ArcGIS Applikation zur 3D-Datenerfassung im Landesforstinventar der Schweiz

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1 ArcGIS Applikation zur 3D-Datenerfassung im Landesforstinventar der Schweiz Heidi HASTEDT, Rolf MEILE und Christian GINZLER Zusammenfassung Mit dem Landesforstinventar (LFI) werden Zustand und Veränderung des Schweizer Waldes erfasst. In der Schweiz erfolgt die Datenerhebung als zweistufige Stichprobeninventur, wobei der terrestrischen Feldbegehung immer eine Luftbildinterpretation vorangestellt ist. Für eine wirtschaftliche und effiziente Interpretation ist es erforderlich, den Interpretinnen und Interpreten eine geeignete automatisierte Applikation zur Verfügung zu stellen, die alle administrativen Aufgaben übernimmt, geeignete Tools zur Datenerhebung und -editierung bereitstellt und eine vollständige 3D-Datenerfassung mittels Stereoauswertung zur Verfügung stellt. Mit der vorliegenden Arbeit wird eine ArcGIS Applikation 'LFI 3D GIS' vorgestellt, welche die 3D-Datenerfassung unter Nutzung von ERDAS Stereo Analyst for ArcGIS, Oracle Datenbank mit Spatial Option und ArcSDE für das Landesforstinventar der Schweiz vorstellt. Sie erfüllt alle Kriterien einer wirtschaftlichen und modernen Interpretation in einer bekannten Arbeitsumgebung, stellt alle Daten und Attribute für den Anwender zur Verfügung, bietet verschiede Tools zur Digitalisierung und Editierung von Features und übernimmt Datenkonsistenzprüfungen und -speicherung. 1 Einleitung 1.1 Einsatzgebiet Landesforstinventar LFI Die Schweiz ist zu 30 % bewaldet. Dieser Wald ist ein wichtiger Lebensraum für Tiere und Pflanzen, er liefert Holz, bietet Schutz vor Naturgefahren und dient als Freizeitraum. Eine nachhaltige Nutzung und der Schutz des Waldes erfordern objektive Informationen (LFIWEB 2009). Mit dem Landesforstinventar werden Zustand und Veränderung des Schweizer Waldes erfasst. In den Jahren erfolgten drei periodische Erfassungen (LFI 1-3), mit dem Jahr 2009 wird auf eine kontinuierliche Erfassung gewechselt. Beim LFI handelt sich um eine zweistufige Stichprobeninventur, wobei der terrestrischen Feldbegehung immer eine Luftbildinterpretation vorangestellt ist. Von den Stichprobenflächen können durch die Luftbildinterpretation ca. 70 % bereits als Nichtwaldflächen ausgeschieden werden, die terrestrisch nicht aufgesucht werden. Der Einsatz von Luftbilddaten und deren Interpretation nahm mit jeder Inventur kontinuierlich zu. Während die Luftbildinterpretation im LFI1 bereits zur Waldflächenbestimmung und der Bestimmung von Fixpunkten für die terrestrischen Messungen diente (BRASSEL & LISCHKE 2001), ist ihre Bedeutung für das LFI2 wesentlich ausgeweitet worden. Das Stichprobennetz wurde mit Luftbildinterpretationen verdichtet, um kostenintensive und aufwän-

2 ArcGIS Applikation zur 3D-Datenerfassung im Landesforstinventar der Schweiz 9 dige Feldbegehungen reduzieren zu können. Die Datenattributierung war hier jedoch auf Waldproben fokussiert (GINZLER et al. 2005). Mit dem LFI3 wurde auf ein vollständig digitales Auswerteprinzip gewechselt. Im LFI3 wurden Stichprobenflächen in einem 0.5 km Netz per Luftbildauswertung interpretiert, eine Stichprobenfläche ergibt sich jeweils zu 50 m 50 m. Die im Jahr 2009 beginnende neue Inventur entspricht methodisch größtenteils der Datenerhebung des LFI3. Zur internationalen Vergleichbarkeit des Forstinventars werden mit der neuen Inventur Waldbegrenzungen zusätzlich auf einer Fläche von 100 m 100 m erhoben. Während der Jahre 2009 bis 2017 sollen jeweils 1/9 der Stichprobenflächen in einem 1.4 km Netz per Luftbildinterpretation erhoben werden. Zusätzlich stehen neu neben digitalisierten RC30 Bildern hochauflösende ADS40 Daten zur Verfügung, die neben dem Anforderungsprofil die Neuentwicklung einer Applikation zur automatisierten 3D-Luftbildinterpretation erfordern. 