Flächendeckende Fernerkundungsbasierte Forstliche Strukturdaten (F³)

Methoden und Verfahren zur flächendeckenden und homogenen Generierung von Waldparametern auf der Basis digitaler Oberflächenmodelle aus Luftbilddaten

Projekthintergrund und Ziele

Eine moderne, nachhaltige Waldbewirtschaftung bedarf umfassender und qualitativ hochwertiger Daten über Holzvorräte sowie weitere strukturelle Eigenschaften von Wäldern. Räumlich hoch aufgelöste und standardisierte Daten liegen jedoch häufig nicht flächendeckend vor, wodurch das Waldmanagement erschwert wird. Das F³-Projekt hat daher Methoden und Verfahren zur regelmäßigen und flächendeckenden Generierung von Waldstrukturdaten entwickelt. Die Methoden und Verfahren basieren ausschließlich auf deutschlandweit verfügbaren Datensätzen: Luftbilder der regelmäßigen Bildflüge der Landesvermessungen, Sentinel-2-Satellitendaten und Laser Scanning basierte digitale Geländemodelle (DGM). Forstliche Daten stammen aus der dritten Bundeswaldinventur (BWI3), den Betriebsinventuren (BI) der Forstbetriebe sowie der bestandesweisen Forsteinrichtung. Zusätzlich werden Klima- und Standortsdaten verwendet. Durch das Projekt kann eine standardisierte Datengrundlage für eine nachhaltige Waldwirtschaft in Deutschland verfügbar gemacht werden.

Die Beschreibungen der entwickelten Verfahren zur Ableitung von Waldstrukturparametern sowie der entsprechende Softwarecode werden allen interessierten Nutzenden über diese Internetseite zum Download bereitgestellt. Ebenfalls besteht ein Zugang zu Web Map Services (WMS) die es den Nutzenden erlauben, die für Projektgebiete erzeugten Beispieldatensätze in einem Geographischen Informationssystem (GIS) auf dem eigenen PC zu visualisieren.

Das F³-Projekt ist ein Verbundprojekt der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA) und der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt (NW-FVA). Es wird  durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

Projektlaufzeit: 1. Oktober 2017 bis 28. Februar 2021.

Förderkennzeichen: 22025014 (FVA), 22024816 (NW-FVA).

Die Projektgebiete

Um bei der Entwicklung der Methoden und Verfahren eine möglichst große Diversität an Waldtypen, Baumarten und standörtlichen Verhältnissen abzudecken, wurden insgesamt sechs Projektgebiete ausgewählt: drei in Baden-Württemberg und drei in Niedersachsen. Die für die Projektgebiete berechneten forstlichen Strukturparameter werden als Beispieldaten bereitgestellt (s. unten).

Die drei baden-württembergischen Projektgebiete verteilen sich auf den Südschwarzwald und die südliche Oberrheinebene, die Schwäbische Alb sowie das Südwestdeutsche Alpenvorland (Abbildung 1). Die drei niedersächsischen Projektgebiete liegen in den Regionen Heide, Solling und Harz (Abbildung 2).

F³-Projektgebiete in Baden-Württemberg

Abb. 1: Lage der F³-Projektgebiete in Baden-Württemberg

Lage der F³-Projektgebiete in Niedersachsen

Abb. 2: Lage der F³-Projektgebiete in Niedersachsen.

Luftbildbasierte Oberflächenmodelle

Als Grundlage für die flächendeckende Kartierung von Waldstrukturparametern dienen die regelmäßigen landesweiten Luftbildbefliegungen der Vermessungsinstitutionen der Bundesländer. Durch diese Befliegungen werden Eingangsdatensätze erzeugt, die im Zeittakt von 2-3 Jahren aktualisiert werden und es ermöglichen, räumlich sehr hoch aufgelöste forstliche Informationen unabhängig von der Besitzart zu generieren. Aus den digitalen Luftbildern werden mittels Image Matching-Techniken Oberflächenmodelle berechnet, anhand derer Waldstrukturparameter wie Bestandeshöhe, Holzvorrat, Biomasse und horizontale Bestandesstruktur quantifiziert werden (siehe auch: "Oberflächenmodelle"). Laserscandaten, welche ebenfalls für die Erfassungen von Waldbeständen eingesetzt werden können, wurden nicht verwendet, da diese Daten nur in wenigen Bundesländern regelmäßig aktualisiert werden.

Die Waldstrukturparameter

Vegetationshöhe

Die Vegetationshöhe wird direkt aus dem Oberflächenmodell abgeleitet. Im Wald liefert sie wichtige Hinweise zur Bestandesabgrenzung und -typisierung (Informationen zum Verfahren).

