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Stefan Tretter

LWF

Bayerische Landesanstalt
für Wald und Forstwirtschaft

Abt. Waldbau und Bergwald
Hans-Carl-von-Carlowitz-Pl. 1
D-85354 Freising

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Artikel

Autor(en): Dr. Daniel Trappmann, Dr. Franz Binder
Redaktion: LWF, Deutschland
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Erfassen komplexer Waldstrukturen im Steinschlag-Schutzwald

Seit Langem ist bekannt, dass ohne Schutzwald in vielen Tälern im Alpenraum Infrastrukturen und Siedlungen akut durch Steinschlag bedroht wären. Weniger wissen wir jedoch darüber, wie gut unterschiedliche Bestände vor Steinschlag schützen. Um dies zu ermitteln, müssen detaillierte Daten zum Bestandesaufbau der Schutzwälder erhoben werden. Die LWF testet im Projekt "RockTheAlps" das terrestrische Laserscanning im steilen Bergwald als präzise Erhebungsmethode für komplexe Waldstrukturen.

 Inhalt:

Steinschlag: eine ernste Gefahr

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Abb. 1: Steinschlag-Schutzwald (Foto: Boris Mittermeier).

Nur ein Beispiel ist das Sturzereignis Anfang Juli 2017 auf der Bundesstraße B305 in der Ramsau (Berchtesgadener Land). Dabei verfehlten mehrere Kubikmeter große Blöcke nur knapp ein Fahrzeug und führten zur zeitweisen vollständigen Sperrung der Bundesstraße. Hinweise auf eine mögliche Gefährdung durch Sturzprozesse im Bayerischen Alpenraum geben Gefahrenhinweiskarten, wie sie jedoch nicht für alle Alpenländer existieren.

Internationale Zusammenarbeit bei der Schutzwald-Forschung

Im Alpenraum sind über 40 % der Fläche von Wald bedeckt. Die Alpenkonvention hebt die Bedeutung des Waldes für den Naturgefahrenschutz hervor. So wird im Protokoll "Bergwald" beschrieben, dass der Bergwald jene Vegetationsform ist, die "… den wirksamsten, wirtschaftlichsten und landschaftsgerechtesten Schutz gegen Naturgefahren …" leisten kann. In der Rahmenkonvention der Alpenkonvention wird ausdrücklich festgehalten, dass Maßnahmen zu ergreifen sind, welche die Waldfunktionen des Bergwaldes, insbesondere seine Schutzfunktion, erhalten, stärken und wiederherstellen. Hierzu vereinbaren die Vertragsparteien, gemeinsame Forschung durchzuführen und die dazugehörige Datenerfassung zu harmonisieren. Obwohl die Schutzleistung der Bergwälder also allgemein als wichtig erkannt wird, existieren bislang keine Methoden oder Kartenwerke, die diese im Alpenraum einheitlich abbilden. Hier setzt das Projekt "RockTheAlps" an.

Ziele von "RockTheAlps"

Das Projektakronym "RockTheAlps" steht für "Harmonized Rockfall natural risk and protection forest mapping in The Alpine Space". Im Projekt arbeiten 15 Partnerorganisationen aus sechs Alpenländern gemeinsam daran, bestehendes Wissen zu bündeln, es mit neuen Erkenntnissen und Steinschlagmodellen zu kombinieren und so grenzübergreifend einheitliche Kartengrundlagen zu Steinschlaggefahren und Steinschlag-Schutzwäldern im Alpenraum zu schaffen. Die Projektziele sind dabei:

  • Entwickeln einer einheitlichen Steinschlag-Bewertungsmethodik
  • Bereitstellen einer "Werkzeugkiste", um die Schutzwirkung von Wäldern gegen Steinschlag bewerten zu können
  • Erstellen der ersten Karte, die die Waldfunktion Steinschlagschutz einheitlich wiedergibt
  • Entwickeln eines Modells zur ökonomischen Bewertung der Waldökosystemleistung Steinschlagschutz
  • Wissenstransfer der Projektergebnisse zu allen relevanten Akteuren

Schutzwirkung von Wald gegen Steinschlag

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Abb. 2: Bei Anprall eines Steins auf einen Baum wird seine kinetische Energie teilweise oder ganz abgebaut (Foto: Boris Mittermeier).
 
