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1 NEW technologies for a better mountain FORest timber mobilization Möglichkeiten und Grenzen der Fernerkundung Dr. Markus Hollaus TU Wien, Department für Geodäsie und Geoinformation, Forschungsgruppe Photogrammetrie Innsbruck 26. November 2013

2 Fernerkundungsmethoden in NEWFOR Flugzeuggetragenes Laserscanning Stereo-Luftbilder von UAVs Vortrag von Bernadette Sotier Flugzeugen Image matching Terrestrisches Laserscanning

3 Airborne Laserscanning (ALS) Direkte Messung eines Geländepunktes über Laufzeitmessung eines ausgesandten Impuls Kontinuierliche Bestimmung der äußeren Orientierung (Sensorposition u. stellung) mittels GPS und IMU Erdoberfläche wird Punkt für Punkt abgetastet (=gescannt) Laserpulsrate: Flughöhe: Höhengenauigkeit: Lagegenauigkeit 400 khz 0,5 6km, typ. 0,5 1,5km ~ 5 15cm < 50cm

4 Discrete versus full-waveform ALS Gauss sche Zerlegung Detektion der Echos mittels ausgleichenden Glockenkurven Information pro Echo: Amplitude P [DN] Entfernung R [m] Echobreite s p [ns] P s p M. Doneus, C. Briese, M. Fera, M. Janner: Archaeological prospection of forested areas using full-waveform airborne laser scanning"; Journal of Archaeological Science, 35 (2008), 4; Wagner, W., et al. (2006). "Gaussian decomposition and calibration of a novel small-footprint full-waveform digitising airborne laser scanner." ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 60(2): R

5 Full-waveform ALS Daten Entfernung Amplitude Orthophoto DSM Wagner, W., et al. (2008). "3D vegetation mapping using small-footprint full-waveform airborne laser scanners." Int. Journal of Remote Sensing 29(5): wide echo short echo Echobreite Rückstreuquerschnitt

6 FWF-ALS DTM Verbesserung Vorklassifizierung der Letztechos mittels Echobreiten Traditional DTM wide echo small bushes short echo DTM improvement: - removal of low vegetation Mücke (2008): Analysis of full-waveform airborne laser scanning data for the improvement of DTM generation. Diplomarbeit am IPF, TU-Wien.

7 Ableitung topographischer Modelle Landbedeckungsabhängige Oberflächenmodellerstellung (DSM) Offene Bereiche: Interpolation mit Glättung Kronendach: keine Glättung der Baumspitzen Digitales Geländemodell (DTM) Hierarchisch robuste Filterung beschreiben in Kraus and Pfeifer (1998), implementiert in dert SW Scop++ Normalisiertes digitales Oberblächenmodell (ndsm) ndsm = DSM DTM EO Data provided by the Landesvermessungsamt Feldkirch Hollaus, M., Mandlburger, G., Pfeifer, N. and Mücke, W., 2010: Land cover dependent derivation of digital surface models fromairborne laser scanning data. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and the Spatial Information Sciences. PCV 2010, Paris, France. Vol. 39 (3), 6. Kraus, K. and Pfeifer, N., 1998: Determination of terrain models in wooded areas with airborne laser scanner data. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 53 (4),

8 Vergleich von DSMs DSM kombiniert DSM all ersten Echos, moving planes

9 ndsms für Forstanwendungen Landesvermessungsamt Feldkirch

10 Waldabgrenzung??

11 Waldabgrenzung -Methode Mindesthöhe aus ndsm Echo Ratio zur Entfernung von Gebäuden Überschirmungsgrad Mindestbreite und Mindestfläche

12 Überschirmungsgrad -Beispiel Schwellwert: 30% Filterform: Kreis Filtergröße von 3x3 bis 31x31 Pixel Pixel > Schwellwert Pixel Schwellwert EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government

13 Überschirmungsgrad -Beispiel Schwellwert: 30% Filterform: Kreis Filtergröße von 3x3 bis 31x31 Pixel Pixel > Schwellwert Pixel Schwellwert EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government

14 Waldabgrenzung: Beispiele L. Eysn, M. Hollaus, K. Schadauer, N. Pfeifer: "Forest Delineation Based on Airborne LIDAR Data"; Remote Sensing, 4 (2012), 3;

15 Großglächige Anwendung Waldmaske für die Bezirke Schwaz, Kufstein, Kitzbühel 772 ALS Kacheln á 2,5 x 2,5 km Rechenzeit ~ 5 Tage (Core i7, 32 GB RAM) Eingangsdaten: Digital surface models (DSM) Normalized digital surface models (ndsm) slope adaptive Echoratio (ser) Verwendeted Software Download of Software and Documentation: EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government Methodenentwicklung in Kooperation mit dem BFW

16 Holzvorratsschätzung Modelle für Nadelwald, Laubwald, usw. Informationen aus Inventurdaten Informationen aus Punktwolken v v can,i n v stem.fi stem, fi = n i= 1 maps.live.com β v i can, i resultierende Modellparameter Baumvolumen der Baumhöhenschicht i Anzahl der Baumhöhenschichten Holzvorrat - ÖWI ALS data: Niederösterreichischen Landesregierung, Gruppe Baudirektion, Abteilung Vermessung und Geoinformation Hollaus, M., Mücke, W., Höfle, B., Dorigo, W., Pfeifer, N., Wagner, W., Bauerhansl, C. and Regner, B., 2009b: Tree species classification based on full-waveform airborne laser scanning data. Silvilaser 2009, October 14-16, College Station, Texas, USA. M. Hollaus, W. Wagner, K. Schadauer, B. Maier, K. Gabler: "Growing stock estimation for alpine forests in Austria: a robust lidar-based approach"; Canadian Journal of Forest Research, 39 (2009), 7;

