Das Verfahren des F³ Projektes
Akkurate digitale Oberflächenmodelle (DOM) bzw. normalisierte digitale Oberflächenmodelle (nDOM = DOM minus Geländehöhe) sind das Fundament des hier vorgestellten Verfahrens zur Ableitung forstlicher Strukturparameter. DOM und nDOM werden aus Punktwolken generiert, die mittels Image Matching-Techniken aus Stereo‑Luftbildaufnahmen abgeleitet werden. Hierfür geeignete Luftbilddatensätze werden in regelmäßigen Abständen (2-3 Jahresrhythmus) von den Landesvermessungsbehörden der Bundesländer Deutschlands aufgenommen und bereitgestellt. (Auch in Österreich und der Schweiz werden regelmäßig Luftbilddaten aufgenommen. Eine Nutzbarkeit dieser Daten für dieses Verfahren wurde im Rahmen des F³-Projektes nicht geprüft.)
Nachfolgend werden die drei Hauptarbeitsschritte (Image Matching, Filterung, Rasterisierung) des Verfahrens zur Ableitung von Oberflächenmodellen kurz erläutert. Links zur ausführlichen Dokumentation sowie zum Softwarecode finden Sie am Ende des Textes. In Abbildung 1 wird das Verfahren zur Oberflächenableitung aus Luftbilddaten schematisch dargestellt.
Abb. 1: Schematischer Ablauf der DOM- und nDOM-Generierung.
Image-Matching
Image Matching ermöglicht das Messen von Oberflächenhöhen aus digitalen, sich überlappenden Luftbildern. Die verwendeten Luftbilder müssen "orientiert" sein, das heißt ihre Position und Lage im Raum muss bekannt und die aufnehmende Kamera kalibriert sein. Luftbilder aus den regulären Befliegungen der Landesvermessungsbehörden erfüllen diese Voraussetzungen. Beim Image-Matching werden im Überlappungsbereich der Luftbilder einander entsprechende (homologe) Punkte ermittelt. Basierend auf der scheinbaren Positionsänderung dieser Punkte in den Bildern (Parallaxe) sowie den Orientierungsinformationen der Kamera, kann die Höhe der Punkte berechnet werden. Mit Software, die sogenannte Dense Image Matching Methoden anwendet, kann dieser Prozess automatisch und theoretisch für jedes Pixel eines Bildes durchgeführt werden. Das Ergebnis des Image Matchings ist eine dreidimensionale Punktwolke.
Zwei der kommerziell verfügbaren Image Matching Softwareprogramme wurden für die Verfahrensentwicklung im F³-Projekt verwendet: "SURE" der Firma nFrames und "MATCH-T DSM" der Firma Trimble. Für beide Programme wurden Einstellparameter festgelegt, die die abgeleiteten Oberflächenmodelle für die nachfolgende Berechnung von forstlichen Strukturparametern optimieren. Diese Parameter sind detailliert in der Dokumentation zum Verfahren der Oberflächenableitung (Downloadlink unten) dargestellt.
Filterung
Aus Luftbildaufnahmen erzeugte 3D-Punktwolken sind nicht fehlerfrei. Während des Image Matchings kann es, z. B. in dunklen Bildbereichen, zu falschen Zuordnungen homologer Bildpunkte kommen, woraus fehlerhafte Höheninformationen einzelner 3D-Punkte resultieren. Um fehlerhafte Punkte bzw. Punktgruppen aus der Punktwolke zu entfernen, wurde ein mehrstufiges Filterverfahren implementiert, in dessen Zuge Punkte, die aufgrund ihres Höhenabstands zum Gelände oder ihrer isolierten Lage als fehlerhaft eingestuft werden können, aus der Punktwolke gelöscht werden. Ein hochgenaues, digitales Geländemodell (DGM) mit 1 m Auflösung wird hierzu benötigt. Geeignete laserscanningbasierte DGM können von den Vermessungsinstitutionen der Bundesländer bezogen werden. Im Rahmen der Filterung wird das DGM ebenfalls dazu verwendet die 3D-Punktwolke zu normalisieren, das heißt, die Geländehöhe von den Punkthöhen abzuziehen und so ein normalisiertes Oberflächenmodell (nDOM) zu erzeugen.
Aus dem Filterprozess resultiert ein DOM und ein nDOM als Punktwolke mit 0,5 m Punktabstand im laz-Format. Das laz-DOM ist der Eingangsdatensatz zur Berechnung der Kronendachrauigkeit , während das laz nDOM zur Berechnung von Überschirmung, Waldtyp (offene und geschlossene Bestände), Lücken sowie zur Erfassung lockerer Althölzer und Überhälterbestände verwendet wird.
Rasterisierung
Zusätzlich zu DOM und nDOM als Punktwolken im laz Format werden DOM und nDOM auch in einem Rasterformat (TIFF) erstellt (Abbildung 2). Im Unterschied zu den Punktwolken haben die Raster eine Auflösung von 1 m und kleinere Datenlücken (bis zu 3 m) wurden mit interpolierten Werten gefüllt. Größere Lücken, wie sie z. B. im Bereich von Wasserflächen entstehen können, werden durch "No Data"-Pixel aufgefüllt. Das nDOM im TIF-Format kann genutzt werden um die Vegetationshöhe der Waldbestände zu visualisieren und es wird für die Erstellung der Waldhöhenstrukturkarte (WHSK) verwendet sowie in der Modellierung von Holzvorrat und Biomasse genutzt.
Abb. 2: Beispiele für ein digitales Oberflächenmodell (a) und ein normalisiertes digitales Oberflächenmodell (b) im Rasterformat.
