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Dr. Klemens Schadauer

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Bundesforschungszentrum für Wald
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Artikel

Autor(en): Klemens Schadauer, Christoph Bauerhansl
Redaktion: BFW, Österreich
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Der Wald aus luftigen Höhen

die Österreichische Waldinventur macht ihn dingfest

Das Bundesforschungszentrum für Wald (BFW) hat immer wieder über Entwicklungen der Fernerkundung für die Österreichische Waldinventur (ÖWI) berichtet. Das alte  Dilemma: Will man richtig hochauflösende Daten nutzen, so sind die Wiederholungszeiträume leider groß. Braucht man Daten in kurzen Zeitabständen,  dann ist oft die räumliche Auflösung zu gering. Daher wird es immer wichtiger, die  verschiedenen Datenquellen bestmöglich zu kombinieren.

Die Möglichkeiten zur fachgerechten und hochautomatisierten Interpretation von Luftbild und Co. wachsen laufend. Diese liefern für den Wald im Allgemeinen, für den Schutzwald oder die Kampfzone des Waldes im Speziellen sowie für andere Landnutzungen umfassende Datengrundlagen. Der Detaillierungsgrad der Information ist jetzt schon so hoch, dass wir für die ÖWI auch über kleinste Strukturen präzise Aussagen herausarbeiten können.

Im Zentrum steht das Luftbild

Für den forstlichen Nutzer von Luftbildinformationen ist das Orthophoto üblicherweise das einzige wertvolle Produkt. Es ist im Gegensatz zum ursprünglichen Luftbild "entzerrt", hat damit einen einheitlichen Bildmaßstab und kann wie eine Karte gelesen werden. Daher verwenden wir auch manchmal den Begriff "Luftbildkarte". Bei der Herstellung der Orthophotos muss die ursprüngliche 3D-Information auf 2D reduziert – plattgedrückt – werden. Damit geht die Tiefeninformation verloren, die ursprünglich in den Luftbildern enthalten war.

Wie erhält man 3D-Information aus den Luftbildern? Der Mensch kann nur mit zwei Augen räumlich sehen und das gilt auch für das Luftbild: 3D benötigt immer zwei Bilder aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel. Deshalb werden die digitalen Luftbilder heutzutage in Österreich mit einer Überlappung von bis zu 90 % erstellt. Mit speziellen Auswertegeräten können wir zwei Luftbilder zugleich ansehen – das linke Luftbild mit dem linken Auge, das rechte Bild mit dem rechten Auge und schon sehen wir 3D. Das funktioniert bei den 3D-Filmen im Kino übrigens genauso. Die "manuelle" 3D-Luftbildauswertung gab es sogar schon vor dem Beginn der ÖWI in den 60er Jahren.

Matching-3D-Punktwolke
Eine Matching-3D-Punktwolke im Infrarotkanal

Bildmatching – eine Art Memory-Spiel

Im letzten Jahrzehnt wurde nun eine operationale, großflächig einsetzbare Methode entwickelt, um diesen Vorgang dem Computer anzuvertrauen. Dieses Verfahren wird Bildmatching genannt. Das Kunststück, das der Computer dabei vollbringen muss, ist, in zwei überlagernden Bildern idente Pixel zu finden. Das bedeutet, dass zu jedem Pixel im linken Bild das ihm entsprechende Pixel im rechten Bild gefunden werden muss. Die Algorithmen dafür sind sehr kompliziert und bei einer Auflösung von 20 cm ist das eine langwierige Aufgabe. Programme, die das bewältigen, sind entsprechend teuer und benötigen trotz der am BFW vorhandenen großen Rechen-kapazität viel Zeit, um die Ergebnisse zu produzieren. Für ganz Österreich sind das zirka zwei Jahre Rechenzeit.

Das Ergebnis ist jedoch beindruckend: Für jedes 20 x 20 cm Pixel in Österreich gibt es dann X-, Y- und Z-Koordinaten, die den Punkt im Raum genau festlegen. Welche Information liefert diese Punktwolke aus Luftbildern genau? Naturgemäß liegen Teile der Luftbilder im Schatten. Dort arbeitet das Bildmatching weniger genau oder versucht, sich anhand der besser beleuchteten Bildteile zu orientieren.

Die Punktwolke reicht auch nicht unter die Bäume. Daher kann zumindest bei dichter Bedeckung durch Vegetation kein digitales Geländemodell (DGM) abgeleitet werden und die 3DPunktwolke aus dem Matching bildet immer nur die Oberfläche der Vegetation ab. Diese Daten erzeugen also das digitale Oberflächenmodell (DOM).

