Abb. 1: Edelkastanienbestand in Hausen bei der Laserscanneraufnahme (Foto: C. Fricker).
Aufgrund sich ändernder Klimabedingungen wird der Edelkastanie (Castanea sativa) künftig eine wachsende Bedeutung zugemessen. Bislang existieren in Bayern allerdings kaum Anbauerfahrungen. Daher hat die Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) im Jahr 2014 Edelkastanien-Bestände in der Gemeinde Hausen (Landkreis Würzburg) unter Dauerbeobachtung genommen. Auf den ältesten Teilflächen wurden ertragskundliche Vollaufnahmen durchgeführt. Zusätzlich wurden diese Flächen mit Hilfe terrestrischer Laserscantechnologie (TLS) aufgenommen. Abbildung 1 vermittelt einen Eindruck von der etwa 55 x 45 Meter großen Beobachtungsfläche und zeigt den Laserscanner.
TLS an der LWF
Dauerbeobachtungsflächen der LWF werden seit 2015 ergänzend zu den etablierten Flächenaufnahmen mit dem Tachymeter-Laserscanner-Kombigerät Leica MS 50 (Abb. 1) gescannt. Ziel ist es auch, Flächenneuanlagen im Rahmen von Forschungsprojekten ein- oder mehrmals zu scannen und die Lagekoordinaten der Flächen mit den GNSS (=globales Navigationssatellitensystem) hochgenau zu ermitteln.
Aufnahme: fünf Punkte
Abb. 2: Virtueller Schnitt durch die 3D-Daten der Beobachtungsfläche in Hausen. Schwarze Punkte repräsentieren Baumpositionen, grün markiert sind Z-Bäume. An den Eckpunkten sowie auf mittiger Rückegasse wurde der Laserscanner positioniert (rote Punkte).
Die Beobachtungsfläche wurde im Frühjahr 2016 gescannt. Das Gerät wurde an fünf Positionen in der Beobachtungsfläche positioniert: Durchgeführt wurde ein 360°-Rundum-Scan (Dome-Scan) von der innenliegenden Rückegasse sowie vier 90°-Eckscans mit einer Scanauflösung von jeweils 0,75 Milligon. Zudem wurde vor dem Scannen von der Rückegasse ein hochaufgelöstes Panoramafoto aus 480 Einzelaufnahmen generiert.
Es sollte geprüft werden, ob eine teilautomatisierte Ermittlung der astfreien Schaftlänge in einem jungen und vergleichsweise dichten Laubholzbestand möglich ist. Denn die astfreie Schaftlänge ist sowohl waldbaulich als Maßzahl zur Steuerung des Eingriffszeitpunktes als auch verwertungstechnisch zur Optimierung der Einschnittmenge von großer Bedeutung. Untersucht wurden die insgesamt 26 Z-Bäume (=100 Z-Bäume/ha) des Bestandes.
In einem virtuellen Schnitt durch die Scandaten in etwa zwei Metern über dem Boden (Abb. 2) werden die Verteilung der Z-Bäume sowie die Positionierung des Laserscanners ersichtlich.
Auswertung: Z-Bäume
In Abb. 3 sind die wesentlichen Kenngrößen des Bestandes dargestellt. Die astfreie Schaftlänge wurde über eine Bewertung der Güte von Kreisanpassungen an virtuelle Schnitte entlang der Schaftachse bestimmt. Da vor der Anwendung der Auswertungsroutinen die 3D-Laserdaten der gesamten Fläche in Daten für die einzelnen Bäume manuell aufgeteilt werden müssen (Segmentierung), wurde das Untersuchungskollektiv beschränkt. Ausgewertet wurden nur die Daten der 26 Z-Bäume.
Abb. 3: Dendrometrische Kennwerte der Beobachtungsfläche und des 21-jährigen Edelkastanienbestandes im Herbst 2015 (verändert nach Fricker 2016)
Ergebnisse: kein signifikanten Unterschiede
Abb. 4: Gegenüberstellung der Werte aus TLS und Feldaufnahme: BHD (oben), Baumhöhe (Mitte) und astfreie Schaftlänge (unten).
Die Werte der TLS-Auswertung wurden den Werten der Feldaufnahme gegenübergestellt. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse für den Brusthöhendurchmesser (oben), die Baumhöhen (Mitte) und die astfreien Schaftlängen (unten). Auf der eingezeichneten 1:1-Linie kämen die Werte zu liegen, wenn beide Wege identische Werte liefern würden.
Der mittlere Brusthöhendurchmesser (BHD) aus den TLS-Daten lag rund 1,6 Zentimeter über dem Vergleichswert der Feldaufnahme. Die Höhenwerte liegen für die TLS-Daten im Mittel um 20 Zentimeter über den Daten der Höhenmessung im Feld. Die astfreien Schaftlängen liegen für die TLS-Daten und die Feldaufnahmedaten nur zehn Zentimeter auseinander.
Mittelwertvergleiche haben in keinem Fall signifikante Unterschiede zwischen den Vergleichsgrößen gezeigt. Aus den Abbildungen wird allerdings auch ersichtlich, dass bei den Einzelbäumen bei den jeweiligen Größen zum Teil erhebliche Unterschiede bestehen.
Einwertung der Ergebnisse
Die gute Übereinstimmung der Feld- und TLS-Aufnahme ist erfreulich. Die TLS-Technologie ist also grundsätzlich in der Lage, (teil)automatisch forstinventurrelevante Größen und verwendungsorientierte Zusatzgrößen zu liefern. Das ist derzeit allerdings noch mit sehr hohem Arbeitsaufwand verbunden; zudem ist ein hohes Maß an EDV-Kenntnissen nötig. Grundproblem ist, dass es bisher keinen befriedigenden Ansatz zur (überwachten) Aufteilung der 3D-Punktewolken aus Wäldern in Daten für die Einzelbäume (Segmentierung) gibt.
Für die isolierten Daten der Einzelbäume zeigte sich, dass diese nur zum Teil durch den Laserscanner erfasst wurden (einseitig bzw. nur wenige Datenpunkte auf der Oberfläche). Daher konnten die BHD-Werte nur mit Hilfe der vergleichsweise robusten Kreisanpassung geschätzt werden. Bei der guten Übereinstimmung der Höhenmesswerte kommt die Stärke des TLS-Systems zum Tragen: Einfach und schnell liegen echte Messwerte für Baumhöhen vor. Zudem ist eine sehr gute Schätzung der mittleren astfreien Schaftlänge mit dieser Technologie möglich. Auf Einzelbaumebene waren die Ergebnisse hingegen noch nicht befriedigend.
Abb. 5: Das Kombinationsgerät scannt präzise die Umgebung ab. Zusammen mit einem integrierten GNNS kann jeder Punkt genau im Raum zugeordnet werden (Foto: Leica Geosystems).
Ausblick
Die LWF arbeitet weiter an der Weiterentwicklung dieser Technik für den forstpraktischen Einsatz. Denn der Waldaufbau wird vielfältiger, Schichtigkeit und Mischung unserer Wälder nehmen erfreulicherweise zu. Das erfordert Fernerkundungstechniken, die diesen Waldaufbauformen gerecht werden können. Durch TLS können Mängel und Schwächen der klassischen Forstinventur größtenteils behoben werden. Mittelfristiges Ziel ist die Entwicklung einer baukastenartigen Softwarelösung. Für die einzelnen Baukastenelemente soll beschrieben und nachgewiesen werden, für welche Waldsituationen sie geeignet sind bzw. wo sie bereits mit welchem Ergebnis eingesetzt wurden.
