Multisensorielle Methoden zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Waldstruktur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Inhalt des Forschungsprojekts war die dreidimensionale Rekonstruktion der Vegetationsstruktur und ihrer saisonalen Dynamik mit multisensoriellen Methoden. Im Vorfeld wurden dafür ein Birkenbestand, sowie ein Kiefernbestand bei Tharandt in Sachsen ausgewählt. Ein Schwerpunkt der Arbeiten stellte die umfangreiche Datenakquise im Gelände dar: Der Birkenbestand wurde zu sechs Zeitpunkten mit terrestrischem Laserscanning (TLS) erfasst, wobei die resultierenden 3D-Punktwolken durch die feine Auflösung des Scanners einen hohen Grad an Detailliertheit aufweisen. Begleitend dazu wurde der Bestand mit hemisphärischer Photographie (HSP) erfasst. An jedem der 12 Standpunkte wurde eine hemisphärische Bildserie mit Belichtungssequenz aufgenommen. Zur Erfassung der Strahlungsregime der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) wurden 5 PAR- Sensoren zentral im Birkenbestand und ein weiterer auf einer angrenzenden Freifläche zur Ermittlung der Strahlungstransmission aufgestellt. Des Weiteren fanden manuelle Messungen von relevanten Forstinventurparametern wie Baumhöhe, Brusthöhendurchmesser, Kronenlänge- und breite, sowie Messungen der Blattneigungswinkel an ausgewählten Bäumen statt. In der Laubfallphase wurden Streufänger aufgestellt, wöchentlich geleert und ausgewertet. Im Kiefernbestand wurden basierend auf ebenfalls 12 fixen Standpunkten vier TLS-Epochen aufgenommen, insgesamt zwei HSP-Bildserien aufgenommen, sowie die Strahlungsmessung mit PAR-Sensoren durchgeführt. Ein wichtiger Schritt stellte die Kombination von TLS- und HSP-Daten dar, um 3D-Punkte auf Basis der zugewiesenen Farbinformation einer Phytoelementklasse zuzuordnen. Im Projekt wurde eine Methode entwickelt diese Datenfusion herzustellen, allerdings erwiesen sich die Ergebnisse aufgrund diverser Störeffekte als nur eingeschränkt nutzbar, so dass der Fokus auf die separate Auswertung der Datensätze, die weitgehend komplementäre Eigenschaften aufweisen, gelegt wurde. Aus den HSP-Aufnahmen wurden die Transmissionswerte solarer Strahlung bestimmt, auf deren Grundlage LAI und Klumpungswert nach dem Markov-Modell geschätzt wurden. Außerdem wurde basieren darauf die Zu- und Abnahme des LAI im Jahresverlauf erfasst. Aus den TLS-Daten wurde ein Stammverteilungsplan generiert. Anschließend wurden die Daten in einen diskreten Voxelraum transformiert und dort einer statistischen Auswertung hinsichtlich der Biomasseverteilung unterzogen. Des Weiteren wurde die Asttopologie von Einzelbäumen aus Ausschnitten des Voxelfelds extrahiert. Um die Aststruktur auch geometrisch genau wiederzugeben, wurde eine Methode entwickelt, die direkt auf den 3D-Daten des TLS arbeitet und 3D-Polylinien in die Äste der Krone einpasst. Die Beschreibung von Bestandsstruktur- und -architekturparameter wie LAI, Blattneigungswinkel und Klumpungsindex sowie die aus den TLS-Daten abgeleiteten Informationen über die Biomasseverteilung bildeten die Eingangsdaten für die Weiterentwicklung des Strahlungstransportmodells. Das Potential der multisensoriellen Methode wurde im Rahmen des Vorhabens erst ansatzweise ausgeschöpft. Weiterentwicklungen zur verfeinerten 3D-Texturanalyse im Voxelraum sowie die laufenden Analysen der hochaufgelösten Messdaten für den Blattneigungswinkel werden die Genauigkeit der Bestimmung der LAD-Verteilung und des Klumpungsfaktors erheblich erhöhen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2011: Automatic Tree Detection and Diameter Estimation in Terrestrial Laser Scanner Point Clouds. Proceedings of the 16th Computer Vision Winter Workshop
Schilling, A., Schmidt, A., Maas, H-G.
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2011: Topology Extraction Using Depth First Search on Voxel Representations of Tree Point Clouds. Proceedings of the ISPRS Workshop Laser Scanning 2011, Vol. 38, Part 5/W12
Schilling, A., Schmidt, A., Maas, H-G.
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2012: A Method for the Registration of Hemispherical Photographs and TLS Intensity Images. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXIX-B5, 245-249
Schmidt, A., Schilling, A., Maas, H-G.
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2012: Absorption of photosynthetically active radiation by a tropical rainforest in Indonesia, measurements and modelling. Proceedings of the International Conference Tropentag 2012, September 19-21, Göttingen, Germany
Propastin, P. & Panferov, O.
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2012: Principal Curves for Tree Topology Retrieval from TLS Data. Proceedings of SilviLaser 2012
Schilling, A., Schmidt, A., Maas, H-G.
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2012: Tree Topology Representation from TLS Point Clouds Using Depth-First Search in Voxel Space. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol. 78, No. 4, S. 383-392
Schilling, A., Schmidt, A., Maas, H-G.
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2013: Retrieval of remotely sensed LAI using Landsat ETM+ data and ground measurements of solar radiation and vegetation structure: implication of leaf inclination angle. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 25: 38-46
Propastin, P. & Panferov, O.
