Die direkte Verknüpfung des Lichtregimes und der Biodiversität in Wäldern - ein räumlich expliziter 3D-Modellierungsansatz auf der Grundlage von TLS, CNNs und Raytracing.

• Antragsteller: Dr. Julian Frey
• Fachliche Zuordnung: Forstwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448505589

Wälder sind Ökosysteme, welche grundlegend durch ihre dreidimensionalen Strukturen definiert werden. Wichtige physikalische Prozesse wie die Verfügbarkeit von Wasser und Licht und die Temperatur im Beständ werden maßgeblich durch die Struktur und Form des Kronendachs beinflusst. Von diesen physikalischen Prozessen hängen wiederum zahlreiche Ökosystemprozesse und -dienstleistungen wie Biomasseaufbau, Konkurrenzen zwischen Spezies oder Resistenz gegen Schädlinge ab. Wie genau und in welchem Umfang die Strukturen des Waldes diese Prozesse beeinflussen ist jedoch nur unvollständig erforscht. Die technischen Hürden beispielsweise den Einfall von Licht durch die Kronenstraten nicht nur punktuell, sondern in seiner ganzen zeitlichen und räumlichen Dynamik abzubilden, sind enorm. Modelle, die sich dieses Problems annehmen, haben bislang noch keine verlässliche kleinräumige Darstellung der Lichverfügbarkeit in echten Beständen erreichen können. Dies liegt zum einen daran, dass bislang die dreidimensionale Darstellung des Waldes nur unzureichend möglich war und zum anderen die Unterteilung der Biomasse entsprechend ihrer Transmissions- und Reflektionseigenschaften (Laub, Astwerk, Stamm, Baumarten) noch nicht ausreichend gelungen ist. Moderne terrestrische Laserscanningsysteme (TLS) erreichen inzwischen die Präzision, Verlässlichkeit und Geschwindigkeit, die eine detaillierte Aufnahme ganzer Bestände vertretbar machen. Gleichzeitig stehen mit faltenden neuronale Netze (convolutional neural networks, CNNs) effiziente Klassifizierungsmethoden fürPunktwolkendaten zur Verfügung . Ziel dieses Projektes ist es diese beiden Technologien zusammenzubringen, um auf der daraus resultierenden geanuen Beschreibung der Bestandesstruktur ein Raytraicing basiertes Lichtmodell zu erstellen, welches zeitlich wie räumlich die Verteilung und Qualität von Licht im Bestand beschreiben kann und erlaubt, darauf basierende ökologische Prozesse zu betrachten. In einem weiteren Schritt soll aus dem Strahlungshaushalt die Verteilung von Oberflächentemperaturen bestimmt werden. Hierzu werden auf 20 Untersuchungsflächen von je 1ha in Südwestdeutschland in Mittelgebirgswäldern TLS scans angefertigt und Referenzmessungen mit PAR Sensoren und Thermalbilder durchgeführt. Die Effekte unterschiedlicher Baumartendurchmischungen auf die Ausnutzung des verfügbaren Lichts in den unteren Waldstraten soll hiermit klassifiziert werden. Darüber hinaus werden Taxonomische Inventarisierungen (Gefäßpflanzen, Moose und Flechten, Insekten) genutzt, die auf den gleichen Flächen von Projektpartnern durchgeführt werden, um die direkten Einflüsse der physikalischen Prozesse auf das Arteninventar zu belegen und zu quantifizieren. Damit werden Teile der ökologischen Nischen der Arten auf den gleichen räumlichen wie zeitlichen Skalen beschrieben in denen die Arten vorkommen. Ziel ist ein funktionales Verständnis der Verbindung zwischen grundlegenden physikalischen und ökologischen Prozessen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen