Der Wald und sein digitaler Zwilling © Andreas Tockner
Aus den wenigen Messungen ist unklar, welche Holzqualitäten zu erwarten sind und wo genau sich das Holz im Wald verteilt. Diese Informationen werden allerdings immer wichtiger, um in Zukunft eine optimale Ausnutzung des Schaftholzes zu erreichen, und Holzerntemaßnahmen genauer planen zu können.
3D-Bäume am Computer
Der Einsatz von Laserscannern in der Waldinventur bietet die Möglichkeit, hochgenaue Informationen zu den einzelnen Bäumen zu gewinnen. Airborne Laserscanning (ALS) bezeichnet luftbasierte Aufnahmen (Flugzeuge oder Drohnen) und schafft rasch Daten für eine sehr große Fläche. Der wichtigste Teil des Baumes, der Stamm, wird dadurch leider nur unvollständig aufgenommen.
Im Gegensatz dazu verwendet Personengetragenes Laserscanning (PLS) ein Gerät, das vom Boden aus die dreidimensionale Punktewolke erzeugt. Eine Person bewegt den eingeschalteten Scanner durch den Wald und nimmt einen Hektar Altbestand in rund 30 Minuten vollständig auf. Es entsteht ein digitaler Zwilling des Waldes.
Der Laserscanner hat eine Genauigkeit von rund 10 mm und eine Reichweite von 100 m. Damit werden auch die höchsten Bäume bis zu deren Spitze hin abgebildet. Ein ausgewachsener Einzelbaum besteht aus über 200.000 Punkten (mit x-, y- und z-Koordinaten). Im Kronenbereich sind natürlich weniger Details erkennbar als am Boden, da das Scangerät von der Krone eine ganze Baumlänge weit entfernt ist. Doch selbst im obersten Drittel des Baumes finden sich noch rund 1.000 Punkte/m² – selbst der Wipfel bei Nadelbäumen ist in der Punktewolke klar erkennbar.
Die Baumkrone wird trotz der Aufnahme vom Boden aus sehr detailliert dargestellt, muss jedoch am Computer noch von den anderen Baumkronen im Bestand getrennt werden. Dies geschieht automatisiert durch Programme, die Einzelbäume aus der gesamten Wald-Punktewolke herausschneiden und die Berechnungen für jeden einzelnen Baum durchführen.
Die gewonnenen Messwerte sind:
- Brusthöhendurchmesser (BHD)
- Baumhöhe
- Kronenansatz
- Kronenschirmfläche
- Kronenvolumen
- Kronenbreite
Wie genau sind die Messungen?
Selbst in ungleichaltrigen Beständen können BHD und Höhe mittels Laserscanning zuverlässig bestimmt werden. Die Messwerte aus der Punktewolke wurden von über 500 Bäumen aller Altersklassen mit den händischen Messungen (mittels Kluppe beziehungsweise Vertex) verglichen. Der BHD und die Baumhöhe stimmten dabei sehr genau mit den Referenzdaten überein. Die automatisch gemessenen Durchmesser aus der Punktewolke sind sogar noch genauer als der BHD, der mit dem Pi-Band oder der Kluppe erhoben wurde. Analysen von Stammscheiben zeigten, dass die unregelmäßigen Stammquerschnitte (die oft stark von der Kreisform abweichen) vom Laserscanner viel exakter dargestellt werden.
Eine große Herausforderung ist die automatische Bestimmung des Kronenansatzes in der Punktewolke. Diese Messstelle, an der die Krone beginnt, wird dabei auf verschiedene Arten definiert. In den Aufnahmen im Wald wurde der Kronenansatz als die Höhe des ersten lebenden Astes am Stamm festgelegt. In der Punktewolke wird der Kronenansatz ermittelt, indem eine plötzliche Häufung von Punkten am Stamm gesucht wird. So kann allerdings ein Totast nicht von einem grünen Ast unterschieden werden. Auch mögliche Ungenauigkeiten beim automatischen Ausschneiden der Bäume führen zu einer falschen Schätzung – wenn zum Beispiel ein tieferer Ast den Stamm des Nachbarbaums berührt.
