Waldschäden aus der Vogelperspektive
Projekt 1704: Fernerkundungsbasierte Waldschadenskarten
Aus der Ferne aufgenommende Schadflächen / Foto: K I Photography – stock.adobe.com
Seit einigen Jahren müssen sich Forstbetriebe verstärkt mit Waldschäden beispielsweise durch Borkenkäferbefall oder Sturmwurf auseinandersetzen. Die steigende Anzahl an Schadflächen und deren Aufarbeitung erfordert ein hohes Maß an Planung. Über den Einsatz von Satelliten- und Luftbildern kann die Fernerkundung zur Erfassung von Schadflächen als Planungsgrundlage beitragen.
Fragestellung
Das Projekt befasst sich mit der Frage, wie verschiedene Schadtypen mittels Fernerkundungsdaten erfasst werden können. Hierbei wird untersucht, welche Fernerkundungsdaten sich grundsätzlich für den jeweiligen Schadtyp eignen.
Zielsetzung
Forstbetriebe und die Landesforstverwaltung (LFV BW) sollen durch die Bereitstellung der Ergebnisse z.B. in Form von digitalem Kartenmaterial beim Schadmanagement unterstützt werden.
Zu den untersuchten Schadtypen gehören der Borkenkäferbefall bei der Fichte, die Kieferkomplexschäden, die Buchentrockenschäden und die Kartierung von Sturmwurfflächen.
Bei den Fernerkundungsdaten liegt der Fokus auf der Verwendung von Satellitenbildern.
Vorgehensweise
- Landesweite Schadflächenerfassung mit Hilfe von Daten des Satellitenpaares Sentinel-2, wofür ein teilautomatisiertes Verfahren entwickelt werden soll
- regional begrenzte Schadflächenerfassung mittels sehr hochauflösender Satellitendaten
- Ad-hoc Erfassungsverfahren bei unvorhersehbaren Schadereignissen u.a. über LiDAR-Aufnahmen
Geobasisdaten © Landesamt für Geoinformation und Landesentwicklung Baden-Württemberg, http://www.lgl-bw.de
Datengrundlage: Copernicus Sentinel Data (2020) processed by ESA
Ein Blick auf die Waldschäden – Werkstattbericht zum Projekt
Datenaufnahme im Gelände, Foto: Hannah Kniep
Die Modellregion Südschwarzwald/Waldshut ist eines von drei Gebieten, in dem Methoden für die Erfassung von Schadflächen mit Hilfe von Fernerkundungsdaten entwickelt werden. Durch die sonnenexponierte Lage im Südschwarzwald ist der Landkreis Waldshut im landesweiten Vergleich besonders stark von Borkenkäferschäden betroffen. Die dortige Schadfläche beläuft sich auf ca. 5.050 ha.
Um die wiederkehrende Analyse des Schadensumfangs zu verbessern, wurden im Gelände stichprobenartig Validierungsdaten erhoben (Validierung: Plausibilitätsprüfung). Dafür sind mit einem GNSS-System Punkte eingemessen und die umliegende Landnutzung dokumentiert worden. Mit dieser Datengrundlage kann daraufhin das Klassifikationsergebnis verglichen und optimiert werden (Klassifikation: Ermittlung von Flächen mit gleichen Eigenschaften über einen Algorithmus).
WEITERLESEN
AUSWAHL DER FERNERKUNDUNGSDATEN
Abhängig vom Schadtyp werden unterschiedliche Fernerkundungsdaten verwendet. Für die Schadflächenerfassung bei einem Borkenkäferbefall können Satellitendaten von Sentinel-2 eingesetzt werden. Diese Daten sind für jeden frei abrufbar und wurden u.a. für das Vegetationsmonitoring entwickelt. Daher ist eine Zeitreihenanalyse, auch retrospektiv, möglich. Sowohl bei den Kiefernkomplexschäden als auch bei den Dürreschäden der Buche wird hingegen auf sehr hochauflösende Satellitendaten zurückgegriffen, beispielsweise WorldView. Sie werden für das laufende Jahr einmalig oder für einen kurzen Zeitraum monatlich kostenpflichtig bestellt.
