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Artikel

Autor(en): Markus Weidenbach, Karina Hoffmann, Sven Martens
Redaktion: SBS, Deutschland
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Laserscanning in Fichtenbeständen

Was leisten automatisierte Verfahren zur einzelbaumbasierten Auswertung von Airborne Laserdaten? Können die aus den Punktwolken gewonnenen Parameter die klassisch vom Boden aus aufgenommenen Werte ersetzen?

Antworten auf diese Fragen lieferte die automatisierte Erkennung von Einzelbäumen, sowie die Ableitung entsprechender Baumdaten aus Laserdaten auf ertragskundlichen Versuchsflächen im Erzgebirge. Die Analysen führte die Bürogemeinschaft landConsult.de und ProGea Consulting mit der am Staatsbetrieb Sachsenforst verfügbaren bzw. frei lizenzierbaren Software durch.

Laserpunktwolke
Abb. 1 - Die Punktwolken geben die Bestandesstruktur bereits gut wieder.

Ertragskundliche Messungen…

on Waldbeständen zielen traditionell auf den Volumen- und Wertertrag – und somit auf die marktfähige Stammachse. Mit der konkurrenzbasierten Modellierung des Einzelbaumwachstums rückt auch die Beschreibung der Konkurrenzsituationen im Kronenraum in den Blickwinkel. Detaillierte Versuchsaufnahmen beinhalten deshalb neben Brusthöhendurchmesser und Baumhöhen auch Baumpositionen, mehrere Kronenradien und die Höhe des Kronenansatzes. Gegenüber der klassischen Vollkluppung erfordern Lage und Kronendimension einen erheblich höheren Messaufwand.

Mit dem Laserscanning entstanden neue Möglichkeiten zur Abbildung und Vermessung des Kronenraumes. Sie zu nutzen, erscheint vor allem bei größeren Versuchs- und Monitoringflächen und einer Vielzahl zu erfassender Strukturmerkmale sinnvoll. Als Beispiele seien Naturwaldzellen und FFH-Lebensraumtypen genannt.

Graustufenbild
Abb. 2 - Das aus den Laserdaten berechnete Kronenmodell als Graustufenbild. Darüber liegen die automatisch detektierten Kronensegmente (weiße Polygone) mit der Lage der Baumspitzen (grüne Punkte) und mit den Nummern der im Bestand markierten Bäume.
 
AtLaS
Abb. 3 - AtLaS analysiert die Laserpunktdatei jeden einzelnen Baumes.
 

Airborne Laserdaten …

… wurden landesweit erhoben, um das Geländemodell zu verbessern. Für spezielle Auswertungen der Vegetationsstruktur erscheint die geringe Punktdichte jedoch hinderlich. Aus diesem Grund erfolgte im Juli 2009 für waldbauliche Versuche im mittleren Erzgebirge eine eigenständige, zweimalige Befliegung. Diese lieferte neben den üblichen  Infrarotluftbilder auch Fullwave Laserdaten unterschiedlicher Punktdichte. Aus Flughöhen von 300 Metern wurden ca. 10 Punkte pro qm und bei 500 m ca. 5 Punkten pro qm aufgezeichnet. (Nähere technische Details siehe Originalartikel)

Das Fluggebiet deckte sieben, fast nur mit Fichten bestockte Versuchsflächen ab. Es handelt es sich dabei sowohl um einschichtige Bestände im Alter von 22 bzw. 55/56 sowie 118 Jahren mit lockeren bis gedrängtem Kronenschluss, als auch um lichte bis geschlossene, zweischichtige Altbestände (110 bis 118 Jahre). Auf diesen Flächen standen ertragskundlichen Aufnahmen aus den Jahren zwischen 2008 und 2011 zum Vergleich zur Verfügung.

