einsatzgebiete von LiDAR

LiDAR findet vielfältige Anwendung in verschiedenen Bereichen, insbesondere in der Vermessung, Geographie und Archäologie. In der Heimatforschung wird die Technologie genutzt, um historische Landschaften zu kartieren und verborgene Strukturen wie alte Wege, Siedlungsreste oder Terrassen zu identifizieren, die im Gelände schwer erkennbar sind. In der Archäologie ermöglicht LiDAR die Entdeckung von Kulturgütern wie Burgruinen oder Grabhügeln, die unter dichtem Bewuchs verborgen liegen. Durch die präzisen 3D-Scans können Forscher detaillierte Modelle erstellen und so das kulturelle Erbe und die Geschichte von Regionen genauer erfassen und bewahren. LiDAR eignet sich hervorragend für den Einsatz in Kombination mit historischen Karten oder Flurkartierungen.

Um Missverständnisse zu vermeiden: LiDAR wird auch zur 3D-Vermessung von Städten und Gebäuden verwendet. Für Geländemodelle werden jedoch Bäume und Gebäude weitgehend entfernt, um die natürliche Oberflächenstruktur präziser darzustellen. Dies geschieht durch den Einsatz von Laserstrahlen, die aus verschiedenen Positionen gesendet werden, um eine detaillierte Erfassung der Erdoberfläche zu ermöglichen.

LiDAR Karten und GPS-Software

QGIS

Prinzipiell handelt es sich bei LiDAR-Software um eine Software, die Geländemodell-Rohdaten (GeoTIFF + TFW, ASCII x, y, z) entweder als 2D-Rasterkarte visualisiert oder in 3D-Modelle umwandelt. Am PC wird dies primär durch die mächtige GIS-Software QGIS mit der Erweiterung Open LiDAR Toolbox ermöglicht. Aus den digitalen Geländemodell-Kacheln (optimalerweise mit einer Gitterweite von 1 m) entstehen so GeoTIFFs oder KMZ-Overlays, die auf Smartphones/Tablets mit Apps wie Locus Map oder All-In-One Offline Maps in Kombination mit GPS-Position und aktuellen Karten zum Auffinden der Relikte genutzt werden können. Zudem ist es mit QGIS möglich - was eigentlich die Kernkompetenz der Software ist - auf Basis der georeferenzierten LiDAR-Daten moderne historische Vektorkarten zu erstellen, die z.B. in Projekten wie OpenHistoricalMap zur Verbreitung kommen.

Mit der Software planlauf/TERRAIN für Windows sowie Android und iOS wird dieser Prozess automatisiert. Das bedeutet, dass der Download sowie die Visualisierung der LiDAR-XYZ-Punktwolken-Rohdaten von der planlauf-Software übernommen werden. Am PC entsteht zudem ein echtes 3D-Modell, und mobil per App sind die GPS-Position und eine einfache Peilung zu einer gewählten Stelle möglich.

Digitale Geländemodelle (DTM): Auflösungen, Formate, Quellen

Digitale Geländemodelle (Digital Terrain Models, DTM) liegen in unterschiedlicher Auflösung vor. So bedeutet DTM 10, dass jeder Punkt in einem 10 x 10 m Raster voneinander entfernt ist. Dadurch entstehen ein Höhenmodell, Höhenlinien und ein 3D-Abbild der Landschaft. Um alte Fundamente in der Landschaft zu erkennen, bedarf es mindestens einer 1m Auflösung. DTM 10 reicht hingegen aus um Höhenlinien bzw. ein Gelände-Modell zu erstellen.

Sonny's LiDAR Digital Terrain Models of Europe werden sowohl als DTM-Downloadquelle als auch als Höhenmodell für GPS-Kartensoftware genutzt.

In Deutschland bieten fast alle Bundesländer DGM-Daten in einer Auflösung von 1 m an. Auch die Schweiz und Österreich stellen solche Daten zur Verfügung. Oft liegen die Daten als GeoTIFF-Kacheln vor, aus denen beispielsweise mit QGIS aussagekräftige 2D-Rasterkarten erstellt werden können.

