Lasergestützte Vermessung von Holzpoltern

Die Vermessung von Rundholz ist im Forst- und Holzsektor von zentraler wirtschaftlicher Bedeutung. Allerdings ist die manuelle Vermessung von Stämmen beziehungsweise Poltern so zeit- und damit kostenintensiv, dass sie in den meisten Forstbetrieben kaum praktiziert wird. Die Vermessung des Holzes im Sägewerk ist damit für die meisten Unternehmen die einzige zuverlässige Methode, ihre Einschlagsmengen präzise zu quantifizieren.
Am Markt verfügbare Smartphone-Apps zur Holzvermessung mittels fotooptischer Methoden ermöglichen zwar eine rasche Poltervermessung, ihre Stärke liegt aber primär in der Ermittlung des Sektionsraummaßes, wohingegen ihre Präzision bei der Berechnung des tatsächlichen Holzvolumens noch nicht ausreichend evaluiert wurde. Die Möglichkeit, einzelne Stämme im Polter zu erkennen und anhand dieser Durchmesser das Poltervolumen zu bestimmen, ist aber sehr wohl vorhanden. Die Zuverlässigkeit der Messungen dieser Apps ist jedoch von den Lichtverhältnissen, der Qualität des Polters (die Stämme müssen in der Regel gleichmäßig ausgerichtet und sauber gestapelt sein) und der richtigen Handhabung des Mobilgeräts (das Gerät muss möglichst parallel zur Stirnseite des Polters gehalten werden) abhängig, was eine gewisse Übung im Umgang mit ihnen erfordert. 
Terrestrisches Laserscanning (TLS) wurde bereits erfolgreich zur präzisen und automatischen Vermessung des stehenden Holzvorrates eingesetzt, sodass es naheliegend schien, diese Technologie auch zur Aufnahme von gepoltertem Holz einzusetzen. Im Zuge einer Masterarbeit am Institut für Waldwachstum der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) wurde daher die Anwendung von TLS zur automatisierten Poltervermessung untersucht. Ziel war es, auf Basis einer vorhergehenden Einzelstammerkennung und -vermessung das Poltervolumen zu ermitteln.

Die Untersuchungsobjekte
Im Zuge der Masterarbeit wurden zwei Holzpolter per TLS erfasst und anschließend in einem Sägewerk als Referenz vermessen. Polter 1 bestand gemäß dem Werksabmaß aus 1420 Stämmen mit einem Gesamtvolumen von 344,41 fm. Polter 2 hatte ein Gesamtvolumen von 139,54 fm und bestand aus 326 Stämmen, von denen 60 Stämme mit Nummern eindeutig markiert wurden. So konnte eine Zuordnung zwischen Abmaßliste und den gescannten Stämmen erfolgen.

Von der Punktwolke zum Einzelstamm
Die Laserscans liefern 3D-Abbildungen in Form von Punktwolken, die „digitalen Zwillinge“ der Holzpolter. Da die Laserstrahlen Holz nicht durchdringen können, beschränkt sich die 3D-Abbildung jedoch auf die Außenflächen des Polters. Bei hohen Poltern ist zudem die Oberseite teilweise nicht sichtbar. Um dennoch Aussagen über einzelne Stämme treffen zu können, wurde zunächst ein Algorithmus entwickelt, der die Stirnflächen der Einzelstämme auf der Vorder- und Rückseite eines Polters automatisiert erfasst. Anhand ihrer Dimension, räumlichen Lage und Ausrichtung konnten die vorder- und rückseitigen Stirnflächen eines Stammes einander zugeordnet werden, sodass virtuelle Stämme entstanden. Für die virtuellen Stämme waren zunächst nur die Enddurchmesser und die Länge messbar. Aus diesen Informationen wurden dann der Mittendurchmesser mit Rindenabzug, die Abholzigkeit, und das Einzelstammvolumen berechnet.

Hohe Genauigkeit bei Stammzahl und Volumen
Der Algorithmus für die Stirnflächenerkennung erzielte hohe Entdeckungsraten (96% oder mehr) und lieferte dabei nur 1% oder weniger falsche positive Treffer. Durch die Stirnflächenzuordnung konnten 92,8% der Stämme virtuell rekonstruiert werden.
Die Verteilungen der automatisch ermittelten Mittendurchmesser und Einzelstammvolumen mit Rindenabschlag wiesen bei Polter 1 keine statistisch signifikanten Unterschiede zur Werksvermessung auf. Das Gesamtvolumen von Polter 1 wurde durch die TLS-Messungen um 6,6% unterschätzt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass zur Berechnung des Gesamtvolumens nur die tatsächlich gefundenen Stämme der Stirnflächenzuordnung herangezogen wurden. In dieser Hinsicht ist das Ergebnis der Volumenberechnung recht beachtlich – mit 92,8% der Stämme wurden 93,4% des Volumens ermittelt. 
Der Vergleich der 60 markierten Stämme von Polter 2 lieferte das Ergebnis, dass die Mittendurchmesser auf 3,7 cm (beziehungsweise 9,7%) genau bestimmt werden konnten. Die Abweichungen der Einzelstammvolumen betrugen je nach Variante 0,11 fm (20,9%). Trotz dieser zunächst deutlich scheinenden Differenzen zum Werksabmaß konnten bei Polter 2 keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen der Werksvermessung und der TLS-Messung festgestellt werden.

Ein Blick in die Zukunft
Die lasergestützte Vermessung von Poltern wurde bislang kaum untersucht. Die vorliegende Masterarbeit leistet daher Pionierarbeit auf diesem Forschungsgebiet. Erfreulicherweise konnten bereits in diesem frühen Stadium der Methodenentwicklung vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Durch verbesserte Algorithmen wird die Genauigkeit in Zukunft noch weiter gesteigert werden. Während professionelle Laserscanner momentan noch sehr teuer (mehrere zehntausend Euro) und daher für die meisten Forstbetriebe kaum erschwinglich sind, gibt es bereits preiswerte endnutzer-orientierte Tablets und Smartphones (Apple iPad und iPhone Pro der neueren Generationen) mit integriertem Laserscanner. Das Ziel der künftigen Forschung ist daher die Entwicklung preiswerter und praxistauglicher laserbasierter Holzvermessungssysteme. Die weitere Erforschung zusätzlicher Funktionen, wie die automatisierte Auswertung von Qualitätsparametern, wie etwa Fäule, Bläue oder Kernholzanteil, könnten den praktischen Nutzen dieses Verfahrens für die Forst- und Holzwirtschaft noch weiter steigern.