Erstellen von Raster-DEMs und DSMs aus großen LIDAR-Punktsammlungen

Raster- oder gerasterte Höhenmodelle gehören zu den gängigsten GIS-Datentypen. Sie können auf verschiedene Arten für die Analyse verwendet und leicht freigegeben werden. LIDAR-Daten ermöglichen Ihnen, zwei unterschiedliche Arten von Höhenmodellen mit hoher Qualität zu erstellen: Erste Rückgabe und Boden. Eine zuerst zurückgegebene Oberfläche schließt Baumkronen und Gebäude ein und wird oft als digitales Oberflächenmodell (DSM) bezeichnet. Der Boden oder unbebaute Erdoberfläche enthält nur die Topografie und wird häufig als digitales Höhenmodell (DEM) bezeichnet.

Diese Grafiken zeigen geschummerte Repräsentationen einer zuerst zurückgegebenen Oberfläche (oder DSM) auf der linken Seite und das Modell einer unbebauten Erdoberfläche (oder DEM) auf der rechten Seite.

Bestimmen der Ausgabe

Vor dem Erstellen eines Rasters aus LIDAR-Daten müssen zunächst einige grundlegende Faktoren ausgewertet werden:

• Ausdehnung des LIDAR-Coverages
• Anzahl der LIDAR-Punkte und Punktdichte
• Gewünschte Auflösung des Ausgabe-Rasters
• Ausdehnung der/des Ausgabe-Raster(s)
• Format der/des Ausgabe-Raster(s)

Indem Sie sich zuerst diese Faktoren überlegen, können Sie besser bestimmen, ob Sie ein Raster oder eine Sammlung von Rastern erzeugen müssen. Im Rahmen dieses Prozesses müssen Sie ermitteln, wie viele Zeilen und Spalten in einem Raster enthalten sein sollen. Dies hängt davon ab, was Sie mit dem Raster hinsichtlich Analyse, Anzeige und potenzieller Freigabe oder Verteilung der Daten vorhaben. Mit nur einem Dataset für die Analyse zu arbeiten, kann in Konflikt mit praktischen Einschränkungen hinsichtlich der Datengröße stehen. Außerdem müssen Sie die Menge der vorhandenen LIDAR-Daten berücksichtigen. Obwohl es möglich ist, kann sich der Versuch, 10 Milliarden LIDAR-Punkte als ein Dataset zu verarbeiten, als sehr unhandlich herausstellen. In diesem Fall sollten Sie mehrere Raster aus dieser Masse von LIDAR-Daten erstellen. Ziehen Sie daher auch eine Aufteilung der LIDAR-Verarbeitung in Betracht. Dadurch behalten einzelne Datasets eine sinnvolle Größe, und die Verarbeitungsdauer für diese Datasets ist ebenfalls kürzer. Je länger es dauert, einen Prozess auszuführen, desto wahrscheinlicher ist es, das etwas schiefgeht (z. B. ein Stromausfall).

Wenn Sie festgestellt haben, dass Sie die Daten aufteilen müssen, stellt sich als nächstes die Frage, wie die Aufteilung erfolgt. Basiert die Aufteilung auf einem regulären Gittersystem, politischen Grenzen oder einer bestimmten Anwendung? Da LIDAR-Sammlungen tendenziell mehrere Verwendungszwecke erfüllen, ist eine Aufteilung auf Grundlage eines regulären Gittersystems oder politischer Unterteilungen wie Landkreisgrenzen am sinnvollsten. Ein Ingenieur kann die verschiedenen Teilstücke mosaikieren, die er oder sie für ein einzelnes Projekt benötigt. Wenn der vorgesehene Zweck stark auf einen bestimmten Anwendungstyp ausgerichtet ist, z. B. Hydrologie, verwenden Sie für die Anwendung logische Unterteilungen. Im Fall der Hydrologie sind beispielsweise die Grenzen von Wassereinzugsgebieten eine logische Wahl.

