Teilprojekt Vegetationsvermessung
OBjectives
Eine entscheidender Punkt beim Vergleich von gemessener
Winddaten mit Modellergebnissen ist eine möglichst
detailgetreue Nachbildung der Charakteristika des Standorts im
Modell. Für eine hochaufgelöste Modellierung von Strömungen an
Waldkanten ist daher eine Bestandesaufnahme durch eine
Forstinventur o.Ä. nicht ausreichend. Neben einer direkten
Einzelbaumvermessung wurde aus diesem Grund die Vermessung mit
terrestrischen Laserscannern vorgenommen. Die Zielgrößen sind
unter anderem:
- Erfassung der räumlichen Verteilung der Vegetation mittels terrestrischen 3D-Laserscanning und Bestandesaufnahmen von Einzelbäumen mit photogrammetrischen Methoden
- Ableitung von Baum- und Bestandsparametern (Baumhöhe,
Brusthöhendurchmesser, Position, DGM)
- Bestimmung von Strukturparametern und Extraktion von Parametern zur Bestimmung von Widerstandsbeiwerten (Bsp.: Plant Surface Area Density PAD(x,y,z))
- Die mittlere freie Weglänge zwischen den Strömungshindernissen (Bäumen, Zweigen)
Responsible Department
Terrestrische Laserscanningaufnahmen:Professur für Photogrammetrie in
Zusammenarbeit mit der Professur für Meteorologie
Einzelbaumvermessung: Professur für
Meteorologie
Einzelbaumvermessung
im Aufbau...
LaserscanNing
Ausführung
Insgesamt wurde der Bestand von 14 verschiedenen Laserscannerstandpunkten (inklusive einer Aufnahme vom 40 m hohen Messturm) aufgenommen. Die Verknüpfung der Punktwolken wurde über künstliche Targets (Kugeln und Zylinder) realisiert. Die Gesamtpunktwolke bestand aus 50 Mio. Einzelpunkten. Abbildung 1 zeigt die Punktwolke am Fuße des Messturmes mit drei verschwenkten Scannerstandpunkten (Riegl). Die Vermessung des Standortes erfolgte in Zusammenarbeit mit der Professur für Photogrammetrie.
Verwendete Laserscanner
Riegl LMS-Z420i
- Reichweite: bis 800 m
- Laserklasse 1
- Messgenauigkeit: 5 - 10 mm
- Datenrate: 12000 Punkte/Sekunde
- Gesichtsfeld: 80° x 360°
- Digitalkamera Nikon D100 (optional)
- Weitere Informationen: www.riegl.com
Laserscanner FARO LS 880
- Reichweite 80 m
- Laserklasse 3R
- Messgenauigkeit: 3 mm
- Datenrate: 120000 Punkte/Sekunde
- Gesichtsfeld: 320° x 360°
- Weitere Informationen: www.Faro.com
Ergebnisse
Neben der automatischen Bestimmung der Baumhöhe, den BHDs sowie
Baumpositionen der Bäume entlang des Transektes wird zusätzlich
das Digitale Geländmodell (DGM) aus den terrestrischen
Laserscannerdaten abgeleitet. Mit einer Rasterweite von 50 cm
wird das Gelände um die Messtürme beschrieben. In Abbildung 2a
ist die perspektivische höhencodierte Ansicht des DGMs in
West-Ost-Ausrichtung dargestellt. Abbildung 2b zeigt das
überhöhte Höhenprofil in West-Ost-Richtung.
In Abbildung 3 wird der Übergang von der Messung einzelner
Punkte (Abb. 3a) zur modelladequaten Abbildung von Voxeln (Abb.
3b, 3c und 3d) ersichtlich. Aus den normierten Punktdichten in
den Volumenelementen sollen später Reibungskoeffizienten für
die Strömung im Bestand parametrisiert werden.
