Terrestrisches Laser Scanning- Anwendungen in der ökologischen Forschung

Die wachsende Bedeutung der dreidimensionalen (3D) Struktur der Kronen unsere Wälder für aktuelle Forschungstätigkeiten, insbesondere in der Ökologie, hat ein zunehmend größeren Bedarf an Instrumenten mit sich gebracht, welche präzise und hochaufgelöste räumliche Informationen zur Verteilung der Biomasse von Pflanzen liefern können (Lovell et al., 2003; Parker et al., 2004; Tageda and Oguma, 2005; Pretzsch and Schütz, 2005). Wenn es von Interesse ist, eine genaue Erfassung der xyz-Koordinaten aller Objekte (z.B. Ast, Zweig, Blatt, Stamm) durchzuführen, so ist derzeit ausschließlich die Verwendung eines terrestrischen 3D Laserscanners sinnvoll, insbesondere unter Berücksichtigung des zu leistenden Arbeitsaufwandes im Feld. Destruktive Methoden sind aufgrund ihres enormen Zeit- und Arbeitsaufwandes keine Alternative, vor allem dann, wenn es gilt, die 3D Struktur der Krone von Einzelbäumen oder gar ganzen Beständen zu erfassen. Die Kronen- und Waldforschung steh! t nun vor der Aufgabe, dass nicht länger Variablen gemessen werden müssen, die Rückschlüsse auf die Biomasseverteilung erlauben, sondern vielmehr neue Automatisierungen entwickelt werden müssen, mit denen gewünschten Parameter (z.B. Kronendurchmesser, Blattflächenindex) standardisiert aus den Scandaten herausgelesen werden. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel einen Beitrag zu dieser Forschung zu leisten. Während in Kapitel 3 und 4 Studien im Nationalpark Hainich vorgestellt werden, deren Ziel die Erfassung von bedeutenden Bestandesgrößen in Wäldern ist (z.B. Openness, BHD, Baumhöhe, Konkurrenzsituation etc.), beschäftigt sich Kapitel 5 mit der Erprobung einer neuen Methode zur nicht-destruktiven Biomassemessung an Jungbäumen. Es konnte gezeigt werden, dass terrestrisches 3D Laserscanning geeignet ist, um die Struktur eines artenreichen Waldes zu erfassen und für die ökologische Forschung relevante Bestandesparameter aus den Daten zu extrahieren. Eine wichtige Bedingung für den Erfolg der vorgestellten Automatisierungen ist die in dieser Arbeit gezeigte Verwendung des so genannten Voxel-Models. Die Simulation von hemisphärischen Fotos an beliebigen Positionen unterhalb der Kronen wurde erfolgreich auf Basis dieses Models durchgeführt und somit die Vollständigkeit der Bestandeserfassung mit einem Scanner gezeigt. Schwächen im Zusammenhang mit der Vermessung von Baumkronen zeigt der verwendete Scanner bei der Erfassung von sehr kleinen Lücken in der Kronenschicht unter windigen Bedingungen. Die Analyse von baumartspezifischen Eigenschaften der Raumausnutzung im Kronenbereich oder die Quantifizierung von Arteinflüssen auf die Lichtverfügbarkeit unter dem Bestand sind nur Beispiele für die! Verwendung der nun verfügbaren Daten. Die Weiterentwicklung von Photosynthese- und Waldwachstumsmodellen erfährt ebenfalls neue Möglichkeiten. Weiter konnte gezeigt werden, dass Messungen, Quantifizierungen und Vorhersagen über die herrschende Konkurrenz um Licht und Raum zwischen einzelnen Baumindividuen und ihren Nachbarn auf Basis von Laserscannerdaten möglich sind. Basierend auf Bestandesstrukturparametern, wie sie nur vom Laserscanner effizient erfasst werden können (z.B. Kronenzentrum, Kronenausdehnung in verschiedenen Höhen), konnten vertiefende Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Wuchsasymmetrien und Konkurrenz gewonnen werden, welche unter anderem eine Verbesserung von waldbaulichen Maßnahmen ermöglichen könnten. Eine dritte experimentell e Studie konnte aufdecken, das nich-destruktive Biomassemessungen an Jungbäumen auf Basis von Laserscannermessungen möglich sind, welche sowohl die Überwachung von Wachstumsprozessen ermöglichen, als auch die Analyse vielfältiger weitere ökophysiologisch interessanter Parameter (Verzweigungsmuster, Biomasseverteilung etc.). Alle in dieser Arbeit gezeigten Studien wurden ermöglicht durch die hohen Genauigkeit und Auflösung des terrestrischen Laserscannings in der Erfassung der Verteilung der Biomasse der Untersuchungspflanzen. Die durchgeführten Experimente erlauben die Schlussfolgerung, dass Laserscannerdaten, wie sie von dem verwendeten beispielhaften System erzeugt werden, für eine ganze Reihe von Anwendungen im Bereich der ökologischen Waldforschung von Nutzen sind. Die zukünftige Verwendung von Laserscanner-systemen hängt vor allem davon ab, ob geeignete Standards entwickelt werden um bestimmte Parameter aus den Scans herauszulesen. Die automatische Trennung von einzelnen Baumindividuen aus den Scandaten eines Bestandes ist ein Beispiel für eine Automatisierung, deren Entwicklung einen enormen Fortschritt für zukünftige Anwendungen in der Waldforschung bedeuten würde .The increasing relevance of the