Diplomarbeit Stephan Roeschert
Titel der Arbeit:
Untersuchung der Strukturmerkmale eines Birkenbestands auf Basis von terrestrischen Laserscannerdaten mittels Voronoi-Diagrammen
Betreuer: Dipl.-Ing. Anja Schmidt, Dipl.-Inf. Anita Schilling
Beschreibung:
Ausgehend von einem gegebenen Baumkataster, welches bereits die dreidimensionalen Koordinaten und den Brusthöhendurchmesser (BHD) von 392 Bäumen beinhaltete, war ein Ziel der Diplomarbeit die noch fehlenden Bäume in einem Birkenbestand mit einem Algorithmus zu detektieren. Mit einem in der Arbeit neu entwickelten Ansatz konnten 98 % aller Bäume korrekt erfasst werden. Die dreidimensionalen Koordinaten und der BHD der 30 neu ermittelten Bäume wurden dabei mit einer Standardabweichung von 1,8 mm in der Lage und einer Standardabweichung des BHDs von 2,9 mm bestimmt. Weiterhin konnten Algorithmen entwickelt werden, die eine automatische Ableitung von forstinventurrelevanten Parametern und diversen Kronenparametern erlauben (Abb. 1).
Abb. 1: Kronenparameter
Dazu ist es notwendig die Punktwolke eines terrestrischen Laserscanners in Einzelbaumausschnitte zu unterteilen. Im Rahmen der Diplomarbeit konnte eine Methode entwickelt werden, welche eine Standraumanalyse, auf Basis des vollständigen Baumkatasters, eines Birkenbestands generiert. Unter Verwendung eines 2D-Voronoi-Diagramms konnten die Punktwolken zweier Epochen (einer laublosen (Abb. 2 links) und einer voll belaubten (Abb. 2 rechts)) in Einzelbaumausschnitte unterteilt werden.
Abb. 2: Birke im laublosen Zustand (links) und voll belaubt (rechts); Äste und Laub von den Nachbarbäumen ragen in die Voronoi-Zelle hinein und verfälschen die Ergebnisse der Parameter
Dabei zeigte sich, dass das Voronoi-Diagramm (Abb. 3 rechts) besser geeignet ist, als die Unterteilung mit Quadern oder Zylindern (Abb. 3 links), da die Standflächen lückenlos und ohne Überlappungen aufgeteilt werden. Dennoch kommt es vor, dass Äste von Nachbarbäumen in die zu betrachtende Voronoi-Zelle hineinragen (vgl. Abb. 2) und die Ergebnisse der Parameter verfälschen. Daher wurden auch einige Möglichkeiten zur Optimierung des Voronoi-Diagramms in der Arbeit gegeben.
Abb. 3: Standraumanalyse mit Zylindern (links) und Voronoi-Diagramm (rechts)
Viele forstinventurrelevante Parameter, wie der BHD, können ausgezeichnet aus Punktwolken eines terrestrischen Laserscanners ermittelt werden und sind mit manuellen Messungen, die sehr zeit- und arbeitsintensiv durchgeführt werden müssen, vergleichbar. Andere Parameter, wie der Kronenansatz und die Baumhöhe, sind dagegen nur bedingt ableitbar.
Die korrespondierenden Teilpunktwolken beider Epochen konnten zudem vergleichend untersucht werden, mit dem Ziel Rückschlüsse auf den Belaubungszustand der Bäume zu ziehen. Dazu wurde in der Arbeit ein Algorithmus zur indirekten Schätzung von LAI-Werten (engl.: leaf area index, dt.: Blattflächenindex) entwickelt.
Insgesamt konnte festgestellt werden, dass das terrestrische Laserscanning eine geeignete Datenerfassungsmethode im Forstwesen ist mit dem manuelle Messungen weitestgehend ersetzt werden können.