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 Abb. 3: Wald leistet wirksamen Schutz vor Steinschlag (Foto: D. Trappmann, LWF).

An bewaldeten Hängen ist der Wald eine wirksame biologische Schutzmaßnahme, die zunehmend in Schutzkonzepten gegen Naturgefahren berücksichtigt wird. Bei einem Anprall eines Steins auf einen Baum wird seine kinetische Energie teilweise oder ganz abgebaut. Im letzteren Fall bleibt der Stein am Stamm liegen. Wie effektiv die Schutzwirkung eines Bestandes ist, hängt insbesondere von der Grundfläche des Bestandes, der bewaldeten Hanglänge, der Durchmesserverteilung der Bäume und der horizontalen Waldstruktur (z. B. Lücken in der Falllinie) ab. Wenn man wissen will, wo der Wald als alleinige Schutzmaßnahme ausreicht, um das Steinschlagrisiko auf ein gesellschaftlich akzeptiertes Maß zu begrenzen, muss seine Wirkung auf das Steinschlaggeschehen realistisch eingeschätzt werden. Zudem sind Kenntnisse um die Waldwirkung nötig, um zu entscheiden, ob ergänzende technische Schutzmaßnahmen (z. B. Steinschlagnetze) wegen der Schutzwirkung des Waldes auf geringere Energien bemessen werden können und dadurch kostengünstiger ausfallen.

Ein Schwerpunkt der LWF im Projekt "RockTheAlps" liegt auf dem Erfassen des Bestandesaufbaus unterschiedlicher Steinschlagschutzwälder mithilfe eines terrestrischen Laserscanners (TLS). Auf Grundlage dieser Daten wollen wir Erkenntnisse sammeln, wie gut Schutzwaldbestände mit unterschiedlicher Baumartenzusammensetzung und Struktur, wie sie im bayerischen Alpenraum typischerweise vorkommen, vor Steinschlag schützen. Die Schutzwirkung lässt sich mit Steinschlagsimulationen, die den Waldaufbau berücksichtigen, ermitteln. Anhand der Simulationsresultate mit und ohne Berücksichtigung von Wald können Aussagen zur Schutzwirkung des untersuchten Bestandes gemacht werden. Die Grundlage hierzu ist die vollständige Erfassung der Waldstruktur. Dies erfolgt entweder durch manuelle Vollaufnahme des Waldbestandes oder durch Einsatz eines Laserscanners. Der Einsatz eines 3D-Laserscanners in Steillagen ist derzeit noch die Ausnahme. Im Rahmen des Projekts testen wir, wie mithilfe des Laserscanner die komplexen Strukturen im steilen Bergwald erfasst werden können.

Erfassen von Schutzwaldstrukturen mit terrestrischem Laserscanning

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Abb. 4.1: Laserscanner im Einsatz (Tobias Hase/StMELF).   Abb. 4.2: Laserscanner im Einsatz (Tobias Hase/StMELF).

In der hier vorgestellten Untersuchung sind wir der Frage nachgegangen, ob über TLS-Verfahren Bestandeskennwerte wie Stammzahl, Höhe und Durchmesserverteilung im steilen Schutzwald ermittelt werden können. Dazu haben wir fünf Steinschlag-Schutzwälder mit unterschiedlichem Bestandesaufbau gescannt. Hier werden die Ergebnisse aus einer 0,4 ha großen Bergmischwaldfläche vorgestellt, die deutliche Spuren von Steinschlagereignissen aufweist. Den Bestand haben wir von 15 Scanpositionen aus im belaubten Zustand erfasst. Als Scanner kam die Leica Nova MS50 MultiStation zum Einsatz, die an der LWF für verschiedene Fragen Anwendung findet. Als Vergleichsdatensatz haben wir zusätzlich die Baumkoordinaten mittels Tachymeter-Messung ermittelt und die Brusthöhendurchmesser (BHD) aller Bäume ≥ 5 cm mit einem Umfangmaßband ermittelt. Die aus dem Laserscanning resultierenden Punktwolken wurden mit der Software "3D Forest" ausgewertet. Diese ist auf die Extraktion von Bestandesparametern aus TLS-Daten spezialisiert. Bei der Auswertung wurde die gesamte Punktwolke automatisch in Einzelbäume segmentiert, das Ergebnis visuell am Bildschirm kontrolliert und manuell bereinigt. Die errechneten Stammfußkoordinaten und BHDs aus den TLS-Daten wurden anschließend mit den Daten aus manueller Messung verglichen.