ArcGIS unterstützt viele Raster-Formate, sodass Sie sich aussuchen können, in welches Format Sie schreiben möchten. Die Entscheidung für ein bestimmtes Format hängt aber auch vom vorgesehenen Verwendungszweck des Produkts ab. Wird das Produkt für die Öffentlichkeit freigegeben, können Sie eine Verteilung im TIFF- oder JPEG-Format in Betracht ziehen. Für eine Analyse mit der ArcGIS-Plattform können Sie das dateibasierte Geodatabase-Format verwenden.

Nachdem Sie festgelegt haben, was Sie erzeugen möchten, müssen Sie die weitere Vorgehensweise bestimmen. Eine wichtige Entscheidung betrifft den Datentyp, über den die DEMs und DSMs erstellt werden.

Mosaik-, LAS- oder Terrain-Dataset

ArcGIS bietet drei Datentypen für die Verarbeitung punktbasierter LIDAR-Daten. Die folgenden allgemeinen Richtlinien helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Typs:

• Das Mosaik-Dataset stellt die einfachste Methode dar, um LAS-Daten als Raster zu verarbeiten. Wenn Sie nur eine Raster-Ansicht der LIDAR-Punkte benötigen und in den Rasterungsprozess keine Bruchkanten eingeschlossen werden müssen, ist ein Mosaik vermutlich die beste Lösung.
• Das LAS-Dataset kann Raster direkt aus LAS-Dateien erstellen und die Auswirkungen von Bruchkanten in den Prozess einbeziehen. Wenn Sie zusätzlich zu den LIDAR-Daten über Bruchkanten verfügen, aber die von der Geodatabase bereitgestellten leistungsfähigen Datenmanagementwerkzeuge nicht benötigen, empfiehlt sich die Verwendung eines LAS-Datasets.
• Das Terrain-Dataset ist eine geodatabase-basierte Lösung. Bei Terrain-Datasets laden Sie nur die benötigten Daten aus den LAS-Dateien in eine Geodatabase (z. B. X-, Y- und Z-Werte der unbebauten Erdoberfläche für Punkte). Die LAS-Dateien können dann offline archiviert werden. Optional können Sie Bruchkanten hinzufügen und ein Terrain-Dataset erstellen, aus dem DEMs/DSMs abgeleitet werden. Ein Terrain-Dataset empfiehlt sich, wenn Sie nicht direkt von LAS aus arbeiten, Bruchkanten vorhanden sind, mehrere Benutzer Bearbeitungs-/Versionierungsaufgaben ausführen (SDE erforderlich) oder eine auf der Z-Toleranz basierende Punktfilteroption benötigt wird. Außerdem können Terrain-Datasets verwendet werden, wenn die LIDAR-Punktdaten im ASCII-Format vorliegen. Mosaik- und LAS-Datasets unterstützen nur LAS.

Verwenden von Mosaik-Datasets

Das Mosaik-Dataset bietet eine einfache Methode, um DEMs und DSMs aus Punktdaten im LAS-Format abzuleiten. Verwenden Sie die Werkzeuge Mosaik-Dataset erstellen und Raster zu Mosaik-Dataset hinzufügen, um ein Mosaik zu definieren und LAS-Dateien (oder Ordner mit LAS-Dateien) hinzuzufügen, so als wären sie Raster. Legen Sie die Typ-Eigenschaften für die Funktion LAS in Raster des Mosaiks so fest, dass entweder die zuerst zurückgegebenen Punkte oder die als Bodenoberfläche klassifizierten Punkte im Fokus sind.

Nachdem das Mosaik definiert wurde, kann es als Layer in der Karte angezeigt, als Eingabe für Geoverarbeitungswerkzeuge zur rasterbasierten Oberflächenanalyse genutzt und in einem Image-Service verwendet werden.

Verwenden von LAS-Datasets

Ein LAS-Dataset verweist einfach auf eine Sammlung von LAS-Dateien und optional auf Feature-Classes, die Oberflächeneigenschaften wie Bruchkanten definieren. LAS-Datasets werden als Dateien mit der Erweiterung *.lasd gespeichert. Verwenden Sie zum Definieren des LAS-Datasets das Geoverarbeitungswerkzeug LAS-Dataset erstellen, um das LAS-Dataset zu definieren, und erstellen Sie anschließend einen Layer daraus, indem Sie es einer Karte hinzufügen. Definieren Sie Punktfiltereigenschaften über die Registerkarte Filter des Dialogfeldes Layer-Eigenschaften des LAS-Datasets. Filtereigenschaften sind wichtig, da sie steuern, welche Punkte aus den LAS-Dateien verarbeitet werden. Weder DEMs noch DSMs werden aus allen Punkten erstellt, weshalb ein Filter notwendig ist.

