Von ertragskundlichen Versuchen zur interdisziplinären Waldforschung

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1 88 Von ertragskundlichen Versuchen zur interdisziplinären Waldforschung Annett Degenhardt und Torsten Hass 1 Versuchsflächendaten aus mehr als 100 Jahren Beobachtungszeit Für die Bearbeitung forstlicher Fragestellungen betreut und verwaltet das Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde (LFE) als Betriebsteil des Landesbetriebes Forst Brandenburg fast 1000 Versuche mit über 2500 häufig sehr langfristig beobachteten Einzelflächen (teilweise seit 1870), von denen mehr als 800 Flächen noch unter aktueller Beobachtung stehen. Zur Erfassung der zeitlichen Entwicklung der Versuchsflächen erfolgen Beobachtungen, Messungen bzw. Analysen in Abständen von einem Jahr bis zu 20 Jahren. Je nach Aufgabenstellung werden dabei verschiedenste forstlich relevante Parameter erhoben. Über die langen Beobachtungszeiträume von teilweise weit mehr als 100 Jahren wechselten notwendigerweise mehrmals die Bearbeiter. Außerdem haben sich im Laufe der Zeit die konkreten Zielstellungen der Waldbewirtschaftung bzw. forstlichen Forschung immer wieder verändert. Um den jeweils aktuellen Zielstellungen in der praktischen Waldbewirtschaftung gerecht zu werden, mussten Versuche angepasst bzw. bei Bedarf auch neue Versuchsflächen angelegt sowie neue Untersuchungsmethoden und Messtechniken eingesetzt werden. Die Einführung modernerer Verfahren führte in der Folge immer wieder dazu, dass größere Datenmengen erhoben, die Daten genauer bestimmt, aber auch zusätzliche Größen erfasst werden konnten (Abb. 1 und 2). Damit verbunden ist dementsprechend ein kontinuierlich steigender Aufwand für die Ablage, Verwaltung und Pflege der erhobenen Daten. Fernerhin erfordert die zunehmende Komplexität der forstlichen Fragestellungen einerseits die Bearbeitung durch hochspezialisierte Fachteams, andererseits aber auch eine verstärkte interdisziplinäre Zusammenarbeit über die Institutsgrenzen hinaus. Die Bearbeitung durch drittmittelgeförderter Projekte führt verstärkt dazu, dass unterschiedlichste Akteure verschiedenster Institutionen meist aber nur für sehr kurze Zeit auf den Flächen tätig sind. Ohne strukturierte Datenverarbeitungsstandards musste nach Ablauf der Projektlaufzeiten immer wieder sehr aufwändig nach den erhobenen Daten gesucht, im schlimmsten Fall sogar mit Verlusten gerechnet werden. Aktuelle, schnell verfügbare systematische Datenübersichten sind jedoch eine wichtige Grundlage für die Zusammenarbeit mit der Forstpraxis und der Forstpolitik, aber auch für zukünftige Forschungskooperationen. So ist man bei der Bearbeitung der Versuchsflächen dringend auf die Unterstützung durch die örtlichen Bewirtschafter angewiesen. Um gemeinsame Maßnahmen auf den Flächen zu planen, sind neben der genauen Lage der Fläche auch Informationen aus den bisherigen Untersuchungen Abb. 1: Aufnahmebogen aus dem Jahr 1887 Abb. 2: Moderne Messtechnik auf Level II-Flächen (Foto: R. Barth 2008)

