Projekt

Fakultät 08
Erfassung und Analyse von Waldstrukturen mit Hilfe von Echoprofilen (Waveforms)
Kategorie:
Projekt
Status:
abgeschlossen
Themengruppe:
Laserscanning
AutorIn:
Jahr:
2012
Nationalpark Bayerischer Wald
Nationalpark Bayerischer Wald

In dem Projekt, das zusammen mit der Fachhochschule Stuttgart beantragt wurde, sollen Waldstrukturen mit diesem neuartigen, flugzeuggestützten Lasermesssystem erfasst und analysiert werden. Grundidee des Projektes ist, Modelle für Waldstrukturen an die gemessene, von den Bäumen reflektierte Intensität mit Methoden der Mustererkennung bestmöglichst anzupassen. Dies ermöglicht sowohl eine Lokalisierung von Bäumen und die Klassifikation von bestimmten Baumarten. Durch das Verfahren sollen aufwändige Verfahren der Waldinventur ersetzt bzw. ergänzt werden. Das Projekt wird in enger Kooperation mit der Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald und der Firma GeoLas durchgeführt, die das für das Projekt notwendige, ergänzende KnowHow einbringen. Hierbei kann auf einen enormen Datenpool der Nationalparkverwaltung zurückgegriffen werden, der unter der Leitung von M.Sc. Marco Heurich in den letzten Jahren mit unterschiedlichen Fernerkundungssensoren erfasst wurde. In dem Nationalparkgebiet gibt es mehrere Testgebiete, in denen in so genannten Referenzflächen beinahe jeder Baum mit seinen individuellen Eigenschaften bekannt ist und somit ideal sind für die experimentelle Vergleiche.

Testfläche
Testfläche
Testfläche
Testfläche
Ein Laserscanningsystem besteht aus einem Laserentfernungsmesser, einer Scanningeinheit für die Umlenkung des Laserstrahls und einem integrierten GPS/INS-System zur autonomen Positionierung des Lasersystems während der Befliegung.

Derzeit werden flugzeuggestützte Laserscanningsysteme kommerziell hauptsächlich zur dichten 3D-Erfassung der Topographie eingesetzt. Spezielle Filterverfahren extrahieren aus den Punktdaten ein Oberflächenmodell (DOM) oder ein digitales Geländemodell (DGM). Spezialanwendungen wie die Korridorvermessung von Stromleitungen oder die Dünenvermessung in Wattgebieten sind Beispiele, dass die Technik in einigen Bereichen konkurrenzlos ist.

Auschnitt aus CIR-Luftbild
Auschnitt aus CIR-Luftbild
Lasermesssystem (Copyright Desbuisson)
Lasermesssystem (Copyright Desbuisson)
Die bisherige kommerzielle Laserscanningtechnik beschränkte sich auf die Registrierung des ersten und/oder letzten Empfangsimpulses zur Ableitung eines digitalen Oberflächenmodells oder Geländemodells. Eine alternative Technik zu dieser Standardmethode ist die Erfassung des gesamten Echoprofils (=Waveform).

Durchdringung von Vegetation (Copyright TopoSys; http://www.toposys.com)
Durchdringung von Vegetation (Copyright TopoSys; http://www.toposys.com)
Das Echoprofil eines zum Boden durchgedrungenen Laserstrahls beinhaltet die gesamte Information der reflektierenden vertikalen Baumstruktur. Die im Echoprofil digitalisierte Empfangsenergie ist damit ein Mass für die vertikale Verteilung der beleuchteten Oberflächen, die in Richtung des Beobachtungsvektors und in Abhängigkeit der Reflektivität bzgl. der Wellenlänge den Laserstrahl zurückwerfen. Falls die Waldoberfläche sehr dicht mit einzelnen Echoprofilen abgedeckt werden kann, lassen sich somit Rückschlüsse über die gesamte räumliche Verteilung und Charakterisierung der Waldstruktur unter einer geschlossenen Waldoberfläche ziehen.

Derzeit gibt es noch wenig praktische Erfahrungen mit Waveformscanner, wie anthropogene Objekte oder Walstrukturen aus den Messdaten gewonnen werden können. Da pro Laserstrahl ca. 1000 Byte registriert werden, entstehen bei einer Punktdichte von mindestens 1 Punkt/m2 enorme Datenmengen während einer Befliegung. In dem Projekt müssen daher zuerst effiziente Methoden entwickelt werden, die einen schnellen raumbezogenen Zugriff auf die Laserdaten und deren Visualisierung ermöglichen. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt bei der Modellierung des Laserstrahls bei seiner Interaktion mit Waldstrukturen und der Lokalisierung und Klassifizierung von Baumarten mit Hilfe der gemessenen Laserintensitäten.

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