Verwenden Sie den Layer mit dem geeigneten Filtereigenschaftensatz als Eingabe für das Werkzeug LAS-Dataset in Raster. Die Rasterung dieses Werkzeug erfolgt weitgehend durch eine schnelle Klasseneinteilung der Punkte. Da LIDAR-Daten im Vergleich zu anderen Sampling-Methoden sehr dicht sind, sind viele Personen der Überzeugung, eine Klasseneinteilung wäre ausreichend und zeitaufwendigere Interpolationsmethoden wären überflüssig. Dies stimmt bedingt, insbesondere bei ersten Rückgaben, bei denen das Sampling relativ konsistent ist. Die Referenzpunktdichte der Bodenoberfläche variiert je nach Häufigkeit und Dichte oberirdischer Features (z. B. Vegetation, Gebäude). Dieses Werkzeug ermöglicht, Lücken (Zellen, für die keine Referenzpunkte vorhanden sind) zu füllen und Daten für diese zu interpolieren. Sind jedoch viele Lücken vorhanden, liefert das Terrain-Dataset bessere Ergebnisse.

Der Zellenzuweisungstyp AVERAGE eignet sich beim Erzeugen eines DEM für Bodenoberflächenpunkte am besten. Die Option MAXIMUM eignet sich optimal für eine Verzerrung des Ergebnisses auf größere Höhen, wenn ein DSM erstellt wird.

Verwenden von Terrain-Datasets

Der erste Schritt bei der Verwendung eines Terrains besteht darin, die LIDAR-Punkte in eine Geodatabase zu laden. Um die LIDAR-Punkte in eine Multipoint-Feature-Class zu laden, verwenden Sie je nach Quelldatenformat der LIDAR-Daten entweder das Geoverarbeitungswerkzeug LAS in Multipoint oder 3D-ASCII zu Feature-Class. Speichern Sie diese Multipoint-Feature-Class in einem Feature-Dataset, wenn Sie aus den LIDAR-Punkten ein Terrain-Dataset erstellen möchten. Obwohl Sie wahlweise LAS- oder ASCII-Formatdateien verwenden können, ist LAS das akzeptablere Binärdateiformat. LAS-Dateien enthalten mehr Informationen, und da sie binär sind, können sie vom Importprogramm effizienter gelesen werden. Weitere Informationen zum Laden von ursprünglichen LIDAR-Messdaten in die Geodatabase finden Sie unter Terrain-Dataset-Werkzeuge zum Importieren und Laden von Daten.

Wenn Sie sowohl unbebaute Erdoberfläche als auch zuerst zurückgegebene Oberflächen mit Terrain-Datasets erzeugen, laden Sie die LIDAR-Punkte in zwei verschiedene Multipoint-Feature-Classes, eine Feature-Class für die Bodenpunkte und eine Feature-Class für die über dem Boden liegenden Punkte. Das unbebaute Erdoberflächenterrain wird mit einem Verweis ausschließlich auf die Bodenpunkte definiert. Das zuerst zurückgegebene Terrain-Dataset verweist auf dieselbe Bodenpunkt-Feature-Class wie das unbebaute Erdoberflächenterrain; allerdings verweist es zusätzlich auf die Punkte oberhalb des Bodens. Daraus ergibt sich, dass zwei verschiedene Terrain-Datasets auf die gleiche Feature-Class verweisen können.

