3D Vegetationskartierung: flugzeuggestütztes Laserscanning für ein operationelles Waldstrukturmonitoring

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1 3D Vegetationskartierung: flugzeuggestütztes Laserscanning für ein operationelles Waldstrukturmonitoring R. Leiterer, F. Morsdorf, M.E. Schaepman, W. Mücke, N. Pfeifer, M. Hollaus Remote Sensing Laboratories University of Zurich Institute of Photogrammetry & Remote Sensing Vienna University of Technology 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 1

2 Waldstrukturmonitoring Warum eigentlich? Indikator für: Produktivität (z.b. Bestandesdichte) Widerstandsfähigkeit (z.b. Krankheiten, Sturmschäden) Biodiversität (z.b. Artenanzahl) Habitatbeurteilung (z.b. Totholz) Ökosystemänderungen 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 2

3 Operationalität Warum eigentlich? Operationelle Fernerkundungsmethoden: flächendeckend geringer Zeitaufwand kosteneffizient wiederholbar robust und übertragbar Einschränkungen durch: Stichprobenverfahren Zeitaufwand Kosten Wiederholbarkeit Subjektivität [Foody 2010, Haara & Leskinen 2009, Strand et al. 2002, Saatchi & Moghaddam 2000] Bundeswaldinventur: alle 10 Jahre [BMELV 2011: Aufnahmeanweisung für die dritte Bundeswaldinventur ( )] 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 3

4 Inhalt Einleitung Methoden Ergebnisse Zusammenfassung & Ausblick 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 4

5 Einleitung: flugzeuggestütztes Laserscanning - aktive Fernerkundungsmethode - basierend auf Laufzeitmessungen - Ortsbestimmung (x,y,z) des reflektierenden Objektes - physikalische Beschreibung des Objekts möglich [Persson et al. 2005] 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 5

6 Einleitung: Laser Scanning Warum eigentlich? [Image courtesy of AGIS 2012] [Cloude 2006] [Morsdorf 2012] multi-/ hyperspektrale Systeme SAR Systeme Laser Scanning 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 6

7 Methoden: Anforderungen - automatisch, robust, übertragbar - kein Training und/ oder Kalibration notwendig - physikalisch basierter Ansatz - ausschließlich Verwendung von ALS Daten - Parametrisierung -> minimale Baumhöhe: 3 m Signifikanzlevel: 5% räuml. Auflösung des Grids: 1 m 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 7

8 Methoden: Laserscanning Daten wavelength [nm] pulse frequency [Hz] scan angle [deg] mean operating altitude above ground [m] mean diameter of footprint in nadir [m] LMS-Q nm Hz ± 15 deg 500 m 0.25 m LMS-Q680i mean ground point / echo density [pts/ m 2 ] 20 pts/m 2 40 pts/m 2 date/time of acquisition (12:37-14:05 UTC) (12:46-14:29 UTC) [Lemmens 2009, Wagner et al. 2008, Hug et al. 2004] 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 8

9 Methoden: Daten für die Validierung [Image courtesy of AGIS 2012] Terrestrisches Laserscanning Luftbilder Digitale Hemisphärische Fotografien, Forstinventur 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 9

10 Methoden: Prozessierung der Punktwolke - Erstellung von Gelände-, Höhen- und Vegetationshöhenmodell 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 10

11 Methoden: Prozessierung der Punktwolke - Bestimmung der Baumpositionen - Clustering der Punktwolke auf Einzelbaumebene 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 11

12 Methoden: Prozessierung der Punktwolke Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 12

13 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 13

14 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronenbasis [m] Kronenfläche [m 2 ] Kronenlänge [m] Kronenbedeckungsgrad [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald -> 0.6 m (mittlerer Fehler) Unterwuchsbestimmung Baum-/ Stamm-/Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 14

15 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 15

16 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m]??? Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 16

17 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] -> 2.8 m (mittlerer Fehler) Kronenlänge [m] -> 2.6 m (mittlerer Fehler) Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 17

18 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald -> r 2 : > OA: 89.7% Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition -> Detektion: 78% 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 18

19 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Ground properties -> r 2 : 0.78 non vegetated non-photosynthetically active vegetation vegetation < 20 cm a.g. vegetation cm a.g. vegetation > 50 cm a.g. Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition -> Detektion: 78%, OA: 57% 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 19

20 Ergebnisse: Genauigkeiten der Strukturvariablen Baumhöhe [m] Kronenoberfläche [m 2 ] Kronendurchmesser [m] Kronenvolumen [m 3 ] Kronentraufe [m 2 ] Kronenbasis [m] Kronenlänge [m] Kronendichte [%] Unterscheidung Nadel- / Laubwald Unterwuchsbestimmung Baum-/ Kronenposition -> commission error: 5.2%, omission error: 13.1% 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 20

21 Ergebnisse: 3D Vegetationskartierung 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 21

22 Zusammenfassung Es IST möglich: automatisch, robust und übertragbar Waldstrukturparameter mit ALS Daten abzuleiten! bei der Ableitung dieser Strukturvariablen Genauigkeiten zu erreichen, die den Anforderungen der traditionellen Forstinventur genügen! Aber: wir brauchen die entsprechenden Datensätze (belaubt/ unbelaubt, hohe Punktdichte, )! die Übertragbarkeit wurde bisher nur auf eine kleine Auswahl an Waldtypen durchgeführt! 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 22

23 Zusammenfassung Gebt uns Daten wir geben euch die 3D Rekonstruktion! 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 23

24 Ausblick Datenfusion: SAR Tomographie hyperspektrale Daten Integration in Ökosystemmodellierung (DGVM, forest gap models) 10/12/2012 AK Fernerkundung/ Interpretation von Fernerkundungsdaten - Sitzung 2012 Bochum 4./5. October Page 24

25 Danke für die Aufmerksamkeit! R. Leiterer, /12/2012 Page 25