3D-Koordinaten aus XYZ-Dateien

Ein weiteres, vor allem für die 3D-Visualisierung verbreitetes Format ist XYZ, auch bekannt als ASCII-Daten XYZ oder Raster XYZ. Es handelt sich dabei um eine Textdatei, die eine Liste von UTM-Koordinaten und Höhenwerten enthält, beispielsweise:
381800.000 5464022.000 264.163
381801.000 5464022.000 264.144
381802.000 5464022.000 264.125
381803.000 5464022.000 264.106

Die Werte werden in Metern angegeben, mit drei Nachkommastellen, was einer Genauigkeit bis in den Millimeterbereich entspricht.
Während ein GeoTIFF die Höhenwerte lediglich anhand der Helligkeit darstellt (je höher, desto heller) und so beispielsweise mit der 3D-Software Blender ein Geländemodell erzeugt werden kann, enthält eine XYZ-Datei echte 3D-Koordinaten oder Punktwolken.

Einige Länder stellen ihre Geländemodelle auch im ASC (ASCII Grid Format) zum Download zur Verfügung. Ähnlich wie das XYZ-Format handelt es sich bei ASC ebenfalls um eine Textdatei, die 3D-Koordinaten enthält, jedoch in einer komplexeren Rasterstruktur organisiert ist. Programme wie Planterrain und CloudCompare können beide Formate lesen und verarbeiten.

Weitere wichtige Formate im Zusammenhang mit DGM sind PLY (Polygon File Format) sowie FBX (Filmbox). Beide Formate speichern die Geländegeometrie als Netzstruktur (Mesh), das heißt, neben den XYZ-Punkten werden auch die Polygone der Oberfläche gespeichert. FBX geht jedoch weiter als das eher wissenschaftlich genutzte PLY und kommt vor allem im professionellen 3D-Bereich zum Einsatz, etwa mit Software wie Blender, Maya oder 3ds Max.

Digitale Geländemodelle in 3D Software

Import und Bearbeitung in Blender

Um digitale Geländemodelle in einer 3D-Umgebung bzw. als Landschaft in der Blender 3D-Software zu nutzen, gibt es mehrere Möglichkeiten - mit und ohne zusätzlichen Plugins. In allen Fällen ist dies komplexer und benötigt mehr Rechenleistung als mit Planlauf/TERRAIN, aber dafür hat man die Daten auch als Meshes zur weiteren Bearbeitung in einer echten 3D-Modellierungssoftware.

Punktwolke in Mesh-Netzstruktur umwandeln
Bei mir hat folgender Weg funktioniert, indem zuerst in CloudCompare per Delaunay-Triangulation aus einer Punktwolke eine zusammenhängende Netzstruktur (Mesh) erstellt wird:
Import der XYZ-Daten in CloudCompare (Apply all) > Daten auswählen (am besten nur insgesamt rechteckige Ausschnitte nehmen) > Edit > Mesh > Delaunay 2.5D (xy Plane) > Max Edge Length: 0.000 > Die Konvertierung in Meshes sollte jetzt erkennbar sein > Objekt markieren > File > Save as FBX Mesh.(binary)
In Blender 4: File > Import > .fbx > Datei wählen Apply transform: Manual Orientation: X forward, Z up. > Import
Beachte, dass das auf diese Weise erzeugte 3D-Modell in Blender nicht mehr georeferenziert .

Displace Map
Eine weitere recht einfache Möglichkeit, ein 3D-Geländemodell aus LiDAR-Daten in Blender zu erstellen: Starte mit einer quadratischen Plane, die im Edit Mode 100-fach unterteilt wird, um genügend Geometrie für die Darstellung von Höhenunterschieden zu schaffen. Danach wechselst du in den Object Mode und fügst einen Displace Modifier hinzu. Im Texture Tab lädst du das LiDAR-Graustufenbild (kein geschummertes) hoch, bei dem die Helligkeitswerte die Höhen repräsentieren. Zur Anpassung der Reliefstärke justierst du den Strength-Parameter im Modifier, um eine realistische Höhenverschiebung zu erzeugen.
Für diese Art der Geländemodellerstellung ist keine Georeferenzierung notwendig, optimal wäre jedoch der exakt gleiche Ausschnitt mit weiteren (historischen) Karten oder Satellitenbildern zur Überlagerung. Dies ist selbstverständlich für QGIS-Kundige im referenzierten Umfeld schneller zu erstellen als mit Ebenen in einem Bildbearbeitungsprogramm wie Affinity Photo oder GIMP.

Mit dem Plugin BlenderGIS können georeferenzierte Daten wie LiDAR-GeoTIFFs importiert werden, wobei die räumliche Kalibrierung erhalten bleibt. Hochaufgelöste Details lassen sich auf einfache Geländemodelle wie 'OpenTopography SRTM 30m' mappen. Das spart Rechenleistung und ermöglicht Animationen, z. B. mit GPX-Tracks als Shapefile, sowie die Integration weiterer GIS-Daten.