Flugzeug-Laserscanning ist Voraussetzung: Airborne Laserscanning (ALS) ist die Basis jedweder flächendeckenden Kartierung des Waldes, darin sind sich die forstlichen Fernerkundungs-Spezialisten einig. Mit 4 Echos/m² gelingt eine Vorratsschätzung für einzelne Bestände, ab 50 Echos/m² können Einzelbäume zuverlässig separiert und beschrieben werden.
Österreich ist seit 2013 komplett mit ALS-Daten ausgestattet. Mehrere Bundesländer haben bereits eine zweite Befliegung abgeschlossen. In den skandinavischen Ländern und Kanada wird ALS in Ergänzung zu den terrestrischen Erhebungen der nationalen Forstinventur als fester Bestandteil des nationalen Wald-Monitorings betrachtet. Österreich und die Schweiz befinden sich auf diesem Gebiet mit ähnlichen, bereits umgesetzten Konzepten, in bester Gesellschaft. Eine großflächige Einzelbaum-Kartierung wäre inzwischen technisch umsetzbar und wurde schon für einzelne Forstbetriebe umgesetzt.
Generell sind terrestrische Erhebungen zur Kalibrierung der ALS-Daten unverzichtbar. Für die Eichung von Kronenhöhenmodellen mit 50 cm Auflösung sind gut verortete konventionelle Winkelzählproben ausreichend. Für die Kalibrierung individueller Bäume aus ALS-Daten mit hoher Punktdichte eignen sich ganz besonders Aufnahmen mit terrestrischem Laserscanning (TLS). Der Vorteil gegenüber Winkelzählproben besteht darin, dass neben dem Brusthöhendurchmesser (BHD) auch alle Baumpositionen, Höhen, Stammvolumina und Kronendimensionen erfasst werden. Ein TLS-Erhebungspunkt beinhaltet zudem die 5- bis 8-fache Baumanzahl im Vergleich zu konventionellen Aufnahmen.
Knackpunkt Baumartenerkennung
Seit Jahrzehnten arbeiten sich Fernerkundungs-Spezialisten am Thema der Baumartenerkennung ab. Stand der Technik ist die Identifikation von zehn bis zwölf Baumarten aus den Zeitreihen der Sentinel-Satellitenbilder mit der damit vorgegebenen Auflösung von 10 m. Im borealen Wald mit im Wesentlichen vier Baumarten fällt dies naturgemäß leichter als in unseren Regionen. Es wird eine Treffsicherheit von 70-90% erreicht; die Unterscheidung von Fichte und Tanne beziehungsweise Buche und Hainbuche ist nach wie vor schwierig bis unmöglich.
ALS mit hoher Punktdichte kombiniert mit sehr hoch aufgelösten (5 cm) Luftbildern bildet für die Baumartenerkennung einzelner Baumkronen eine hervorragende Ausgangsbasis. Mittels KI-Methoden können die Spektraleigenschaften der Baumkronen kombiniert mit den Struktureigenschaften (Bilddaten und ALS) ausgewertet werden. Einige vielversprechende Forschungsprojekte arbeiten in diese Richtung.
Eine Vielzahl an Flugobjekten unterstützt beim Waldmonitoring. Jedes hat seine Stärke und sein Einsatzgebiet. © Günther Bronner / Umweltdata
Wachstumsmodelle für die Prognose
ALS-Befliegungen sind zu kostenintensiv, um sie in kürzeren Abständen durchführen zu können. Perioden von etwa zehn Jahren haben sich (auch in Österreich) etabliert. Dazwischen dienen Wachstumsmodelle zur Schätzung der Vorratsentwicklung. Im einfachsten Fall sind dies die traditionellen Ertragstafeln. Abstand-sensitive einzelbaumbasierte Waldwachstumsmodelle sind ein wichtiges neues Instrument, um für ungleichaltrige gemischte Bestände valide Prognosen abgeben zu können, zumal vor dem Hintergrund des Klimawandels. Zeitreihen von TLS-Aufnahmen eignen sich hervorragend zur Herleitung KI-basierter Wachstumsmodelle.
In einem konsistenten Monitoring-Konzept fehlt noch die automatisierte Erfassung von Fällungen und Kalamitäten. Hier spielt wieder die Satellitentechnologie mit den inzwischen fast täglichen Wiederholraten ihre Trümpfe aus. Sentinel 2 liefert alle fünf Tage die Spektraleigenschaften mit 10 m Auflösung und kann damit eine Vitalitätsverminderung, wie etwa durch Borkenkäferbefall, erkennen. Die Radarsatelliten Sentinel 1 liefern alle sechs Tage (auch bei Bewölkung) die Information über die Rauigkeit der Vegetationsoberfläche. Auf diese Weise können Durchforstungen oder Schneebrüche erkannt werden. Flächige Nutzungen sind ohnehin zweifelsfrei zu erkennen. Global Forest Watch bietet die Ergebnisse solcher Analysen als frei abrufbares Service an.
Veränderungen per Satellit oder Drohne zeitnah erfassen
Mittels (leider noch teurer) Stereo-Satellitenbildszenen wird im Kronenmodell das Fehlen einzelner Baumwipfel festgestellt. Aus zwei Aufnahmen mit Auflösung 0,5 m wird die Oberfläche berechnet und mit dem ALS Kronenhöhenmodell verglichen. Mehrere Satelliten-Services bieten solche Produkte an.
Wenn aufgrund satellitenbasierter Indizien eine noch genauere Erfassung erforderlich wird, schickt man ein Drohnenservice an den Ort des Geschehens. Neue Drohnenmodelle (beispielsweise DJI M30) verfügen über lange Flugzeiten und operieren weitestgehend autonom. Die Plattform kann auf der Ladefläche eines Pickups angebracht werden.
Auf diese Weise ergibt sich ein Wald-Monitoring mit zeitlich und räumlich hoher Auflösung. Modernes Forst-Management bedient sich dieser Instrumente, um eine rasche Reaktion auf immer häufiger auftretende Kalamitäten und sich verändernde Marktsituationen zu ermöglichen.
Flächendeckende Einzelbaum-Daten erlauben zudem eine parzellenscharfe Schätzung der oberirdischen Biomasse und damit auch für Kleinwaldbesitzer die Teilnahme am freiwilligen Kohlenstoffmarkt.