Das Licht aus dem Dunkel holen

In den Daten der Punktwolke ist nicht nur die genaue Lage im Raum, sondern auch die Farbinformation gespeichert. Wie beim Orthophoto stehen die vier Kanäle (Rot, Grün, Blau und Infrarot) zur Verfügung, hier aber in 3D. Diese sehr wertvolle Kombination aus Lage im Raum und Farbinformation ist für gematchte Luftbilder einmalig und bislang in der Wissenschaft noch gar nicht umfassend genutzt. Das BFW  strebt daher in laufenden und geplanten Projekten an, die gesamte Informationsfülle zu nutzen.

Höhere Einzelbäume entlang von Bächen sind sehr detailliert erfasst
Höhere Einzelbäume entlang von Bächen sind sehr detailliert erfasst. Das gilt für alle Objekte, soweit sie von der Sonne ausreichend beleuchtet sind.

Eine wichtige Frage dabei wird der Schatten spielen, denn dieser ist der Schwachpunkt bei der Luftbild-Verarbeitung. Es gibt verschiedene Intensitäten von Schatten, die es zu trennen gilt. Nur im hundertprozentig schwarzen Schatten können wir die gewünschte Information gar nicht herausholen. In der 3D-Punktwolke kann er mit all seinen feinen Nuancen analysiert werden, um zusätzlich eine bessere Beurteilung der beleuchteten Bildteile zu ermöglichen.

Die richtige Mischung

Luftbilder haben für sich alleine schon eine enorme Informationskraft. Trotzdem ist es wichtig, sie gemeinsam mit anderen Fernerkundungsmethoden anzuwenden, um eine fachgerechte Information in guter Qualität zu erhalten. Das digitale Oberflächenmodell aus den Luftbildern mit dem ebenfalls sehr genauen digitalen Geländemodell zusammenzubringen, ist dabei der wichtigste Schritt. Dafür bietet eine alternative Fernerkundungstechnik, das Airborne Laser Scanning (ALS), eine hervorragende Grundlage.

Anders als bei den Luftbildern ist es nicht auf Reflexionen des Sonnenlichtes angewiesen. Der Laserstrahl durchdringt zu einem gewissen Anteil die Vegetation bis auf den Waldboden und wird von dort auch reflektiert. Spezielle Filtertechniken erlauben die Trennung von Bodenpunkten von allen anderen, womit ein  Geländemodell auch im Bestandesschluss berechnet werden kann. Wenn wir das digitale Geländemodell aus dem ALS vom digitalen Oberflächenmodell aus den Luftbildern abziehen (Oberfläche minus Gelände), erhalten wir die Vegetationshöhen.

Leider ist das ALS deutlich teurer als die Luftbildbefliegung und kann daher nicht so oft flächendeckend für ganz Österreich durchgeführt werden. Luftbilder werden derzeit alle drei Jahre geflogen, für ALS gibt es noch keinen festen Wiederholungszyklus. Österreich ist aber ein Mal vollständig erfasst und viele Regionen werden gerade ein zweites Mal beflogen. Da sich aber die Vegetation durch Wachstum, Nutzungen und Kalamitäten viel rascher verändert als das darunter liegende Gelände, sind diese verschiedenen Wiederholungzyklen für die Aussagekraft des gemeinsamen Produktes nicht sehr störend.

Satelliten runden das Bild ab

Seit dem Jahr 2017 stellt der Sentinel 2-Satellit operational Bilder von der  Erdoberfläche zur Verfügung. Er ist wie die Luftbildkameras mit optischen Sensoren ausgestattet und liefert mit großer zeitlicher Dichte (theoretisch alle fünf Tage) Bilder von ganz Österreich. Voraussetzung dafür ist aber, dass keine Wolken die Erdoberfläche verdecken. Die Pixelgröße ist mit 10 Meter 2.500 mal so groß wie die der Luftbilder. Trotzdem lässt sich auch diese Information mit den Informationen aus dem digitalen Oberflächenmodell und Geländemodell gewinnbringend verbinden.

Derzeit arbeitet das BFW an einem Verfahren, um Waldschäden, wie sie heuer  beispielsweise vom Borkenkäfer verursacht werden, möglichst rasch zu erkennen. Die Arbeiten haben gerade begonnen und erste Ergebnisse sind bis Jahresende zu erwarten.

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