Fernerkundung für innovative Verfahren des Waldstrukturmonitorings (Five3D)

Projekt: Five3D - Fernerkundung für innovative Verfahren des Waldstrukturmonitorings

Laufzeit: 2022/07 - 2023/12

Projektbeschreibung

Fernerkundung für innovative Verfahren des Waldstrukturmonitorings (Five3D) war ein Pilotprojekt zur drohnengestützten Erfassung struktureller forstlicher Parameter. Hierbei wurde die Verknüpfung eines Light Detection and Ranging Sensors (LiDAR) und einer Multispektral-Kamera (MS) erprobt und mit automatisierten Deep Learning (DL) Algorithmen auf Einzelbaumebene ausgewertet. Das Endprodukt des im Projekt entwickelten Verfahrens sind automatisiert erkannte Einzelbaumpolygone denen Kronenparameter, Stammvolumen und Biomasse zugewiesen wurden.

Zur Erprobung des Systems wurden vier Praxispartner aus Naturschutz und Forstwirtschaft einbezogen, deren Flächen insgesamt das breite Spektrum der Waldstruktur Süddeutschlands abdeckt: von bewirtschaftet zu verwildert, von Laubwald über Mischwald zu Nadelwald, von Jungbeständen zu Altbeständen. Für das Training und die Validierung der Segmentierung und Baumartenklassifikation wurden zusätzlich stichprobenartig terrestrische Daten aufgenommen.

Das Projekt erfolgte in Kooperation mit der Universität Freiburg und der Hochschule München. Die Aufgaben der FVA lagen in der Projektkoordination, dem Kontakt zu den Praxispartnern, der Erhebung terrestrischer Referenzdaten und der Auswertung forstlicher Parameter.

Die Ergebnisse des Projektes sollen klassisches Strukturmonitoring erleichtern und flächendeckende, zuverlässige sowie kostengünstige Daten liefern. Durch wiederholte Befliegungen des gleichen Gebietes lässt sich auf den Einzelbaum genaues Monitoring betreiben.

UNTERSUCHUNGSGEBIET

Vier Praxispartner unterstützen das Projekt und stellen Flächen zur Befliegung zur Verfügung:

Nationalpark Bayerischer Wald: Mittelsteighütte, Spitzberg
Nationalpark Schwarzwald: Schönmünztal, Altsteigerskopf
DBU Naturerbe GmbH: ehem. Truppenübungsplatz Landshut
Stiftung Schönau: Ohlsbach im Kinzigtal

METHODE

Je nach Praxispartner wurden verschiedene Schwerpunkte für die Auswertung der Daten gelegt. So war für Flächen unter Naturschutz besonders die Auswertung der Totholzbäume interessant, während für bewirtschaftete Flächen ein größerer Schwerpunkt auf die Auswertung des Holzvolumens gelegt wurde.

Grundlegendes Vorgehen ist eine Erstbegehung der von den Praxispartnern vorgeschlagenen Flächen und anschließende Festlegung der Befliegungsgebiete. In einer darauffolgenden Messkampagne werden die Drohnendaten und Referenzdaten aufgenommen. Die Daten werden zu Orthophotos und Oberflächenmodellen (DGM, DOM) sowie normalisierten Punktwolken aufgearbeitet. Mittels händisch erstellter Referenzpolygone wird eine KI zur Erkennung von Einzelbäumen trainiert und auf die Gesamtfläche der beflogenen Gebiete angewendet. Im nächsten Schritt werden Kronenmetriken der einzelnen Bäume und Holzvolumina berechnet. Alle im Laufe des Prozesses gesammelten Werte werden schließlich als shapefile exportiert.

ERGEBNISSE

Im Projekt Five3D wurde ein Verfahren entwickelt, welches aus Fernerkundungsdaten und Trainingsdaten automatisiert Einzelbäume erkennt und charakterisiert. Die verwendeten Methoden sind alle im Projekt entwickelt, so dass keine externen, lizensierten Programme zum Einsatz kommen. Dies stellt somit eine kostengünstige Ergänzung insbesondere der Betriebsinventur dar.

Das Verfahren ist jedoch aktuell nicht öffentlich zugänglich. Die einzelnen Datenverarbeitungsschritte erfolgten an verschiedenen Instituten (s. Kooperationen). Eine Weitergabe der Skripte und Programme ist aktuell zwar nicht vorgesehen, theoretisch aber möglich. Es wären mindestens 6 Monate Bearbeitungszeit notwendig, um die geschriebenen Programme für externe Anwender aufzubereiten.

KOOPERATIONEN

Das Projekt erfolgte in Kooperation mit der Hochschule München (Fakultät für Geoinformation) und dem Institut für nachhaltige Technologien der Uni Freiburg, welche in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg stehen.

GELDGEBER

Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) finanziert.