1.2 Stand der Entwicklung Für das LFI3 stand bereits eine an der WSL entwickelte Applikation zur automatisierten Interpretation mit eingeschränkter Funktionalität und Interaktionsmöglichkeit zur Verfügung. Diese wurde unter Visual Studio C mit dem Developer Kit für SOCET SET 5.2 von BAE Systems entwickelt (GINZLER et al. 2005). Die Weiterentwicklung dieser Applikation ist heute durch die stark veraltete Entwicklungsumgebung nahezu unmöglich. BAE Systems stellt mit SOCET FOR ARCGIS eine Datenschnittstelle zur photogrammetrischen 3D-Datenerfassung zusammen mit SOCET SET und ESRI ArcGIS (BAE SYSTEMS 2009) zur Verfügung, die Datenerhebung ist jedoch nicht auf der Seite der 3D-Applikation konfigurierbar. ERDAS stellt mit Stereo Analyst for ArcGIS (SAFAG) eine eigenständige ArcGIS Extension zur Verfügung, die dem Anwender viele Hilfsmittel zur 3D- Luftbildinterpretation bereitstellt (ERDAS 2009). Für die SAFAG Extension ist keine dokumentierte API verfügbar, jedoch sind die Funktionen als COM-Komponenten in den Bibliotheken definiert. Dem Bundesamt für Landestopografie swisstopo der Schweiz steht seit etwa einem Jahr mit dem TOPGIS eine 3D-Auswertesoftware für den operationellen Einsatz zur Verfügung (KUNZ, SCHMASSMANN & O'SULLIVAN 2007), die den Ansprüchen der automatisierten 3D- Luftbildinterpretation gerecht wird, jedoch speziell konfiguriert ist. 2 ArcGIS Applikation LFI 3D-GIS 2.1 Anforderungen und Zielsetzung Mit dem Wechsel auf das neue Landesforstinventar im Jahre 2009 ergeben sich für die photogrammetrische Datenerhebung folgende Software-Anforderungen: Die automatisierte, softwaregesteuerte Interpretation soll modernisiert und erweitert werden, den Interpretinnen und Interpreten soll eine neue Arbeitsumgebung zur Verfügung stehen, die eine bekannte Bedienung besitzt, weitgehend flexibel und erweiterbar ist.

3 10 H. Hastedt, R. Meile und C. Ginzler Es müssen Editier- und Visualisierungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen. Die Applikation muss konfigurierbar sein, um den wachsenden Bedürfnissen des LFI gerecht zu werden. Daten, Stichproben und Attribute sind dynamisch aus der Datenbank steuerbar. Eine 3D-Auswertesituation ist zwingend erforderlich. Datenflexibilität für Bilddaten und deren Koordinatensystem (RC30 (lokal-kartesisch CH1903_LV03), ADS40 (WGS84) muss gegeben sein. Die Interpretationen müssen in der Schweizer Projektion erfolgen, in der das Landeskoordinatensystem definiert ist. Für die Luftbildinterpretation zum LFI ergab sich, dass mit den zur Verfügung stehenden Produkten und den Anforderungen an die neue Interpretationssoftware nur eine ArcGIS Applikation mit der Nutzung von Stereo Analyst for ArcGIS in Frage kam. Sie erlaubt die Nutzung aktueller und moderner Softwaretools, die ständige Weiterentwicklung eigener Tools und Funktionalitäten in einer modernen Entwicklungsumgebung, die Nutzung verschiedenster Datenmodelle und Zusatzinformationen wie z.b. Landeskarten sowie die vollständige Anbindung an komplexe Serversysteme und Datenbanken Entwicklungsumgebung Die an der WSL entwickelte Applikation ist eine ArcGIS Extension für ArcMap unter Verwendung des ERDAS Stereo Analyst for ArcGIS, ArcSDE und Oracle Spatial. Als Entwicklungsumgebung dienen Microsoft Visual Studio 2005.NET und das ArcGIS Developer Kit. Als Programmiersprache wurde C#.NET gewählt. Die ERDAS Stereo Analyst Bibliotheken sind als COM-Komponenten definiert. Zur Nutzung der COM-Komponenten in.net wurden die Interoperating Services des.net Framework verwendet. Zur Steuerung verwendbarer Daten, Stichproben und Attribute über die Datenbank wird der Microsoft OracleClient in Verbindung mit SQL verwendet. Zur Speicherung der 3D-Daten und Erfassungsattribute wird die ArcSDE C API, eingebettet über eine C++.NET Bibliothek, verwendet. Hiermit kann eine Versionierung der bestehenden Datenbank vermieden werden, da die gleichzeitige Nutzung der Applikation durch mehrere Anwender gewährleistet bleibt. 