Wie funktioniert Laserscanning unter Wasser? Einblicke in bathymetrisches LiDAR

Einblicke in die Welt des bathymetrischen LiDAR

Wie kann ein Laserstrahl Wasser durchdringen? Was passiert, wenn ein Laserpuls auf die Wasseroberfläche trifft? Und welche Vorteile – aber auch Herausforderungen – bringt diese Technologie mit sich? In diesem Artikel tauchen wir tief in die Funktionsweise des bathymetrischen LiDAR ein – eine faszinierende Methode zur Vermessung unter Wasser. #Bathymetrisches LiDAR

Unterwasservermessung: Eine uralte Disziplin mit moderner Technik

Die Messung von Wassertiefen – auch Bathymetrie genannt – ist keine neue Erfindung. Schon vor Tausenden von Jahren mussten Menschen Tiefen von Flüssen, Seen und Meeren bestimmen, um Schiffe sicher navigieren zu können. Heute setzen wir dafür hochmoderne Technologien ein – insbesondere Sonar (Schall) oder LiDAR (Laser).

In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf bathymetrisches LiDAR – eine spezialisierte Form des Laserscannings, die mithilfe von wasserdurchdringenden Laserimpulsen präzise Daten über die Unterwassertopografie liefert. Dabei kommt ein luftgestütztes LiDAR-System zum Einsatz, das auf Flugzeugen, Helikoptern oder Drohnen montiert ist. Diese Technik wurde ursprünglich in den 1970er-Jahren im Kalten Krieg zur U-Boot-Erkennung entwickelt und hat sich seither enorm weiterentwickelt.

So funktioniert bathymetrisches LiDAR

Bathymetrisches LiDAR nutzt grüne Laserpulse (Wellenlänge 532 nm), da diese besonders gut ins Wasser eindringen. Vom fliegenden Trägersystem aus sendet ein Laserscanner Lichtimpulse zur Wasseroberfläche. Die Strahlen durchdringen das Wasser, werden am Gewässergrund reflektiert und vom Sensor wieder aufgenommen. Aus der Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen der Pulse errechnet das System die Distanz zur Wasseroberfläche und zum Gewässerboden – und damit die Wassertiefe.

Der Weg eines Laserpulses – Abschuss, Eintritt, Rückkehr

Ein leistungsstarker, extrem kurzer Laserpuls wird mit hoher Frequenz (bis zu 500.000 Pulse pro Sekunde) ausgesendet. Beim Eintritt ins Wasser ändert sich aufgrund der Brechung der Winkel des Lichtstrahls. Gleichzeitig wird das Licht teilweise gestreut oder absorbiert – insbesondere, wenn das Wasser trüb ist.

Ist das Wasser jedoch klar genug, der Laser stark genug und der Boden nicht zu tief, erreicht ein Teil des Lichts den Grund und wird reflektiert. Die Reflexion hängt stark vom Bodentyp ab – heller Sand reflektiert deutlich mehr als dunkler, schlammiger Untergrund.

Der LiDAR-Sensor sammelt die zurückkehrenden Photonen, wandelt sie in digitale Signale um und erzeugt eine sogenannte Waveform – ein detailliertes Kurvenprofil des Laserpulses. Daraus lassen sich sowohl die Position der Wasseroberfläche als auch die Tiefe zum Boden präzise berechnen.

Anwendungsgebiete des bathymetrischen LiDAR

Was früher der U-Boot-Aufklärung diente, hat heute viele zivile Einsatzbereiche. Dank kleinerer und leistungsfähigerer Sensoren sowie leichter Trägersysteme wie Drohnen können heute große Wasserflächen schnell, sicher und hochpräzise vermessen werden. Drei typische Einsatzfelder sind:

• Küstenmanagement und Lebensraumkartierung
  Hochauflösende Unterwasserdaten helfen bei der Planung von Küstenschutzmaßnahmen, nachhaltigen Bauprojekten und dem Schutz sensibler Ökosysteme.
  
• Hydrographische Vermessung
  Zur schnellen und kosteneffizienten Erfassung physikalischer Merkmale von Gewässern, wie Tiefe, Strömung und Bodenstruktur.
  
• Unterwasserarchäologie
  Zum Aufspüren und Dokumentieren versunkener Stätten, etwa von Schiffswracks oder überfluteten Siedlungen.
  

Weitere Anwendungen umfassen Hochwasserrisikoanalysen, Bauplanung in flachen oder schwer zugänglichen Gewässern und Ersatz für Vermessungsschiffe in abgelegenen Gebieten.

Vorteile und Herausforderungen bei der Nutzung von LiDAR unter Wasser

Bathymetrisches LiDAR ist eine zuverlässige, sichere und hochpräzise Methode zur Erfassung von Unterwassertopografie. Im Vergleich zu traditionellen Messverfahren wie Echolotung oder manueller Tiefenmessung bietet es viele Vorteile:

• Höhere Genauigkeit und Detailtiefe
  Auch feinste Strukturen unter Wasser lassen sich kartieren – inklusive des Übergangsbereichs zwischen Land und Wasser.
  
• Tieferes Eindringen mit grünem Licht
  Grün dringt weiter in Wasser ein als andere Farben und ist weniger anfällig für Streuung durch Sedimente oder Algen.
  
• Sicherer und nachhaltiger
  Keine Boote, keine Personen im Wasser – geringere Risiken, weniger Emissionen und effizientere Einsätze.
  

Natürlich gibt es auch Herausforderungen: Messungen sind stark abhängig von lokalen Bedingungen wie Wassertrübung, Sedimentdichte, Bodenreflexion und Laserleistung. Eine pauschale Lösung für alle Projekte gibt es daher nicht.

Ein Beispiel aus der Praxis: Der YellowScan Navigator

Ein herausragendes Beispiel für moderne bathymetrische Technologie ist der YellowScan Navigator – ein kompaktes, UAV-gestütztes LiDAR-System zur Messung in flachen Gewässern. Es eignet sich für Küstenlinien, Flüsse, Seen, Baggerseen und vieles mehr und erreicht Tiefen von bis zu zwei Secchi-Tiefen. Was eine Secchi-Tiefe ist erfährst du HIER.

Dank seiner Full-Waveform-Technologie erfasst er mehr Daten als herkömmliche LiDAR-Systeme mit diskreten Rückgaben. So entsteht eine lückenlose 3D-Karte von Gewässer und Ufer – ideal für Anwendungen wie Küstenerosion, Lebensraumüberwachung oder Hochwasserschutz.

In Kombination mit der YellowScan CloudStation erfolgt die Auswertung automatisiert und effizient: Wasseroberflächen werden erkannt, Punkte klassifiziert, Tiefen korrigiert – und die Ergebnisse nahtlos dargestellt.

Fazit:
Bathymetrisches LiDAR ermöglicht es, Unterwasserwelten effizient, sicher und hochgenau zu vermessen – ohne in ein Boot steigen zu müssen. Mit Systemen wie dem YellowScan Navigator steht eine Technologie zur Verfügung, die unsere Sicht auf Flüsse, Seen und Meere revolutioniert.

Inspiriert durch den Beitrag unseres Partners YellowScan.