Zwischenergebnisse
Der Workflow für die Erkennung von Schadflächen durch Borkenkäferbefall ist im Vergleich zu den Workflows für Kieferkomplex- bzw. Buchentrockenschäden am weitesten aufgebaut. Die Klassifikation konnte räumlich vom Landkreis Waldshut auf den Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald übertragen werden. Auch die zeitliche Übertragung der Klassifikation vom August 2020 auf Juni 2021 ist umgesetzt worden.
Übertragung der Klassifikation von August 2020 auf Juni 2021
Geobasisdaten: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg (www.lgl-bw.de), Az.: 2851.9-1/3
Datengrundlage: Copernicus Sentinel Daten 2019/2020/2021 processed by ESA
Da der Klassifikationsalgorithmus auf Borkenkäferschäden trainiert wurde und es sich sowohl bei den Kiefernkomplex- als auch bei den Buchentrockenschäden um ein anderes Schadgeschehen handelt, konnte die Klassifikation nicht direkt auf den Hardtwald (Waldgebiet nördlich und südlich von Karlsruhe) übertragen werden. Außerdem ist die räumliche Auflösung der Satellitendaten von Sentinel-2 für beide Schadtypen zu gering, weshalb ein neuer Workflow erstellt werden muss.
Untersuchungsgebiet mit Kiefernkomplexschäden analysiert mit Hilfe von Sentinel-2 (Auflösung: 10 m) und PlanetScope (Auflösung: 3 m) in Zusammenarbeit mit der Universität Tübingen. Geobasisdaten: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg (www.lgl-bw.de), Az.: 2851.9-1/3. Datengrundlage: Copernicus Sentinel Daten 2020/2021 processed by ESA, Planet Labs Inc. 2021
Datenabgabe an Waldbesitzende und –bewirtschaftende
Die Ergebnisse der Schadflächenerfassung können für unterschiedliche Zielsetzungen in der Landesforstverwaltung (LFV BW) bzw. in den Forstbetrieben verwendet werden. Die Schadflächen wurden beispielsweise zur mobilen Datenerfassung für das Borkenkäfermanagement in die Erfassungs-App ArcGIS Collector eingepflegt. InFoGIS und WaldExpert werden als weitere Datenaustauschportale genutzt. Auch bei der Wiederbewaldung können die erfassten Schad- und Freiflächen unterstützend zum Einsatz kommen.
Je nach den Bedürfnissen der Endnutzer werden die Schad- und Freiflächen mit zusätzlichen Informationen z.B. der Baumarteneignung ergänzt oder durch eine Nachprozessierung bzw. Arrondierung angepasst (Arrondierung: Zusammenfassung von Kleinstflächen zu größeren Flächeneinheiten). Ein regelmäßiger Austausch mit den Zuständigen aus der LFV BW und den Forstbetrieben ist dafür wichtig.
Anpassung des Klassifikationsergebnisses durch eine Arrondierung. Geobasisdaten: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg (www.lgl-bw.de), Az.: 2851.9-1/3. Datengrundlage: Copernicus Sentinel Daten 2020/2021 processed by ESA
Projektinterner Ausblick
In der verbleibenden Projektlaufzeit soll der Workflow für die Erfassung der Borkenkäferschäden mit der noch ausstehenden Koregistrierung der Sentinel-2-Daten fertiggestellt und teilautomatisiert werden (Koregistrierung: räumlich eindeutige Zuordnung von Bildkoordinaten in unterschiedlichen Datensätzen). Ein Turnus von 3 Auswertungen pro Jahr wird dabei angestrebt.
Die Methodenentwicklung für die Erkennung der Kiefernkomplex- und Buchentrockenschäden steht noch aus. Durch den meist lichteren Kiefernbestand und demgegenüber häufig dichten Unterwuchs soll mit Satellitenaufnahmen aus den Winter- sowie Sommermonaten gearbeitet werden.
Zum Schluss ist die Ausweitung der Schadflächenerfassung auf das Land Baden-Württemberg vorgesehen.
Weitere Informationen
- Zur Abteilung Biometrie und Informatik