Im Jahre 1970 wurde der Nationalpark Bayerischer Wald gegründet und ist damit der älteste Nationalpark Deutschlands. Ein wichtiges Grundprinzip des Nationalparks ist es, die Natur in allen Situationen selbst walten zu lassen und nicht in die natürlichen Prozesse einzugreifen. Dies beinhaltet sowohl die Bewahrung des Waldes in seiner ursprünglichen Form als auch das Nichteingreifen bei Naturkatastrophen wie Windwurf oder ähnlichen Wetterextremen.
Mitte der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts kam es zu einer extremen Massenvermehrung des Borkenkäfers (Ips typographus) in den Hochlagen des Bayerischen Waldes. Insbesondere waren das Gebiet rund um die Berge Rachel und Lusen betroffen.
Da die Vegetation in der Hochlagenregion fast ausschließlich aus Fichtenmonokulturen bestand und der Borkenkäfer diese bevorzugt befällt, verblieb fast kein einziger Baum des ehemaligen Bestands. Als zusätzlich negativer Faktor kam hinzu, dass der Wald schon vorher unter anderem durch sauren Regen geschwächt war. Um jedoch der Grundidee des Nationalparks treu zu bleiben, wurde im Kerngebiet nicht in den Prozess eingegriffen.
Dies löste bei der Bevölkerung teilweise Kritik an der Konzeption des Nationalparks aus. Bis heute spaltet sich die Bevölkerung der beiden an den Park angrenzenden Landkreise Freyung-Grafenau und Regen in Nationalbefürworter und Nationalparkgegner, was zu teilweise hitzigen Debatten führt. Während die Gegner die Zerstörung eines weitgehend intakten Ökosystems anprangern, stellen die Befürworter die entstandene Situation als Chance für den Wald dar, sich zu regenerieren und von alleine neu zu entwickeln.
Um eine objektive Einschätzung abgeben zu können, war es das Ziel dieser Arbeit, Luftaufnahmen eines Gebiets am Lusen mit einem Oktokopter aus der Luft aufzunehmen, Auswerteverfahren dafür zu entwickeln und anzuwenden, sowie ein virtuelles Modell des derzeitigen Bestands (2012) zu erstellen. Daraus wurde mithilfe eines Wachstumssimulationsprogramms eine möglichst realistische Prognose der zukünftigen Entwicklung des Waldgebiets berechnet und anschaulich grafisch dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielstellung
2 Methodik
2.1 Luftbildauswertung
2.1.1 Bilderfassung
2.1.1.1 Befliegung mit Flugzeug (Cessna)
2.1.1.2 Befliegung mit Oktokopter
2.1.2 Photogrammetrische Analyse
2.1.2.1 Begriffsdefinition
2.1.2.2 Das Photogrammetrieprogramm PhotoMod
2.1.2.3 Orthogonalisierung (Orthorektifizierung) der Luftbilder
2.1.2.4 Höhenmessungen aus den Oktokopteraufnahmen
2.1.3 Multispektralanalyse
2.1.3.1 Begriffsdefinition
2.1.3.2 Verwendete Indizes
2.1.3.3 Die Bildverarbeitungsplattform XDIBIAS
2.1.3.4 Matching der Multispektralaufnahmen
2.1.4 Klassifikation
2.1.4.1 Prinzipielle Vorgehensweise
2.1.4.2 Parallelpiped Klassifikation
2.1.4.3 Minimum-Distance Klassifikation
2.1.4.4 Mahalanobis-Distanz / Maximum-Likelihood Klassifikation
2.1.4.5 Entscheidungsbaum-Analyse (Decision Tree)
2.1.4.6 Durchführung der Klassifikation mit dem Programm ENVI
2.1.5 Segmentierung und Verbesserung der Klassifikation
2.1.5.1 Segmentierung durch Bildfilteroperationen