Für Terrain-Datasets können mit einem von zwei Punktausdünnungsfiltern, Z-Toleranz und Kachelung, Pyramiden definiert werden. Für die Erstellung eines DEM können Sie einen dieser beiden Pyramidentypen verwenden. Wenn Sie vom Punktsatz mit voller Auflösung rastern möchten, verwenden Sie den Kachelungsfilter für die Terrain-Konstruktion, da er deutlich schneller ist. Wenn Sie auch ausgedünnte Daten für die Analyse verwenden möchten, was sinnvoll ist, wenn die LIDAR-Daten für Ihre Bedürfnisse überreferenziert sind, dann verwenden Sie den Z-Tolerance-Filter. Dieser Filter benötigt zum Erstellen der Terrain-Pyramide zwar mehr Zeit als der Kachelungsfilter, es empfiehlt sich aber dennoch, diesen zu verwenden, da er eine Schätzung der vertikalen Genauigkeit der ausgedünnten Darstellung liefert. Verwenden Sie für die Erstellung eines DSM den Kachelungsfilter mit der Option MAX.

Verwenden Sie das Werkzeug Terrain in Raster, um das gerasterte Höhenmodell zu erzeugen. Es bietet Optionen für Interpolation, Ausgabezellengröße und die zu verwendende Pyramidenebene aus dem Terrain-Dataset.

Für die Interpolation eignet sich am besten die Option für natürliche Nachbarn. Zwar ist dieses Werkzeug nicht so schnell wie die lineare Interpolation, aber es generiert im Allgemeinen bessere Ergebnisse hinsichtlich Ästhetik und Genauigkeit. Legen Sie die Ausgabezellengröße relativ zur LIDAR-Referenzpunktdichte fest. Die Genauigkeit wird nicht besser, wenn Sie eine deutlich geringere Zellengröße als den durchschnittlichen Punktabstand verwenden. Legen Sie, sofern erforderlich, auch die durch die Umgebung festlegte Analyseausdehnung für die Extraktion von Teilmengen fest. Die Verwendung eines Fang-Rasters kann hinsichtlich der Ausrichtung von Raster-Ausgaben ebenfalls nützlich sein.

Nachfolgend sind die allgemeinen Schritte zum Generieren einer Raster-DEM-Oberfläche aus LIDAR-Punktdaten in ArcGIS erläutert.

Zunächst erstellen Sie in ArcCatalog oder im Fenster Katalog innerhalb der Anwendung ein Terrain-Dataset. Dann verwenden Sie Geoverarbeitungswerkzeuge, um dieses Terrain-Dataset in ein Raster-DEM zu konvertieren.

1. Erstellen Sie ein Terrain-Dataset.

Schritte:

1. Bestimmen Sie die Quelldaten und geben Sie an, wie diese Daten am Terrain-Dataset beteiligt sein sollen.

   Weitere Informationen zum Darstellen von Terrainquelldaten finden Sie unter Darstellen von Terrainquelldaten in Feature-Classes und Typen der Quelldaten, die in Terrain-Datasets unterstützt werden.

   Hinweis:

   Zum Berechnen eines Terrain-Datasets müssen alle Quelldaten über denselben Raumbezug verfügen.

2. Erstellen Sie in ArcCatalog oder über das Fenster Katalog eine File-Geodatabase. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner, in dem das Terrain berechnet werden soll, zeigen Sie auf Neu, und klicken Sie dann im Kontextmenü auf File-Geodatabase.
3. Erstellten Sie ein Feature-Dataset. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die File-Geodatabase, zeigen Sie auf Neu, und klicken Sie dann im Kontextmenü auf Feature-Dataset.

   Weitere Informationen zum richtigen Generieren eines Feature-Datasets finden Sie unter Erstellen eines Feature-Datasets.

4. Importieren Sie die ursprünglichen Messdaten in Feature-Classes. Diese Feature-Classes müssen im in Schritt 3 erstellten Feature-Dataset erzeugt werden. Weitere Informationen zum Importieren von Quelldaten für ein Terrain finden Sie unter Importieren von ursprünglichen Terrain-Dataset-Messdaten.
5. Erstellen Sie in ArcCatalog oder im Fenster Catalog mithilfe des Assistenten Neues Terrain ein Terrain-Dataset.

   Zum Zugreifen auf den Assistenten Neues Terrain klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Feature-Dataset, um das Menü anzuzeigen, zeigen Sie auf Neu, und klicken Sie dann auf Terrain.