Das Verfahren …

… zur automatischen Erkennung und Abgrenzung von Einzelbäumen und der anschließenden Berechnung der Kronenparameter setzt sich aus drei Schritten zusammen:

  1. Nach Filterung und Klassifizierung der Laserdaten wird ein Geländemodell (DGM) und ein Kronenmodell (nDOM) erzeugt, das in Form eines Rasterbildes die Baumkronen des Kronendaches darstellt.
  2. Das Kronenmodell ist die Grundlage der Segmentierung von Einzelbaumkronen mit der Software eCognition. Das Ergebnis sind Kronenumrisse (Polygone), die als Vektordaten (Shape-File) exportiert werden (Abb. 2).
  3. Die geglätteten Kronenumrisse dienen dazu, die zu einem Baum zählenden Laserpunkte aus der ursprünglichen Laserpunktwolke auszuschneiden. So entsteht für jeden Baum eine eigene Laserpunktdatei, die anschließend mit dem für diesen Zweck programmierten Werkzeug „AtLaS“ analysiert wird.

AtLaS berechnet aus jeder baumindividuellen Punktwolke eine Vielzahl überindividueller Parameter: so zum Beipiel die Position des höchsten Laserpunktes, die Baumhöhe, die Kronenansatzhöhe, die Höhe der maximalen Kronenbreite, Kronenradien und die maximale Kronenbreite, aber auch Kronenschirm- und Kronenmantelfäche.

Besondere Bestandesverhältnisse, wie etwa "Bestände ohne Unterstand und mit Kronen ohne Trockenäste“ oder "Bestände mit dichtem Unterstand und Kronen mit zahlreichen Trockenästen“ haben Einfluss auf das Ergebnis. In AtLaS, werden sie wie in Abb. 4 dargestellt, durch entsprechende Voreinstellungen berücksichtigt.

Die Kronenumrisse …

Besondere Bestandesverhältnisse
Abb. 4 - Programmeinstellungen in AtLaS von 1 bis>4 zur Berücksichtigung besonderer Bestandesverhältnisse.

Kronengeometrie
 Abb. 5 - Vergleich der Kronengeometrien mit den bekannten Stammpositionen (schwarze Punkte). Die Kronen sind entsprechend der Anzahl zuordenbarer Stämme eingefärbt: grün = Kronen mit eindeutiger Stammzuordnung, gelb = Kronen ohne Stamm, orange = Kronen mit zwei Stämmen, rot = Kronen mit 3-6 Stämmen.

… mit den Baumparametern aus der Laserpunktwolke konnten nun mit den Stammpositionen der Feldaufnahmen in Deckung gebracht werden. Die dabei festgestellten Lagedifferenzen sind ein erstes, für weitere Vergleiche hinderliches, Ergebnis. Sie resultieren vornehmlich aus der unsicheren Georeferenzierung der terrestrisch bestimmten Stammpositionen mittels Ortholuftbild. Der Stammverteilungsplan wurde visuell am Bildschirm an die Kronenposition der Laserdaten angepasst. Die verbliebenen Lagefehler beruhen nunmehr auf den realen Abweichungen zwischen Stamm- und Kronenposition.

Die Computerroutinen …

… erkannten zwischen 57 und 103 % der im Versuch bisher erfassten Bäume. Im Altbestand mit lichtem Kronenschluss werden nahezu alle Bäume fehlerfrei erkannt (93% bzw. 103%). In den älteren geschlossenen Beständen liegt die Erkennungsrate zwischen 85 und 88 %. Vor allem zwischenständige Bäume werden nur selten automatisch erkannt. Diese waren bereits Im Rasterbild des Kronenmodells nicht oder nur unzureichend abgebildet.

Ähnlich wie bei anderen Untersuchungen lassen sich in stammzahlreichen, jüngeren Beständen mit eng beieinander liegenden, kleineren Kronen Bäume mit der beschriebenen Routine kaum noch automatisch abgrenzen und positionieren.

Kontrollmessungen …

Laserpunkte
Abb. 6 - Laserpunkte im Vergleich mit dem Original......