Die Punktwolke entlang der 4 Türme (500 m x 120 m) wurde in
einen Voxelraum mit 1 m Kantenlängen transformiert. Zu jedem
Voxel, welches über diskrete Voxelmittelpunktskoordinaten
verfügt, werden Attribute abgespeichert:
- die Punktanzahl der im Voxel befindlichen Laserpunkte
- die Anzahl der Durchschüße der Laserpunkte welche hinter dem Voxel zum Treffer geführt haben und durch das Voxel gelaufen sind
- die Anzahl der Punkte die vor dem Voxel zum Treffer geführt haben (Wahrscheinlichkeit eines Treffers wenn kein Hinderniss vorhanden wäre)
- Reflexionswahrscheinlichkeit
Abbildung 4a zeigt eine farbcodierte Darstellung des
Voxelraum (1 m) nach der Anzahl der Treffer im Voxel (rot =
hohe Anzahl; blau = niedrige Anzahl) über 500 m Länge und 60 m
Breite.
In Abbildung 4b ist die Reflexionswahrscheinlichkeit im
Voxelraum farbig dargestellt (dunkelgrün = hohe
Wahrscheinlichkeit einer Reflexion, weiß = geringe
Wahrscheinlichkeit).
In Abbildung 4 sind ausgedünnte Punktwolken mit dem
Streckennetz der detektierten Bäume zu sehen. Die detektierten
Baumpositionen wurden mit einer Delaunay Triangulation zu einem
Streckennetz verbunden. Anhand der Dreiecksseitenlängen wurde
der mittlere Baumabstand ermittelt. Da am Rand aufgrund von
Scanschatten nicht alle Bäume detektiert wurden, äußert sich
das in langen Dreiecksseiten. Diese Seiten wurden mit Hilfe der
3Sigma Regel bei der Berechnung der mittleren Wegstrecke nicht
mit berücksichtigt (arithm. Mittel: 8,18m).
Zukünftige Arbeiten
References
- Bienert, A.; Pech, K.; Maas, H.-G. (2011):
Verfahren zur Registrierung von laserscannerdaten in Waldbeständen. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, Volume 162, 6/2011, S.178-185. (Download) - Bienert, A.; Stiel, B.; Queck, R.; Maas, H.-G.
(2010):
Photogrammetrische Bestimmung von statischen und dynamischen Verformungsstrukturen an Einzelbäumen. In: Allgemeine Vermessungs-Nachrichten, 5/2010, S.190-197. (Download) - Queck, R.; Bienert, A.; Eipper, T. (2010):
Sturmsicherer Wald. ARD. - Bienert, A., Queck, R., Schmidt, A., Bernhofer, Chr.,
Maas, H.-G.(2010):
Voxel space analysis of terrestrial laser scans in forests for wind field modelling. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 38, Part 5. (Donwload ) - Bienert, A.; Stiel, B. (2010):
Photogrammetrische Bestimmung von statischen und dynamischen Verformungsstrukturen von Einzelbäumen. Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D-Messtechnik (Beiträge Oldenburger 3D-Tage 2010, Hrsg. Th. Luhmann, Ch. Müller), Verlag Herbert Wichmann. - Bienert, A.; Maas, H.-G. (2009):
Methods for the Automatic Geometric Registration of Terrestrial Laserscanner Point Clouds in Forest Stands. Proceedings ISPRS Workshop on Laserscanning, Paris, France. - Queck, R.; Bienert, A. (2009):
Estimation of PBL model parameters from high resolution vegetation scans. Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU2009-10888, 2009. ([Removed image: /ipf/photo/bilder/woorld.gif Alternative text: Image caption: ] Link: EGU) - Queck, R.; Bienert, A.; Harmansa, S. (2009):
Modeling wind fields in tall canopies - towards better momentum distribution using 3D vegetation scans in high resolution. 2nd International Conference “Wind Effects on Trees”. Albert-Ludwigs-University of Freiburg, Germany, 13-16 October 2009. - Queck, R.; Bienert, A.; Harmansa, S. (2009):
Calculating advective fluxes in tall canopies – Towards better wind speed distribution using 3D vegetation scans in high resolution. Atmospheric Transport and Chemistry in Forest Ecosystems, Castle of Thurnau, Germany, Oct 5 - 8, 2009.