   Weitere Informationen zur Verwendung des Assistenten Neues Terrain finden Sie unter Berechnen eines Terrain-Datasets mit dem Assistenten "Terrain".

2. Verwenden Sie das Geoverarbeitungswerkzeug "Terrain in Raster".

Schritte:

1. Erweitern Sie in 3D Analyst Tools das Toolset Konvertierung und dann das Toolset Von Terrain. Doppelklicken Sie auf das Geoverarbeitungswerkzeug Terrain in Raster, um es zu öffnen.
2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Eingabe-Terrain, um das Terrain-Dataset hinzuzufügen.
3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Durchsuchen für Ausgabe-Raster, um den Speicherort anzugeben, an dem das Raster-Dataset erstellt werden soll.
4. Legen Sie den optionalen Parameter Ausgabedatentyp entweder auf eine 32-Bit-Gleitkommazahl oder eine 32-Bit-Ganzzahl fest. Der Standardwert ist die Gleitkommazahl.
5. Legen Sie für die Interpolationsmethode entweder auf LINEAR oder auf NATURAL_NEIGHBORS fest.

   Dabei handelt es sich um TIN-basierte Interpolationsmethoden, die anhand der triangulierten Terrain-Oberfläche angewendet werden. Bei der Option "Linear" umgibt das Dreieck jede Zellenmitte und wendet einen gewichteten Durchschnitt der Knoten des Dreiecks für die Interpolation eines Wertes an. Die Option NATURAL_NEIGHBORS verwendet die Voronoi-Nachbarn von Zellenmittelpunkten.

   Erwägen Sie bei der Interpolation einer Terrain-Oberfläche die Verwendung der Methode "Natürliche Nachbarn". Bei der Interpolation "Natürliche Nachbarn" kommt es zu einer längeren Verarbeitungszeit. Die generierte Oberfläche ist dann jedoch viel glatter als das Ergebnis einer linearen Interpolation. Darüber hinaus wird diese Methode weniger durch kleinere Änderungen in der Triangulation beeinflusst.

6. Legen Sie Abtastschrittweite entweder auf OBSERVATIONS oder auf CELLSIZE fest, um die horizontale Auflösung des Rasters zu steuern. Geben Sie nach der Auswahl der gewünschten Methode neben der Option den Wert an.

   Die Methode OBSERVATIONS berechnet die Zellengröße basierend auf dem festgelegten Wert, den diese Zahl angibt, und der Anzahl von Zellen, die die längste Kante der Raster-Oberfläche aufweisen soll. Sie können die Zellengröße explizit über die Option CELLSIZE angeben.

7. Legen Sie die zu verwendende Auflösung fest. Der Auflösungsparameter gibt an, welche Pyramidenebene des Terrain-Datasets Sie für die Konvertierung verwenden sollen. Um ein Raster-Dataset bei voller Auflösung auszugeben, setzen Sie diesen Parameter auf "0". Pyramidenebenen werden über die Z-Toleranz oder Kachelung definiert, die die ungefähre Auflösung des Terrain-Datasets relativ zur vollen Auflösung der Daten darstellt.
8. Erwägen Sie, Umgebungseinstellungen zu verwenden, um die Ausdehnungen des zu generierenden DEM explizit zu steuern. Klicken Sie unten im Dialogfeld des Geoverarbeitungswerkzeugs auf die Schaltfläche Umgebungen, um eine Teilmenge des Terrains zu extrahieren. Klicken Sie auf die Registerkarte Allgemeine Einstellungen und definieren Sie die Ausdehnung des Ausgabe-DEM.

Mit Hilfe von Mosaik-Datasets, LAS-Datasets oder Terrain-Datasets können Sie Millionen, wenn nicht sogar Milliarden LIDAR-Punkte in hochauflösenden gerasterten DEMs und DSMs verarbeiten. Diese Oberflächenmodelle können dann mit den in ArcGIS verfügbaren Raster-Werkzeugen für die Analyse verwendet werden. Sie können ebenso zur Herstellung von Karten (siehe Grafik unten) verwendet und aufgrund ihrer einfachen Datenstruktur leicht freigegeben werden.