2 89 notwendig. Andererseits dienen die Versuchsflächen als gemeinsame Demonstrationsobjekte, an denen sich Forschungsergebnisse direkt in die Praxis übertragen lassen. Aussagekräftige Versuchsflächenstatistiken dienen immer häufiger auch als Argumentationsgrundlage bei politischen Entscheidungen wie beispielsweise aktuell bei der Genehmigung von Windkraftanlagen im Wald. Nicht zuletzt bilden die Versuchsflächen die Grundlage für eine interdisziplinäre Forschung und tragen wesentlich dazu bei, die Kooperationsfähigkeit mit anderen Einrichtungen zu sichern. Auf Grund der Komplexität der Daten war es jedoch nicht mehr möglich, alle auf den Versuchsflächen erhobenen Messwerte so zu verwalten und zu systematisieren, dass sie den an den Untersuchungen beteiligten Fachteams, aber auch den unterschiedlichsten potentiellen Nutzern über zentrale Datenbanksysteme zur Verfügung gestellt werden konnten. Aus diesem Grund hat man sich für die Entwicklung eines zentralen Metadatensystems entschlossen, das nur allgemein beschreibende Informationen zu Versuchsflächen und den auf ihnen erhobenen Daten, wie beispielsweise die Art der Messungen, die Zeitpunkte der Untersuchung, den Ort bzw. die Art der Ablage der Messreihen sowie den jeweiligen Ansprechpartner, einbezieht. Ohne jeden Messwert digital verfügbar zu machen, kann somit dennoch eine schnelle Abfrage darüber garantiert werden, wer wann welche Daten auf den Versuchsflächen erhoben hat und wo diese abgelegt sind. Mit der Digitalisierung und Georeferenzierung der zu den Versuchsflächen vorliegenden Lageinformationen sollten diese Daten schließlich über das Geoportal des Landesbetriebs Forst Brandenburg allen interessierten Nutzern internetweit in einfacher Weise zur Verfügung gestellt werden. Finanziert wurde dieses Vorhaben durch Mittel aus dem Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und der Förderung von Landesprojekten zum Aufbau der Geodateninfrastruktur Brandenburg. 2 Die Versuchsflächen Metadatenbank Wie auch in anderen forstlichen Institutionen (Röhle et al. 2000, Weiss 2002) hatte man in Eberswalde vor mehr als 10 Jahren begonnen, alle Versuchsflächendaten in zentralen Datenbanken auf einem MS SQL-Server zusammenzufassen (Degenhardt 2005). Dabei bestand des Ziel, alle bisher in Text- und Tabellen-Dateien abgelegten Versuchsflächendaten in diese Datenbanken zu übertragen, noch analog erfasste Informationen wie z. B. Bestandesbeschreibungen, Literaturquellen und Fotos zu digitalisieren sowie Verfahren zu entwickeln, mit denen Daten aus elektronischen Messgeräten automatisch in die Datenbanken übernommen werden können. Beispielsweise lassen sich Daten der Forstlichen Umweltkontrolle über Datenlogger direkt in Datenbanken schreiben (Barth et al. 2001), Daten aus elektronischen Kluppen und Feldrechnern werden mit angepassten Programmen übertragen. Dennoch ist es nicht gelungen, die sehr vielfältigen, in verschiedensten Datenstrukturen vorliegenden Messwerte aus sich immer wieder ändernden Untersuchungsmethoden Abb. 3: Struktur der Metadatenbank

3 90 in diese Datenbanken vollständig einzuarbeiten. Aufgrund der Komplexität der Versuchsflächendaten schien schließlich nur zweckmäßig, zu den vielfältigen Untersuchungen ausschließlich das gemessene Merkmal zu beschreiben, das Messdatum anzugeben sowie die Anzahl der dazu vorliegenden Messwerte zu ermitteln und geeignet in einer Metadatenbank zu verwalten. Trotz des Verzichts auf vollständige Messreihen sollte die Datenbank so aufgebaut werden, dass eine fachgerechte Versuchsflächenrecherche möglich bleibt. Beim Entwurf der