… durch eine zweite Person ermöglichen die Abschätzung des Fehlers der herkömmlichen Messmethoden. Auf den sieben Versuchen wichen die Baumhöhen (331 Bäume) zwischen Messung und anschließender Kontrollmessung im Mittel um 5% voneinander ab. Zwischen Laser- und Feldmessung lag der relative Fehler bei 10 % (541 Bäume). Allerdings trugen bei den jüngeren Bäumen auch die unterschiedlichen Zeitpunkte (2009 und 2011) und der dazwischen geleistete Höhenzuwachs zum Fehler bei. Auch die geringen Abweichungen der Bestandesmittelwerte und die absoluten baumindividuellen Differenzen lassen auf eine vergleichbare Qualität der Höhenmessung schließen.

Beim Kronenansatz …

… steigt der relative Fehler auf 25 %. Aber dies betrifft sowohl die subjektiv beeinflussten Feldmessungen (295 Bäume), als auch die Laserdaten (427 Bäume)! Die personenbezogenen Abweichungen resultieren vermutlich aus der individuellen Festlegung des Kronenansatzes (Astbasis am Stamm oder Ende herabhängender Äste) und der Mittelung unterschiedlich hoher Astansätze gegenüberliegender Stammseiten. Die Fernerkundung schließt derartige Beobachtereffekte aus. Dafür entstehen Unsicherheiten bei der Trennung der Laserpunktwolke in Einzelkronen. So müssten unter Umständen einzelne, den Kronenansatz determinierende Punkte benachbarten Kronen zugeordnet werden.

Die baumbezogenen Abweichungen der Kronenbreiten zwischen Laser- und Feldmessung sind mit etwa 50 % (820 Radien) unverhältnismäßig hoch. Demgegenüber liegt der Fehler der Feldmessungen bei nur 27 % (116 Radien). Das einheitliche Vorgehen beim Messen begrenzt die Streuung der Abweichungen, kann relativ hohe Unsicherheiten zwischen verschiedenen Aufnahmen jedoch nicht verhindern. So ist die mittlere Differenz zwischen Messung und Kontrollmessung im Feld (0,4m) doppelt so groß wie der Vergleich mit dem Laser (0,2m).

Im Fazit …

… lassen sich mit dem derzeitigen computergestüzten Verfahren der Auswertung von ALS-Daten in älteren Fichtenbeständen nahezu alle Bäume erfassen. Schwierig wird es allerdings beim Erkennen zwischenständiger Bäume, deren Kronen nicht freistehen und in Beständen mit Kronenabständen unter 3 m. Bei den Versuchen sank die Erkennungsrate bei Stammzahlen von 900 Bäumen pro Hektar und mehr deutlich ab. Vor allem bei größeren Flächeneinheiten, bei denen die Wahrscheinlichkeit des Vergessens einzelner Bäume im Felde ansteigt, können sich die Fehlerquellen beider Verfahren aufwiegen.

Sollen auch Baumpositionen und Kronendimensionen ermittelt werden, ist die Fernerkundung nicht nur bezüglich des Aufwandes, sondern auch aufgrund der genaueren Lageinformationen der Bäume vorteilhafter. Die Schwächen bei der Erkennung zwischenständiger Einzelbäume lassen sich zudem relativ leicht durch eine terrestrische Kontrolle der Kronenumrisse beheben. Erfolgt diese vor der Berechnung der Baummerkmale mit AtLaS so lassen sich diesbezügliche Fehler vermeiden.

Die erzielten Genauigkeiten entsprechen in etwa denen, die bei herkömmlichen Feldaufnahmen erreicht werden. Die Vorteile der Fernerkundung resultieren aus dem Fehlen subjektiver Einschätzungen durch die messenden Personen und in der Vielzahl möglicher Kronenmaße. Diese erlauben es rationell weitaus detailliertere Kronenmodelle zu generieren, als es vom Boden aus möglich ist.

Vorausschauend …

… erscheint neben der Verwendung von Allometriefunktionen zur Voluminierung der Einzelbäume auch die Erprobung der Routinen an weiteren Baumarten, wie Eiche und Buche, vielversprechend. Gerade bei älteren Laubbäumen sind die Fehler der Feldmessungen noch deutlich höher und die objektive Methodik des Laserscannings im Vorteil. Dies zeigte bereits ein Test an einem 156 jährigen Eichenbestand.

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