Potential and Limitations of Consumer-grade UAV-LiDAR for 3D Topographic Mapping
Möglichkeiten und Grenzen von kostengünstigem UAV-LiDAR für 3D-Topographiekartierung
Gottfried Mandlburger, Michael Kölle, Florian Pöppl, Michael Cramer
Due to advancements in the automotive industry, there has been a significant increase in the availability of compact LiDAR (Light Detection and Ranging) sensors designed for consumer use in recent years. Some of these sensors are suitable for surveying tasks based on Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs). This paper initially explores the differences between consumer-grade and survey-grade LiDAR systems. It focuses on two key components: the scanning mechanisms and the laser ranging units. Drawing upon the technical specifications of two specific systems, the consumer-grade DJI Zenmuse L1 sensor and the survey-grade scanner RIEGL VUX-1UAV, the paper first discusses the anticipated effects of sensor parameters on the resulting 3D point cloud. Subsequently, these theoretical findings are validated using a sample dataset collected in Hessigheim, Baden-Württemberg, Germany. The analysis serves to highlight the capabilities and limitations of consumer-grade LiDAR. Applying rigorous strip adjustment and subsequent quality assessment of the resulting 3D point clouds, we found out that the consumer-grade system mainly suffers from insufficient scan angle calibration, which could be effectively mitigated by using only points with a scan angle < 25°. In terms of georeferencing, we can state that high-end scanners have lower measurement noise (in the range of 5 – 10 mm) and higher accuracy in localizing 3D points compared to low-cost sensors. Additionally, the enhanced laser beam quality of high-end devices, including aspects such as beam divergence and beam shape, enables more detailed object detection at the same point density. For geodetic and cartographic applications, however, the much less expensive consumer LiDAR systems can be used if moderate accuracy requirements of 5 – 10 cm are sufficient.
Aufgrund der Fortschritte in der Automobilindustrie sind in den letzten Jahren immer mehr kompakte und kostengünstige Light-Detection-and-Ranging-(LiDAR-)Scanner verfügbar. Einige dieser Sensoren eignen sich für Vermessungsaufgaben mit ferngesteuerten Luftfahrzeugen (UAVs). In diesem Beitrag werden zunächst die Unterschiede zwischen kostengünstigen Mehrzweck-LiDAR-Systemen und High-End-Geräten für dezidierte Vermessungszwecke untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei zwei wesentliche Komponenten: die Scanning-Mechanismen und die Entfernungsmesseinheiten. Anhand der technischen Spezifikationen zweier konkreter Systeme, des für einen breiten Markt konzipierten DJI-Zenmuse-L1-Sensors und des RIEGL-VUX-1UAV-Scanners für präzise Vermessungszwecke, werden zunächst die zu erwartenden Auswirkungen der Sensorparameter auf die resultierende 3D-Punktwolke erörtert. Anschließend werden diese theoretischen Erkenntnisse anhand eines Beispieldatensatzes, aufgenommen in Hessigheim, Baden-Württemberg, validiert. Die Datenanalyse zeigt die Möglichkeiten und Grenzen von Consumer-LiDAR auf. Durch rigorose Streifenanpassung und anschließende Qualitätsbewertung der resultierenden 3D-Punktwolken konnte herausgefunden werden, dass der Schwachpunkt beim kostengünstigen Mehrzwecksystem vor allem eine unzureichende Kalibrierung der Strahlablenkungseinheit ist, was durch die Beschränkung auf Punkte mit einem Scanwinkel < 25° wirksam gemildert werden kann. In Bezug auf die Georeferenzierung können wir feststellen, dass High-End-Scanner im Vergleich zu kostengünstigen Sensoren ein geringeres Messrauschen (im Bereich von 5 – 10 mm) und eine höhere 3D-Lokalisierungsgenauigkeit aufweisen. Darüber hinaus ermöglicht die bessere Laserstrahlqualität von High-End-Geräten, einschließlich Aspekten wie Strahldivergenz und Strahlform, eine detailliertere Objekterfassung bei gleicher Punktdichte. Nichtsdestotrotz können Mehrzweck-LiDAR-Systeme, die wesentlich preiswerter sind, auch für geodätische und kartographische Anwendungen eingesetzt werden, sofern moderate Genauigkeitsanforderungen von 5 – 10 cm ausreichen.
Keywords: Uncrewed Aerial Vehicles, drones, laser scanning, low-cost sensors, strip adjustment, quality assessment, resolution assessment
Schlüsselwörter: Ferngesteuerte Luftfahrzeuge, Uncrewed Aerial Vehicles, Drohnen, Laserscanning, Low-Cost-Sensoren, Streifenanpassung, Qualitätsbewertung, Auflösungsbewertung
DOI: 10.14627/avn.2024.2.2
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