Datenbankstruktur (Abb. 3) sowie bei der Entwicklung der Algorithmen und Programme zur Datenverwaltung und zur Datenabfrage war insbesondere zu beachten, dass die interessierenden Informationen sehr unterschiedlich strukturiert sind. Es sollten einerseits Merkmale berücksichtigt werden, die für alle Versuchsflächen vorliegen, einmal bestimmt wurden und über den gesamten Beobachtungszeitraum unverändert bleiben. Dazu zählen beispielsweise die Versuchsflächenbezeichnung, eine Versuchsflächen-Charakteristik, die Größe der Fläche oder das Jahr der Begründung. Demgegenüber sind andere Merkmale zwar für alle Flächen verfügbar, aber oftmals zeitlich veränderlich wie z. B. die auf der Fläche stockenden Baumarten, der Ansprechpartner oder der Beobachtungsstatus der Fläche. Schließlich sollten auch Informationen darüber abgelegt werden, die die verschiedensten auf den Versuchsflächen durchgeführten Beobachtungen, Messungen und Analysen beschreiben. Diese sind sehr vielfältiger Art, werden je nach Versuchszielstellung für die einzelne Versuchsfläche ausgewählt, können einmalig aber auch mehrmalig durchgeführt worden sein, erfassen Bestandes- oder Einzelbaummerkmale und können sowohl einzelne Werte als auch umfangreiche Messreihen beinhalten. Zu den schon sehr lange und auch heute noch sehr häufig auf den Versuchsflächen erhobenen Merkmalen zählen vor allem waldwachstumskundliche Parameter wie Baumdurchmesser, Höhen, Baumkoordinaten, Kronenansätze, Kronenradien, Sektionsmessungen. Zunehmend spielen Parameter zur Charakterisierung der Qualität und Vitalität von Beständen eine Rolle wie beispielsweise Wasserhaushalts- und Witterungsparameter, aber auch Boden-, Nadel-, und Blattanalysen. Zu großen Datenmengen führen dagegen die immer häufiger eingesetzten Verfahren der Fernerkundung. Nicht zuletzt tragen auch verbale Beschreibungen der Flächen und Fotos zum Gesamtbeurteilung der Flächen bei. Um die Metadaten nicht vollständig neu erfassen zu müssen, sind Algorithmen entwickelt worden, die die gewünschten Informationen aus den existierenden Datenbanken extrahieren bzw. aggregieren und automatisiert in die Metadatenbank übertragen. Mit Hilfe solcher Algorithmen sollen zukünftig auch die Datenbankaktualisierung vorgenommen werden. Für noch analog oder nicht systematisiert vorliegende Daten wurden zusätzlich Programme entwickelt, die eine Ergänzung von Metadaten auch per Hand ermöglichen (Abb. 4). Neben der Übertragung, Pflege und manuellen Eingabe von Versuchsflächendaten waren mit der Metadatenbank nun auch verschiedene Möglichkeiten der Abfrage von Versuchsflächeninformationen geschaffen. Beispielsweise lassen sich katalogartige detaillierte Beschreibungen der einzelnen Versuchsflächen anzeigen oder Flächen nach speziellen Merkmalen selektieren. Tabelle 5 Abb. 4: Oberfläche zur manuellen Ergänzung von Analysedaten