2.1.5.2 Segmentierung von Bäumen durch das Wasserscheidenverfahren
2.1.5.3 Texturanalyse
2.1.5.4 Erkennung von Formmerkmalen
2.2 Manuelle Waldinventur
2.3 Waldwachstumsprognose
2.3.1 Ansprüche an ein Waldwachstumssimulationsprogramm
2.3.2 Funktionsprinzip des Wuchsmodells in SILVA
2.3.3 Dateneingabe in SILVA
2.3.4 Einfluss verschiedener biotischer und abiotischer Faktoren auf die Simulation des Waldwachstums
3 Ergebnisse
3.1 Auswertung der Vegetationsindizes
3.2 Ergebnisse der multispektralen Klassifikation
3.2.1 Verfahrensoptimierung durch Festlegung von Grenzwerten
3.2.2 Vergleich der unterschiedlichen Klassifikationsverfahren
3.2.3 Erkennung von Nicht-Vegetation
3.2.4 Zeitlicher Verlauf der Vegetationsentwicklung
3.2.5 Spektrale Signaturen der Trainingsflächen
3.2.6 Zusammenfassung der Entscheidungsbaum-Analyse
3.3 Ergebnisse der Oktokopterbefliegung
3.4 Ergebnisse weiterer Segmentierungsversuche
3.4.1 Filteroperationen auf Luftbilder
3.4.2 Segmentierung durch das Wasserscheidenverfahren
3.5 Ergebnisse der manuellen Waldinventur
3.6 Ergebnisse der Wachstumssimulation in SILVA
3.6.1 Prognose des Baumbestandes am Lusen-Hochwaldsteig
3.6.2 Simulation abiotischer Faktoren auf die Waldentwicklung
4 Diskussion
4.1 Qualität der Multispektraldaten
4.2 Probleme bei der Oktokopterbefliegung
4.3 Messung von Baumhöhen aus der Luft
4.4 Messung des Kronendurchmessers aus der Luft
4.5 Limitationen von Waldmodellen
4.6 Ausblick: die visuelle Darstellung der Daten
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, Luftaufnahmen eines Gebiets am Lusen mittels Oktokopter zu gewinnen, darauf basierende Auswerteverfahren zu entwickeln und ein virtuelles Modell des aktuellen Bestands zu erstellen. Mithilfe eines Simulationsprogramms soll darauf aufbauend eine realistische Prognose der zukünftigen Waldentwicklung berechnet und grafisch visualisiert werden.
- Analyse von Vegetationsbeständen durch Luftbildauswerteverfahren
- Erprobung des Einsatzes von Oktokoptern für forstliche Fragestellungen
- Anwendung von Klassifikationsalgorithmen zur automatischen Baumerkennung
- Einsatz des Waldwachstumssimulationsprogramms SILVA
- Entwicklung von Methoden zur Visualisierung und Prognose der Waldentwicklung
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung und Zielstellung
Im Jahre 1970 wurde der Nationalpark Bayerischer Wald gegründet und ist damit der älteste Nationalpark Deutschlands. Ein wichtiges Grundprinzip des Nationalparks ist es, die Natur in allen Situationen selbst walten zu lassen und nicht in die natürlichen Prozesse einzugreifen. Dies beinhaltet sowohl die Bewahrung des Waldes in seiner ursprünglichen Form als auch das Nichteingreifen bei Naturkatastrophen wie Windwurf oder ähnlichen Wetterextremen. Auch Totholz wurde und wird konsequent liegen gelassen, die Flächen werden nicht aufgearbeitet.
Mitte der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts kam es zu einer extremen Massenvermehrung des Borkenkäfers (Ips typographus) in den Hochlagen des Bayerischen Waldes. Insbesondere waren das Gebiet rund um die Berge Rachel und Lusen betroffen (siehe Abb.1.1).