Kronendachrauigkeit

Die Kronendachrauigkeit beschreibt die Variabilität der Vegetationshöhe innerhalb einer definierten Nachbarschaft. Sie ist unter anderem von Interesse in Analysen bezüglich des Sturmwurfrisikos, der Biodiversität und der Interaktion des Waldbestands mit der Atmosphäre (Informationen zum Verfahren).

Überschirmung, Waldtyp und Lücken

Die Einteilung der Landschaft in offene und geschlossene Bestände sowie die Erfassung von Lücken des Kronendachs, und die Ableitung von Überschirmungsparametern, werden in einem mehrstufigen Verfahren erreicht. Die Ergebnisse aus diesem Verfahren sind von besonderem Interesse für den Waldnaturschutz, können aber auch wichtige Hinweise für das Waldmanagement liefern (Informationen zum Verfahren).

Lockere Althölzer bzw. Überhälterbestände

Hinweise auf das Vorkommen von lockeren Althölzern sowie von Überhälterbeständen werden aus den Unterschieden in der Vegetationshöhe auf einer begrenzten Fläche abgeleitet. Die Kartierung von Überhälter- bzw. lockeren Altholzbeständen ist u. a. für das forstbetriebliche Management sowie für den Naturschutz von Bedeutung (Informationen zum Verfahren).

Holzvorrat und oberirdische Biomasse

Der Holzvorrat ist von zentraler Bedeutung für das forstbetriebliche Management und einer der wichtigsten Zielparameter von Waldinventuren. Flächendeckende Informationen über Biomasse sind von großer Bedeutung für die Modellierung der CO2-Speicherfähigkeit des Waldes (Informationen zum Verfahren).

Bereitstellung von Waldstrukturparametern

Die Bereitstellung von Waldstrukturdaten über internetbasierte Dienste unterstützt eine effektive und umfassende Nutzung dieser Daten durch verschiedene Akteurinnen und Akteure. Im F³-Projekt wurden Hinweise zur Umsetzung und zu den rechtlichen Rahmenbedingungen der Datenbereitstellung erarbeitet (Informationen zur Datenbereitstellung).

Die Verwendung des Softwarecodes und Hinweise zur Datenstruktur

Zur Erzeugung der oben genannten Waldstrukturkarten steht Softwarecode in Form von Pythonskripten zum Download bereit. Da diese Skripte sehr große Datenmengen analysieren, muss die Organisation der verwendeten Eingangsdaten einer vorgegebenen Struktur folgen:

  1. Koordinatensysteme
    Mit den bereitgestellten Skripten können Daten prozessiert werden, die in den Projektionen Gauß Krüger (Bessel 1841) und UTM (ETRS89) vorliegen. Die Projektion der Daten wird durch die Implementierung nicht geprüft und es findet auch keine Transformation zwischen den Koordinatensystemen statt. Prozessiert werden können Daten in UTM Zonen 32N und 33N (EPSG 25832, 25833) sowie Gauß-Krüger Zonen 2, 3 und 4 (EPSG 31466, 31467, 31468).
  2. Datenkacheln
    Die Daten werden als Kacheln mit einer Ausdehnung von 1 km x 1 km erzeugt, prozessiert und abgelegt. Die Kanten der Kacheln orientieren sich an den vollen Kilometerwerten des verwendeten Koordinatensystems.
  3. Namensgebung der Dateien
    Die Lage der Kacheln im Koordinatensystem wird bei der Vergabe der Dateinamen berücksichtigt. Im Dateinamen werden jeweils die Koordinaten der südwestlichen Ecke (ohne die letzten drei Ziffern) mitgeführt. Die Koordinatenwerte sind unterschiedlich lang für Rechtswert (6 Stellen bzw. 8 Stellen bei Mitführung der Meridiankennziffer (z.B. 32) und Hochwert (7 Stellen).
    Beispiel einer UTM-Koordinate (32 N) und des daraus abgeleiteten Namensbestandteils einer Bildkachel:

    Koordinate: UTM 32N 462000 5481000
    Dateiname der DOM-Kachel: DOM_324625481.tif

    Diese Namensgebung wird für alle Zwischen- und Endprodukte verwendet. Lediglich das Präfix (z. B. DOM, nDOM) wird entsprechend angepasst. Für Gauß-Krüger-Koordinaten ist der Koordinatenteil des Dateinamens nur achtstellig: 4 Stellen für den Rechtswert (inklusive Zonenindex, z. B. 3) und 4 Stellen für den Hochwert.