4 91 zeigt beispielsweise das Ergebnis einer Suche nach Versuchsflächen, auf denen die Kronen von Buchen vermessen wurden. Durch die einfache Verknüpfung aller Versuchsflächeninformationen wird diese Datenbank insbesondere zur Suche nach passenden Daten und Flächen bei neuen Aufgabenstellungen bzw. Forschungsprojekten eingesetzt, so dass oft aufwändige Neuanlagen und Wiederholungsaufnahmen weitgehend vermieden werden können. 3. Bereitstellung im Geoportal des LFB Der Landesbetrieb Forst verfügt über einen thematisch vielfältigen und technisch großen Fundus an raumbezogenen Daten, der über das seit 2005 in Betrieb befindliche, browserbasierte GIS-Viewersystem WEBGIS (Ahrndt und Hass 2006) in mehr als 20 verschiedenen Geo- und Sachdatenebenen intranetweit zur Verfügung steht. Neuere Technologien ermöglichten jetzt auch eine internetweite Bereitstellung dieser Informationen. Motiviert durch die Möglichkeit einer Förderung aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) zum Aufbau einer Geodateninfrastruktur in Brandenburg hatte man sich für den Aufbau eines Geodatenportals des Landesbetriebes Forst Brandenburg entschieden, über das die oben beschriebene Geodaten des LFB in intuitiver Weise barrierefrei, kartografisch ansprechend präsentiert und über OGC-konforme Dienste wie WMS, WFS und WCS anderen Applikationen innerhalb und außerhalb der Forstverwaltung angeboten werden können. Nach Abschluss der Projekte 2013 bietet das Portal neben der Forstgrundkarte und der Standortskarte umfangreiche raumbezogene Informationen zu den Waldgebieten und den Waldfunktionen in Brandenburg. Integriert sind ebenfalls historische Daten wie die Schmettauschen Karten ( ) oder die Karten der Preußischen Landesaufnahme ( ) (Verch et al. 2013). Ziel war es daher, die Versuchsflächen Metadaten über dieses Portal ebenfalls externen Nutzern verfügbar zu machen. Mögliche praktikable Lösungen wurden beispielsweise schon durch das Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft Wien (BFW) (Neumann et al. 2006) (Abb. 6, siehe folgende Seite) bzw. das Projekt Establishment of a European information system on forest genetic resources (EUFGIS) (Koskela 2007) (Abb. 7, siehe folgende Seite) aufgezeigt. Verbunden mit geografischen Informationen werden Daten, Beschreibungen, Fotos oder Ergebnisse in einfacher Form über das Internet dargeboten. Um die Versuchsflächeninformationen im Geoportal integrieren zu können, war zunächst der geografische Bezug herzustellen. Zu den älteren Versuchsflächen lagen dazu meist per Hand gefertigte Lageskizzen vor (Abb. 8, siehe folgende Seiten), die im Einzelnen digitalisiert werden mussten. Zu den neueren Flächen existierten teilweise schon exaktere Informationen aus GPS-Messungen, Luftbildern oder Kartenausschnitten. Insgesamt wurden die geografischen Koordinaten von mehr als 2500 Versuchsflächen erfasst, mit den zugehörigen Metadaten verknüpft und über OGC-konforme Dienste im Portal integriert (Abb. 9, siehe folgende Seiten). Durch die spezielle Anpassung der Bedienoberfläche des Geoportals können nun spezielle Versuchsflächenabfragen direkt über das Internet zur Verfügung gestellt werden. Parameter Baumart Versuchsfläche Datum Anzahl Bäume mittlerer Kronenradius Kronenradien RBU CHORIN ,38 Kronenradien RBU CHORIN ,47 Kronenradien RBU EBERSWALDE 16/17 (1) ,06 Kronenradien RBU EBERSWALDE 16/17 (4) ,27 Kronenradien RBU EBERSWALDE 45 (1) ,33 Kronenradien RBU EBERSWALDE 45 (2) ,16 Kronenradien RBU FREIENWALDE 34 (1) ,64 Kronenradien RBU GROß ZIETHEN 220b ,59 Kronenradien RBU GROß ZIETHEN 220b ,33 Kronenradien RBU KAHLENBERG ,76 Kronenradien RBU KAHLENBERG ,43 Kronenradien RBU KAHLENBERG ,65 Kronenradien RBU KAHLENBERG ,8 Kronenradien RBU LYCHEN 155c ,91 Kronenradien RBU LYCHEN 23a ,43 Kronenradien RBU LYCHEN 23c ,27 Kronenradien RBU LYCHEN 6b ,61 Kronenradien RBU MAIENPFUHL 166a3 (305) ,41 Kronenradien RBU ZERPENSCHLEUSE 3274a ,85 Kronenradien RBU ZERPENSCHLEUSE 3298a ,62 Tabelle 5: Auswahl von Versuchsflächen, auf denen Kronenradien für die Buche gemessen wurden