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Abb. 5: Links die Punktwolke eines Waldbestandes in grau; mittig die Punktwolke mit individuell eingefärbten Bäumen; rechts ein gescannter Baum mit zugehörigem BHD (Quelle: LWF).

Bisherige Erfahrungen bestätigen Eignung der TLS-Methodik, um Schutzwaldbestände zu charakterisieren

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Abb. 6: Ein gescannter Waldbestand mit individuell eingefärbten Bäumen (Quelle: LWF).

Nach dem automatischen Segmentieren der gesamten Punktwolke in einzelne Baum-Punktwolken mussten diese teils noch geringfügig manuell am Bildschirm nachbearbeitet werden. Insbesondere haben wir dabei in einzelnen Fällen noch zusammenhängende Baumgruppen getrennt und tief hängende Äste sowie talseitige Wurzelanläufe ausgeschnitten. Nach dem Bereinigen wurde die überwiegende Anzahl an Bäumen mit dem TLS-Verfahren erkannt (Anzahl Bäume manuelle Messung = 320, Anzahl Bäume TLS = 310). Über Kreisanpassungs-Algorithmen wurden die BHD-Werte aus den Baum-Punktwolken errechnet und für jeden Baum visuell am Bildschirm kontrolliert. Zu Schwierigkeiten bei der Auswertung können unter anderem Geländeabschattungen, zu geringe Punktdichten im Stammbereich, schräg stehende Bäume, nur halbseitig gescannte Bäume oder tief hängende Äste führen. Nach Ausschluss unplausibler Kreisanpassungen zeigen die BHD-Werte eine gute Übereinstimmung zwischen manueller Messung und TLS-Verfahren (Abb. 7a, b). Die mittlere absolute Abweichung zwischen den BHD-Werten beider Verfahren beträgt für den Untersuchungsbestand 1,3 cm. So betrug der BHD-Mittelwert beim TLS 25,34 cm gegenüber 25,73 cm bei der manuellen Messung. Die Mediane beider Verfahren waren mit 22,80 cm sogar identisch.

Anhand der Stammfußpunkte und BHDs aus den TLS-Punktwolken kann der steile Bergwaldbestand in 3D-Steinschlagmodellen abgebildet werden. Mit Steinschlagmodellen, die den Wald mit seiner steinschlaghemmenden Wirkung berücksichtigen (z. B. RockyFor3D), soll in weiteren Schritten ermittelt werden, welchen Schutz typische Schutzwaldbestände vor Steinschlaggefahren bieten.

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Abb. 7: Vergleich der BHD-Werte aus manueller Messung und TLS-Daten (a: Streudiagramm, b: Boxplots)

Zusammenfassung

Das Projekt "RockTheAlps" befasst sich mit der Schutzleistung der Wälder gegen Steinschlag im Alpenraum. Die LWF als Projektpartner beschäftigt sich dabei unter anderem mit dem Erfassen des Bestandesaufbaus typischer Steinschlag-Schutzwälder mithilfe eines terrestrischen Laserscanners. Die Auswertung der Punktwolken aus dem Laserscanning kann mit spezialisierter Software, wie z. B. "3D Forest", benutzerfreundlich erfolgen. Bei einem Test des Verfahrens auf einer typischen, steilen Bergmischwaldfläche wurde die gesamte Punktwolke automatisch in Baum-Punktwolken segmentiert und BHD-Werte mittels Kreisanpassungs-Algorithmen bestimmt. Eine visuelle Kontrolle der Auswertung war dabei wichtig, um die Plausibilität der errechneten BHD-Werte beurteilen zu können. Nach Ausschluss unplausibler Kreisanpassungen stimmen BHD-Werte aus Laserscanning und manueller Handmessungen sehr gut überein. Unsere bisherigen Erfahrungen zeigen somit, dass terrestrisches Laserscanning eine Alternative zu klassischen Erhebungsmethoden im steilen Bergwald sein kann, um komplexe Waldstrukturen präzise zu erfassen.

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