Da die Vegetation in der Hochlagenregion fast ausschließlich aus Fichtenmonokulturen bestand und der Borkenkäfer diese bevorzugt befällt, verblieb fast kein einziger Baum des ehemaligen Bestands. Als zusätzlich negativer Faktor kam hinzu, dass der Wald schon vorher unter anderem durch sauren Regen geschwächt war. Der Buchdrucker "verwüstete" das Areal regelrecht, es blieben lediglich kahle Baumstümpfe zurück. Um der Grundidee des Nationalparks treu zu bleiben, wurde im Kerngebiet nicht in den Prozess eingegriffen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielstellung: Diese Einleitung beschreibt die historische Ausgangslage im Nationalpark Bayerischer Wald nach Borkenkäferbefall und begründet die Notwendigkeit moderner Methoden zur Erfassung der Waldentwicklung.
2 Methodik: Hier werden die eingesetzten Verfahren erläutert, von der Bilderfassung per Flugzeug und Oktokopter über die photogrammetrische und multispektrale Analyse bis hin zur Waldwachstumsprognose mit dem Modell SILVA.
3 Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die Resultate der Vegetationsindizes, der verschiedenen Klassifikationsverfahren, der Oktokopterbefliegung, der manuellen Waldinventur sowie der durchgeführten Wachstumssimulationen.
4 Diskussion: Die kritische Auseinandersetzung beleuchtet die Qualität der Daten, die methodischen Limitationen der Bildanalyse und der Waldmodelle sowie Perspektiven für die zukünftige visuelle Datendarstellung.
5 Zusammenfassung: Der abschließende Abschnitt fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Eignung der Analysemethoden und die Ergebnisse der Waldentwicklungsprognose für das Untersuchungsgebiet zusammen.
Schlüsselwörter
Nationalpark Bayerischer Wald, Vegetationsentwicklung, Luftbildauswertung, Oktokopter, Multispektralanalyse, Klassifikation, Waldwachstumsprognose, SILVA, Borkenkäfer, Waldinventur, Photogrammetrie, Fernerkundung, Vegetationsindizes, Lusen, Entscheidungsbaum-Analyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Vegetationsentwicklung in den Hochlagen des Nationalparks Bayerischer Wald nach großflächigem Borkenkäferbefall unter Verwendung moderner Fernerkundungstechnologien.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Bildaufnahme mittels Oktokoptern, die computergestützte Klassifikation von Vegetationsdaten und die Modellierung zukünftiger Waldwachstumsprozesse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, ein virtuelles Modell des aktuellen Waldbestands zu erstellen, um darauf basierend eine realistische Prognose der zukünftigen Bestandsentwicklung grafisch zu simulieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen verschiedene Verfahren zur Anwendung, darunter Luftbildauswertung, multispektrale Klassifikationsalgorithmen, das Wasserscheidenverfahren zur Segmentierung und Waldwachstumssimulation mit der Software SILVA.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte Methodik zur Datenbeschaffung und -analyse sowie die umfangreiche Darstellung der Ergebnisse der Klassifikations- und Simulationsverfahren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Nationalpark Bayerischer Wald, Fernerkundung, Waldwachstumsprognose, Klassifikation und Luftbildauswertung.
Warum wurde die Vogelbeere nicht in der Wachstumssimulation berücksichtigt?
Die Vogelbeere ist in der verwendeten Demo-Version des Simulationsprogramms SILVA nicht als Baumart implementiert.
Welche Rolle spielte die manuelle Waldinventur für die Arbeit?
Die manuelle Inventur diente als Datengrundlage für die Wachstumssimulation und gleichzeitig zur Überprüfung der Ergebnisse der automatisierten Analysen.
Wie konnte das Problem der radiometrischen Verzerrung adressiert werden?
Das Problem konnte bei den verwendeten Aufnahmen nicht direkt behoben werden, was laut Autor die Notwendigkeit zukünftiger automatischer Korrekturverfahren oder verbesserter Kameraeinsätze unterstreicht.
- Arbeit zitieren
- Maximilian Zwiebel (Autor:in), 2012, Vegetationsentwicklung in den Hochlagen des Nationalparks Bayerischer Wald. Vom Luftbild über die Simulation zur virtuellen Darstellung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/302909