three-dimensional (3D) structure of forest canopies for current research tasks, especially in ecology, generates a rising need for instruments offering detailed spatial information (Lovell et al., 2003; Parker et al., 2004; Tageda and Oguma, 2005; Pretzsch and Schütz, 2005). If a fast measurement of high resolution and real 3D-information (xyz-coordinates of all objects) is of highest priority, terrestrial laser scanning can offer such data with a reasonable effort. Destructive methods are not an alternative due to the non-arguable effort they would require for mature forest canopies, especially if the high-resolution 3D-information is in the focus. Research is facing the challenge that surrogates for the three-dimensional distribution may be no longer needed as comprehensive 3D-data becomes available from terrestrial laser scanning (TLS). Now, algorithms and programs are needed to extract suitable parameters from the virtual forests. The pre! sent thesis aimed to contribute to this research. We conducted our studies in the mixed forest of the Hainich National Park (Thuringia, Chapter 2,3,4) and also analyzed tree saplings in a pot experiment in the New Botanical Garden in Goettingen (Lower Saxony, Chapter 5). We found that modelling the three-dimensional structure of a species-rich temperate broad-leaved forest stand based on ground-based 3D-laser scanner data and extracting ecologically relevant parameters, such as canopy openness or gap size distribution, is possible when the calculation is based on volumetric pixels (voxels). Independently taken hemispherical photographs of the canopy were successfully simulated based on the scanner data. It was shown that laser scanners can face problems in the identification of rather small canopy gaps, especially in combination with wind-induced movements of canopy elements. Being able to model hemispherical photographs for any position inside the canopy offers new opportunities for functional research in tree and forest canopies. We showed that the analysis of species-specific patterns of canopy space occupation and their effect on light competition and light availability on the ground will be possible based on LIDAR data. A future applica! tion would be canopy models of growth and photosynthetic carbon gain in mature trees. We also presented a model of competitive pressure that is able to predict the direction of crown asymmetry of a focal tree caused by competitive effects at the neighbor trees with remarkable accuracy. Our approach of a precise laser-scan-based canopy analysis and the derivation of competitive pressure vectors using the crown centre distance (between focal tree and neighbor) and DBH as importance values offers a considerable potential for competition research in mixed forests. Multiple-aspect laser scanning of tree canopies can help to achieve a better understanding of the dynamics of canopy space exploration and may lead to an optimization of silvicultural management activities in mixed stands. A higher accuracy in canopy shape analysis is also useful to test the suitability of conventional crown measures (such as crown depth or crown projection area) as estimates for crown volume and their importance in competitive interactions. Furthermore, we found laser scanning to be a suitable and less time-consuming method for measuring the biomass of juvenile trees. The post-processing of the scanner data required not significantly more time than the computer processing of the data obtained with a traditional harvest approach. We conclude that the laser scanning approach is a suitable and promising alternative in the field of non-destructive biomass measurement techniques for young trees, which provides a wealth of additional information beyond the biomass estimate, including data on canopy structure, branching pattern, total twig length, the spatial distribution of leaves in the canopy, and others more. A further advantage is that this approach offers the possibility for monitoring the growth of tree juveniles over time without the need for subsequent harvests. All studies presented above profited from the high accuracy and resolution of the structural information obtained with the laser scanning technology. We tested and evaluated the quality of the data produced with an exemplary scanning system and showed a selection of possible applications in the field of forest ecological research. The future use of laser scanning in forests depends on further simplifications in the field of data processing and automatic parameter extraction via standardized calculation protocols, respective algorithms. The automated separation of tree individuals from point clouds would be an example for such an useful and long-needed algorithm future work should focus on