Terrestrial laser scanning- applications in forest ecological research

Abstract

Die wachsende Bedeutung der dreidimensionalen (3D) Struktur der Kronen unsere Wälder für aktuelle Forschungstätigkeiten, insbesondere in der Ökologie, hat ein zunehmend größeren Bedarf an Instrumenten mit sich gebracht, welche präzise und hochaufgelöste räumliche Informationen zur Verteilung der Biomasse von Pflanzen liefern können (Lovell et al., 2003; Parker et al., 2004; Tageda and Oguma, 2005; Pretzsch and Schütz, 2005). Wenn es von Interesse ist, eine genaue Erfassung der xyz-Koordinaten aller Objekte (z.B. Ast, Zweig, Blatt, Stamm) durchzuführen, so ist derzeit ausschließlich die Verwendung eines terrestrischen 3D Laserscanners sinnvoll, insbesondere unter Berücksichtigung des zu leistenden Arbeitsaufwandes im Feld. Destruktive Methoden sind aufgrund ihres enormen Zeit- und Arbeitsaufwandes keine Alternative, vor allem dann, wenn es gilt, die 3D Struktur der Krone von Einzelbäumen oder gar ganzen Beständen zu erfassen. Die Kronen- und Waldforschung steh! t nun vor der Aufgabe, dass nicht länger Variablen gemessen werden müssen, die Rückschlüsse auf die Biomasseverteilung erlauben, sondern vielmehr neue Automatisierungen entwickelt werden müssen, mit denen gewünschten Parameter (z.B. Kronendurchmesser, Blattflächenindex) standardisiert aus den Scandaten herausgelesen werden. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel einen Beitrag zu dieser Forschung zu leisten. Während in Kapitel 3 und 4 Studien im Nationalpark Hainich vorgestellt werden, deren Ziel die Erfassung von bedeutenden Bestandesgrößen in Wäldern ist (z.B. Openness, BHD, Baumhöhe, Konkurrenzsituation etc.), beschäftigt sich Kapitel 5 mit der Erprobung einer neuen Methode zur nicht-destruktiven Biomassemessung an Jungbäumen. Es konnte gezeigt werden, dass terrestrisches 3D Laserscanning geeignet ist, um die Struktur eines artenreichen Waldes zu erfassen und für die ökologische Forschung relevante Bestandesparameter aus den Daten zu extrahieren. Eine wichtige Bedingung für den Erfolg der vorgestellten Automatisierungen ist die in dieser Arbeit gezeigte Verwendung des so genannten Voxel-Models. Die Simulation von hemisphärischen Fotos an beliebigen Positionen unterhalb der Kronen wurde erfolgreich auf Basis dieses Models durchgeführt und somit die Vollständigkeit der Bestandeserfassung mit einem Scanner gezeigt. Schwächen im Zusammenhang mit der Vermessung von Baumkronen zeigt der verwendete Scanner bei der Erfassung von sehr kleinen Lücken in der Kronenschicht unter windigen Bedingungen. Die Analyse von baumartspezifischen Eigenschaften der Raumausnutzung im Kronenbereich oder die Quantifizierung von Arteinflüssen auf die Lichtverfügbarkeit unter dem Bestand sind nur Beispiele für die! Verwendung der nun verfügbaren Daten. Die Weiterentwicklung von Photosynthese- und Waldwachstumsmodellen erfährt ebenfalls neue Möglichkeiten. Weiter konnte gezeigt werden, dass Messungen, Quantifizierungen und Vorhersagen über die herrschende Konkurrenz um Licht und Raum zwischen einzelnen Baumindividuen und ihren Nachbarn auf Basis von Laserscannerdaten möglich sind. Basierend auf Bestandesstrukturparametern, wie sie nur vom Laserscanner effizient erfasst werden können (z.B. Kronenzentrum, Kronenausdehnung in verschiedenen Höhen), konnten vertiefende Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Wuchsasymmetrien und Konkurrenz gewonnen werden, welche unter anderem eine Verbesserung von waldbaulichen Maßnahmen ermöglichen könnten. Eine dritte experimentell e Studie konnte aufdecken, das nich-destruktive Biomassemessungen an Jungbäumen auf Basis von Laserscannermessungen möglich sind, welche sowohl die Überwachung von Wachstumsprozessen ermöglichen, als auch die Analyse vielfältiger weitere ökophysiologisch interessanter Parameter (Verzweigungsmuster, Biomasseverteilung etc.). Alle in dieser Arbeit gezeigten Studien wurden ermöglicht durch die hohen Genauigkeit und Auflösung des terrestrischen Laserscannings in der Erfassung der Verteilung der Biomasse der Untersuchungspflanzen. Die durchgeführten Experimente erlauben die Schlussfolgerung, dass Laserscannerdaten, wie sie von dem verwendeten beispielhaften System erzeugt werden, für eine ganze Reihe von Anwendungen im Bereich der ökologischen Waldforschung von Nutzen sind. Die zukünftige Verwendung von Laserscanner-systemen hängt vor allem davon ab, ob geeignete Standards entwickelt werden um bestimmte Parameter aus den Scans herauszulesen. Die automatische Trennung von einzelnen Baumindividuen aus den Scandaten eines Bestandes ist ein Beispiel für eine Automatisierung, deren Entwicklung einen enormen Fortschritt für zukünftige Anwendungen in der Waldforschung bedeuten würde .