5 92 Abb. 6: Das Online-Informationsystem der österreichweiten Dauerversuchsflächen ( rz/bfwcms.web?dok=4477) Abb. 7: Das EUFGIS-Portal ( /maps.html)

6 93 Neben der Bereitstellung einfacher Informationen zur Versuchsfläche über ein Popup-Fenster lassen sich alle in der Metadatenbank zusammengeführten Versuchsflächendaten über Steckbriefe anzeigen. Diese Steckbriefe gliedern sich in Abhängigkeit vom vorhandenen Datenumfang in maximal sechs Teilbereiche. Beim Öffnen eines Steckbriefes zu einer ausgewählten Fläche werden in einem ersten Bereich (Abb. 10.1, siehe folgende Seite) immer allgemeine Informationen zur Versuchsfläche, wie die Bezeichnung, Beschreibungen und Charakteristiken, die Größe, das Anlagejahr, der Status, die Baumarten, aber auch das Sachgebiet sowie der Verantwortliche als Ansprechpartner aufgelistet. Daneben können in einem weiteren Teilbereich (Abb. 10.2, siehe folgende Seite) verbale Angaben zu den Versuchsflächen, die beispielsweise als Bestandesbeschreibungen oder Bewirtschaftungsmaßnahmen notiert wurden, eingesehen werden. Die Berichtsseite Analysen im Bestand (Abb. 10.3, siehe folgende Seite) enthält eine Auflistung Abb. 8: Lageskizze zum Versuch Eberswalde 16/17 aller für die gesamte Versuchsfläche vorgenommenen Untersuchungen wie beispielsweise Messungen zur Witterung, zum Wasserhaushalt, zum Boden oder zum Streufall. Zusammengefasst sind die Analysen je Jahr. Dazu werden die gemessenen Merkmale, die Anzahl der Messungen und Messwertaggregationen dargestellt. Ähnlich aufgebaut ist die Seite Analysen an Bäumen (Abb. 10.4, siehe folgende Seite), auf der die für Einzelbäume erfassten Messungen dargestellt werden. Gegliedert nach dem Analysejahr und der untersuchten Baumarten werden die erfassten Merkmale, die Anzahl der zugehörigen Messungen sowie ein aggregierter Messwert aufgelistet. Wenn Bilddaten vorliegen, werden auf zwei weiteren Seiten des Steckbriefes Fotos und Lageskizzen angezeigt. Neben den Steckbriefen, die Informationen zu jeder Versuchsfläche liefern, sind auch verschiedenen Filterfunktionen integriert. Standardmäßig lassen sich dadurch Flächen nach Sachgebieten, nach den auf den Flächen erhobenen Parametern und dem Status der Fläche auswählen (Abb. 11, siehe folgende Seiten). Zusätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, individuell Filter zu erzeugen, die nach Versuchsflächen mit ganz speziellen Merkmalen suchen. Durch die Möglichkeit der einfachen Kombination mit den im Geoportal standardmäßig bereitgestellten Datenthemen (Abb. 12, siehe folgende Seiten) sind die Grundlagen für interdisziplinäre Datenanalysen gegeben. Zusätzlich lassen sich aber auch eigene Dienste oder andere öffentlich zugängliche Dienste in das Portal laden. Mit der Integration der Versuchsflächen in das Geoportal des LFB steht ein modernes Werkzeug zur effektiveren Planung und Auswertung der Versuche zur Verfügung. Abb. 9: Einbindung der Versuchsflächen in das Geoportal des LFB