2.2 Systemaufbau und Interpretationsablauf Der Systemaufbau ist dem Interpretationsablauf weitgehend angeglichen (in Abb. 1 schematisch dargestellt) und erfolgt in 4 Schritten, die näher erläutert werden sollen: 1. Auswahl der Stichprobenfläche: Die Administration der zu erfassenden Stichprobeflächen und deren Prioritäten, der Inventuren, der zu erfassenden Merkmale sowie deren erlaubter Attribute werden über die ADMIN-Tabellen gesteuert. Somit kann dynamisch konfiguriert werden, welche Arbeiten von welchem Anwender zum aktuellen Zeitpunkt zu leisten sind sowie welche Bilddaten und Attribute zur Verfügung stehen. Die Auswahl der Stichprobenfläche erfolgt automatisch und zufällig aus vordefinierten Stichprobengruppen. 2. Bild- und Zusatzdaten: Die Verwaltung aller verfügbaren Bilddaten erfolgt über die LUBI-Tabelle. Die Tabelle bildet jeweils den aktuellen Stand aller für das LFI verfügbaren Bilddaten, zugehöriger Orientierungs- und Metadaten ab. Eine einfache SQL Abfrage ermöglicht eine sekundenschnelle Auswahl geeigneter Bilddaten für die zu bear-

4 ArcGIS Applikation zur 3D-Datenerfassung im Landesforstinventar der Schweiz 11 beitende Stichprobenfläche. Die Bildung von Bildpaaren und das Laden der effektiven Bilder zur photogrammetrischen Stereo-Interpretation sowie verschiedener Zusatzdaten erfolgt in der Applikation. Zusätzlich wird den Auswertungen jeweils das verfügbare Digitale Geländemodell mit höchster Genauigkeit zugrunde gelegt. Zum einen das DTM_AV bis zu einer Höhenlage von m, die angegebene Genauigkeit beträgt ±0.5 m (1σ) (SWISSTOPO 2009, ARTUSO, BOVET & STREILEIN 2003). Weiterhin das DHM25, abgeleitet aus der Landeskarte, mit einer mittleren Abweichungen von 1.5 m bis zu 3 m (SWISSTOPO 2009). Für die Datenerhebung wird automatisch eine FileGDB erzeugt, in der die Feature, deren Attribute und Zusatzinformationen abgelegt werden. 3. Datenerhebung: Im dritten Schritt erfolgt die Erhebung von Daten zum Landesforstinventar (GINZLER et al. 2005): o Waldbegrenzungslinien: die längste Verbindungslinie aller Waldrand bildenden und dem Wald vorgelagerten Bäume und Sträucher, wobei die Bestockungsglieder eine Mindesthöhe von 3 m erfüllen müssen und eine maximale Horizontaldistanz von 25 m aufweisen o Rasterpunkten: Bodenbedeckungen und Oberflächenhöhe werden in einem regelmäßigem Raster in der Stichprobenfläche erfasst; die Rasterpunkte bestimmen Deckungsgrad und den Wald- / Nichtwaldentscheid o Einzelbäume und Lineare Gehölze außerhalb des Waldes: dienen der umfassenden Abschätzung bestockter Fläche und dem internationalem Vergleich o Fixpunkte: werden als Orientierungshilfen für die Feldbegehungen und Einmessung des Stichprobenzentrums erhoben Für die Interpretation der Stichprobenmerkmale werden Dialoge und Erfassungstools zur Verfügung gestellt. Sie dienen neben der Datenerfassung der Visualisierung von Hilfselementen, der Erfassung und Änderung der Attribute und dem Löschen von Segmenten während der Erfassung. Sie gewährleisten zudem, dass alle unerwünschten Interaktionen des Anwenders über die Applikation abgefangen werden. Die Editierung erfasster Features im 3D-Raum erfolgt über die mit SAFAG gelieferten 3D-Edit-Tools. 4. Datenprüfung und Speicherung: Der Datenerfassung folgen eine Datenkontrolle und die abschließende Bestimmung stichprobenrelevanter Ableitungen. Die Datenkontrolle umfasst eine Topologieprüfung sowie die Kontrolle auf Datenkonsistenz. Für den Wald-/Nichtwaldentscheid werden verschiedene Ableitungen auf Basis der erfassten Features durchgeführt, ggf. erfolgt die Erfassung zusätzlicher forstlicher Merkmale (Entwicklungsstufe, Schlussgrad, Gebüscharten, etc.) und Fixpunkte (Einmesspunkte) für die terrestrische Einmessung. Nach Abschluss aller Prüfungen erfolgt die Datenspeicherung in den verschiedenen DATA-Tabellen mittels ArcSDE. Um die Integrität und Qualität der Daten zu garantieren, sind die DATA-Tabellen mit einem relationalen Datenschema modelliert.