Kronenmodelle im digitalen Wald © Andreas Tockner
Die reale Baumkrone im Vergleich zum Modell
Baumkronen haben äußerst komplexe Formen, daher sind sie schwierig im Wald zu messen und auch zu beschreiben. Ein Kronenmodell ist eine allgemein gültige einfache geometrische Form. Aus Durchmesser, Höhe, Kronenansatz und Kronenbreite können Kronenmodelle für verschiedene Baumarten erstellt werden – sie basieren auf Forschungsergebnissen von Hans Pretzsch und auch von Ernst Assmann.
Die Abbildung unten zeigt diese Formen zusammen mit den Punktewolken aus dem Laserscan. Einzelne abstehende Äste oder gebrochene Wipfel können natürlich nicht durch die Modelle abgebildet werden. Sowohl optisch als auch auf Volumen und Fläche bezogen, stimmen diese alten Modelle jedoch gut mit den realen Ausprägungen der Baumkronen überein.
Um das Kronenvolumen genauer zu bestimmen, wird eine Hülle um die Punktewolke gelegt, die sozusagen wie ein Luftballon die äußersten 3D-Punkte der Krone umspannt (Abbildung 3). Diese Hülle kann dabei mehr oder weniger stark „aufgeblasen“ werden. Damit ändert sich auch das Kronenvolumen, da die Lufträume innerhalb der Krone mehr oder weniger stark miteinbezogen werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Definitionen von Kronenhülle und Kronenansatz ist es nahezu unmöglich, das Volumen des Kronenraums in eine allgemein gültige Zahl zu fassen. Das Laserscanning bietet dennoch ein standardisiertes Messverfahren und die Baumkronen werden untereinander vergleichbar. Die Bäume mit der schwächsten Krone im Bestand können somit sehr schnell bestimmt werden.
Was bringt Laserscanning für den Forstbetrieb?
Eine Auswertung auf Basis der einzelnen Bäume liefert eine hochgenaue Inventur und bietet eine Datenbasis für weitere spannende Anwendungen (wie etwa Waldbaukonzepte oder ökologische Fragestellungen). Alle zur Ernte vorgesehenen Bäume können am Computer ausgewählt werden und das errechnete Erntevolumen wird direkt ausgegeben. Fehler am Stamm, wie Zwiesel, abgestorbene Stammteile oder Starkäste, sind erkennbar. Zur Auffindung der Bäume im Wald hat sich eine interaktive Tablet-App bewährt, die die Verteilung der Bäume in einer zweidimensionalen „Landkarte“ darstellt und hilft, die digitalen Zwillinge im echten Wald wiederzufinden. Eine derartige App wurde auch im RIVONA-Projekt (zusammen mit den Österreichischen Bundesforsten) eingesetzt, um die Auszeige auf Beispielsflächen zu veranschaulichen.
In künftigen Forschungsarbeiten sollen nun weitere Methoden entwickelt werden, mit denen auch die Baumart automatisch aus den Laserscans gewonnen werden kann. Die Kronenstrukturen der unterschiedlichen Baumarten werden gerade erforscht, um die Baumart vorhersagen zu können. Wie schon beim Kronenansatz gibt es hier die Schwierigkeit, dass nicht alle Details (wie beispielsweise Nadeln oder Blätter) eines Baumes im Laserscan dargestellt werden.
PLS erlaubt zusammen mit den Auswerteprogrammen eine detaillierte Betrachtung des Stammes und der Baumkrone und leistet einen wichtigen Schritt für die Digitalisierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette Wald-Holz.
Literatur: Tockner, Andreas, et al.: Automatic Tree Crown Segmentation Using Dense Forest Point Clouds from Personal Laser Scanning (PLS), International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, vol. 114, 2022, p. 103025, https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103025