7 94 Abb. 10.1: Steckbrief allgemeine Informationen Abb. 10.2: Steckbrief verbale Informationen Abb. 10.3: Steckbrief Analysen im Bestand Abb. 10.4: Steckbrief Analysen an Bäumen Abb. 11: Filterung entsprechend des Status der Versuchsflächen

8 Die überall und jederzeit verfügbare Flächenübersicht vereinfacht die Kommunikation mit den Partnern in der Praxis, der Forschung und Politik. Es erleichtert einerseits die Recherche nach fachbezogenen Daten und ermöglicht andererseits die Nachfrage nach den zu den Versuchsflächen detailliert vorliegenden Messreihen. Mit der Bereitstellung von Versuchsflächendaten auch für externe Nutzer wird das Portal dazu beitragen können, Synergien zwischen einzelnen Sachgebieten, Behörden bzw. Institutionen aufzuzeigen, Forschungsaufgaben besser zu koordinieren sowie die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu fördern. Bei erfolgreicher Nutzung des Portals erhofft man sich aber auch eine Beispielwirkung, die andere forstliche Versuchs- und Forschungseinrichtungen motiviert, ihre Versuchsflächen in ähnlicher Weise zu präsentieren bzw. deren Messreihen zur Verfügung zu stellen. Das Geoportal des LFE ist unter der Adresse brandenburg-forst.de aufzurufen. Die Dienste zu den Versuchsflächen sind unter folgender Serveradresse erreichbar. Sie können in alle, die OGC-Norm unterstützenden kommerziellen und Opensource GIS-Desktop oder GIS-Mobilsysteme eingebunden und für individuelle Fragestellungen oder Druckausgaben verwendet werden. Die Beschreibungen der erstellten Geodatensätze und Geodatendienste (Metadaten gemäß Artikel 3 Nr. 6 der INSPIRE-Richtlinie) sind im PortalU erfasst und darüber nutzbar. 95 Literatur Barth, R.; Becker, F.; Böttiger, A.; Einert, P.; Häussler, D.; Kallweit, R.; Kätzel, R.; Konopatzky, A.; Lessner, C.; Nagel, H.-D.; Rieck, W.; Strohbach, B.; Wolff, B.: Forstliche Umweltkontrolle Ergebnisse aus zehnjährigen Untersuchungen zur Wirkung von Luftverunreinigungen in Brandenburgs Wäldern. Landesforstanstalt Eberswalde (Hrsg.), Henrik Bäßler Verlag, Berlin, 2001 Degenhardt, A.: Datenmanagement im forstlichen Versuchswesen. Bericht zur 17. Tagung der Sektion Forstliche Biometrie und Informatik des DVFFA, Freiburg, , Tagungsbericht, S , 2005 Ahrndt, J.; Hass, T.: Informationen zum Karten- und Geodatenwerk der Landesforstverwaltung Brandenburg. Eberswalder Forstliche Schriftenreihe, Band XXVI, S , 2006 Koskela, J.: European Information System on Forest Genetic Resources (EUFGIS). URL: Stand , 2007 Neumann, M.; Kristöfel, F.; Rössler, G.; Ruhm, W.: Online-Informationen der österreichweiten Dauerversuchsflächen. URL: Stand: , 2006 Abb. 12: Kombination von Forstgrundkarte, Standortskarte, Waldfunktionen und Versuchsflächen

9 96 Röhle, H.; Gerold, D.; Körner, K.: Interaktive waldwachstumskundliche Auswertung mit der Tharandter Versuchsflächendatenbank. In: Forstwissenschaft Modell für Interdisziplinarität. Forstwissenschaftl. Tagung 2000, Freiburg, S. 201, 2000 Verch, C.; Gross, J.; Ahrndt, J.: Waldentwicklung online: Die Waldflächen des Landes Brandenburg im Spiegel der Zeit, Eberswalder Forstliche Schriftenreihe, Band XXXXI, S , 2013 Weiss, M.: Aufbau einer Datenbank für die ertragskundlichen Versuchsflächen in Bayern. Deutscher Verband Forstlicher Forschungsanstalten, Sektion Forstliche Biometrie und Informatik, Tharandt, , Tagungsbericht, S , 2002