17 Lagegenauigkeit: ALS versus FI Lageungenauigkeiten zwischen ALS und Waldinventur Stichprobendaten müssen so gering als möglich sein Sample plot centre Measured single tree positions Verbesserte Improved single tree Einzelbaumpositionen positions ndsm [m] W. Dorigo, M. Hollaus, W. Wagner, K. Schadauer: An application-oriented automated approach for co-registration of forest inventory and airborne laser scanning data; Int. J. of Remote Sensing, 31 (2010), 5;

18 Holzvorratskarte Holzvorrat m³/ha m³/ha m³/ha

19 Strukturabschätzung ALS Daten beschreiben die horizontale UND die vertikale Struktur Basierend auf dem ndsm (2,5D) der 3D Punktwolke

20 Schichtigkeit von Beständen Klassifikation in ein-, zwei-oder dreischichtige Bestände 1 layer 2 layers >2 layers V1 V2 V3 Tree height classes Tree position ( Maier, B. & Hollaus, M., 2008: Waldstrukturerfassung mittels Laserscanning im Schutzwald. Kleine Waldzeitung des Vorarlberger Waldvereines 3:9-11)

21 Struktur von Beständen Farbkodierte Schichtigkeitskarte Mehrschichtiger Wald (shrubs ~5m and high trees ~30m)

22 Veränderungsdetektion DSM DSM 2002 < -5.0m m m m 2.5 x 2.5 km > 5.0m

23 Änderung des Holzvorrats ( )

24 Veränderungsdetektion

25 ALS Wiederholungsaufnahmen

26 Bodenrauigkeit aus ALS Daten Stddev. of normalized heights [m] > 0.5 m 0.0 m

27 Liegendes Totholz II I III I II III

28 Detektion von Forststraßen

29 Forststraßen aus ALS Punktwolken ~ 1-10 p/m² Große Datenmengen Komplexe Algorithmen Exakte Geometrie Zugang zu Punktwolken kann problematisch sein

30 Forststraßen: Ränder & Achse EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government 30

31 Forststraßen: Längsneigung Attribute table Width Slope Radius Class EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government

32 Forststraßen: Breite & Kurvenradien Straßenbreite Kurvenradien EO Data provided by the department of Geoinformation of the Tyrol state government

33 Aufnahme von Luftbildern Matching Überlappung in Längs- und Querrichtung erforderlich Luftbilder: P A S S I V E ALS: A C T I V E

34 Image Matching Oberflächenmodell Folgende Arbeitsschritte sind erforderlich: Auswahl von Bildpunkten Auffinden von korrespondierenden Punkten in 2 oder mehr Bildern (= Image Matching räumliche Verschneidung 3D Punkt) Generierung der Oberfläche aus den gematchten Bildpunkten Image 1 Image 2 DSM spatial intersection Vaihingen, DMC, 8cm, #71+73

35 Detail: CIR-OP width 135 m

36 ALS, 1m grid Beispiel: Vaihingen/Enz

37 Beispiel: Vaihingen/Enz Image matching (Match-T, SGM, PAN), fusion result, 20cm grid

38 Differenz: SGM-Fusion minusals Photo: 27. July ALS: 21. August

39 ALSversus Image Matching

40 ALSversus Image Matching

41 UAV: Pilot Area Montafon

42 UAV: Pilot Area Montafon Digitales Oberflächenmodell ALS UAV: Agisoft

43 UAV vs. ALS: Pilot Area Montafon Agisoft Pointcloud ALS

44 Terrestrisches Laserscanning Blattkarten TLS Winkelinkremente und Entfernungen / Intensitäten können als 2D Karte dargestellt werden Horizontal increments rvertical increments

45 3D Baumskelett aus TLS Daten

46 Zylindermodelle

47 Kombination von ALS & TLS

48 Zylindermodelle + TLS Punktwolke

49 Nadelanordnung Punktwolke Model ELMF 2013, November Amsterdam, The Netherlands

50 Modellierung von Einzelbäumen Datenaufnahme Mehrere Scanpositionen im Feld Scannen der Nadel- bzw Laubform im Labor Baummodellierung Digitalisierung der Baumstruktur Klonen von gescannten Nadelbzw. Laubzweigen

51 Zusammenfassung ALS Daten sind eine ausgezeichnete Datenquelle für Forstanwendungen Für Österreich stehen Daten großteils zur Verfügung Erste landesweite Wiederholungsbefliegung in Vorarlberg bereits erfolgt Alternative: Image Matching Informationsgehalt teilweise unterschiedlich im Vergleich zu ALS Einzelbaum / Bestand UAV interessante Aufnahmemethode für kleinräumige Gebiete Vortrag von Bernadette Sotier Terrestrisches Laserscanning: Datenaufnahme für Stichproben / Testflächen? 51

52 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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