5 12 H. Hastedt, R. Meile und C. Ginzler LFI 3D-GIS ArcGIS Desktop Leica StereoAnalyst COM ADMIN Datenadministration - Daten-Pool - Inventuren - Prioritäten - Attributdefinitionen - Datenmaterial LFI Applikation ArcMap Extension Probefläche Primärschlüssel, X, Y LUBI Luftbilddaten - vollständige Daten - Orientierungen - Attribute Oracle Spatial Daten laden DATA Ergebnisse der Datenerfassung Attribute und Geometrien Bilddaten RC30 ADS40 Geländemodelle DTM_AV (H < 2000) DHM25 Landeskarte 1:25000 Bildpaar für Interpretation Datenerhebung / Editierung Waldbegrenzungslinie Rasterpunkte Einzelbäume Lineare Gehölze Fixpunkte ArcSDE Waldentscheid Statistische Grössen Ableitungen Abb. 1: System Architektur der ArcGIS Applikation zur automatisierten Luftbildinterpretation 'LFI 3D GIS' 3 Fazit und Ausblick Mit der vorgestellten ArcGIS Applikation 'LFI 3D GIS' konnte eine operationell einsetzbare Software zur automatisierten Luftbildinterpretation entwickelt werden. In automatisierten Prozessen umfasst sie die vollständige Datenadministration und Auswahl von Bildmaterial per Datenbank, die Einhaltung aller LFI Kriterien bei der Datenerfassung sowie die Speicherung aller erhobenen Elemente in einer Datenbank zur weiteren Analyse. Des Weiteren stellt die Applikation verschiedene Tools zur Verfügung, die die Digitalisierung und Editierung von Features erlauben sowie Unterstützung bieten bei der Navigation und Interpretation im ArcGIS Framework. Die Entwicklung entstand in enger Zusammenarbeit mit den erfahrenen Luftbildinterpretinnen und -interpreten an der WSL. Während des Entwicklungsprozesses konnten und können sie somit maßgeblich an der Handhabung und Gestaltung für eine wirtschaftliche und praktische Interpretationssoftware mitwirken.

6 ArcGIS Applikation zur 3D-Datenerfassung im Landesforstinventar der Schweiz 13 Die Applikation stellt derzeit eine Minimalkonfiguration dar. Sie erfüllt die Anforderungen an eine automatisierte Interpretationssoftware für das Landesforstinventar. Weiterentwicklungspotenzial besteht vor allem in der Bereitstellung von Waldmasken und Waldrandelementen mittels Bildverarbeitungsalgorithmen. Weiterhin denkbar ist die Umstellung von der Erfassung von Waldbegrenzungslinien auf eine verdichtete Punktmessung von Bestockungsgliedern und der automatischen Generierung der Begrenzungslinie. Danksagung Das Landesforstinventar (LFI) ist ein Gemeinschaftsprojekt des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL). Die Arbeiten zum LFI erfolgen in der Forschungseinheit Landressourcen- Beurteilung der WSL. Die Autoren sind in den Forschungsgruppen Mustererkennung und Photogrammetrie sowie GIS tätig. Wir danken der Firma MFB-GeoConsulting GmbH aus Messen, vor allem Herrn Pierre Terrettaz, für die Unterstützung und Diskussion bei Fragen und Problemen mit dem ERDAS Stereo Analyst for ArcGIS und dem ERDAS Stereo Analyst Entwicklerteam. Literatur ARTUSO, R., BOVET, S. & STREILEIN, A. (2003): Pratical Methods for the Verification of countrywide Terrain and Surface Models. In: International Archives of Photogrammetry and Remote Sensin, XXXIV, 3/W13. BAE SYSTEMS (2009): ( ). BRASSEL, P. & LISCHKE, H. (2001): Swiss National Forest Inventory: Methods and Models of the Second Assessment. WSL Swiss Federal Research Institute, Birmensdorf, Schweiz. ERDAS (2009): currentid/1114/default.aspx ( ). GINZLER, C., BÄRTSCHI, H., BEDOLLA, A., BRASSEL, P., HÄGELI, M., HAUSER, M., KAMPHUES, M., LARANJEIRO, L., MATHYS, L., UEBERSAX, D., WEBER, E., WICKI, P. & ZULLIGER, D. (2005): Luftbildinterpretation LFI3 Interpretationsanleitung zum dritten Landesforstinventar. WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft. KUNZ, T., SCHMASSMANN, E. & O'SULLIVAN, W. (2007): swisstopo's Topographic Geographic Information system TOPGIS. Publikationen der DGPF, Band 16, Dreiländertagung Basel. LFIWEB (2009): (letzter Zugriff ) SWISSTOPO (2009): height.html ( ).