Ein neues Verfahren und seine Ergebnisse zur ...

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Titelbild Orthophotomosaik („Gründarstellung“ aus Colorinfrarot) als berechnete 3D-Visualisierung
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und Bezugsadresse: Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald
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Verantwortlich: Der Leiter der Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald,
Karl Friedrich Sinner
Gestaltung: Maria Döringer, Annemarie Schmeller
Luftbildauswertung: Fa. SLU, Sachverständigenbüro für Luftbildauswertung und Umweltfragen,
Gräfelfing
Kartengestaltung: Arthur Reinelt, Michael Wotschikowsky
April 2002
ISSN folgt, bitte ergänzen
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten
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Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Inhaltsübersicht
Luftbildauswertung zur Waldentwicklung
im Nationalpark Bayerischer Wald 2001 - Ein neues Verfahren
und seine Ergebnisse zur Totholzflächenkartierung
von Heinrich Rall und Klaus Martin
Vorwort ....................................................................................................................... 3
Zusammenfassung.................................................................................................................4
1. Einführung .................................................................................................................... 5
1.1 Luftbilder - wichtige Instrumente zur Dokumentation der Waldentwicklung ........... 5
1.2 Bisheriges Verfahren der Luftbildauswertung...................................................................... 5
1.3 Neue technische Entwicklungen als Voraussetzung einer Verfahrensänderung....... 8
2. Die neue Methode der Luftbildauswertung............................................................... 8
2.1 Hintergrund ................................................................................................................................... 8
2.2 Arbeitsschritte und Methoden.................................................................................................. 9
2.2.1 Scannen der Luftbilder.................................................................................................... 9
2.2.2 Blocktriangulation und Orthobildberechnung.......................................................... 9
2.2.3 Digitale, stereoskopische Luftbildauswertung........................................................10
2.2.4 Orthophotomosaik..........................................................................................................12
2.2.5 Ergebnisdarstellung........................................................................................................13
2.3 Beurteilung des digitalen Verfahrens...................................................................................15
3. Ergebnisse der Luftbildauswertung 2001................................................................16
3.1 Neukartierung der bis 2000 entstandenen Totholzflächen im Rachel-Lusen-Gebiet...16
3.2 Totholzflächenzugang bis zur Befliegung 2001 ................................................................16
3.3 Totholzflächen im Falkenstein-Rachel-Gebiet...................................................................18
4. Ausblick .....................................................................................................................19
5. Literaturauswahl.........................................................................................................20
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Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Vorwort
In der ersten Nummer der BERICHTE AUS DEM
NATIONALPARK wird die durch Luftbilder festgestellte
Entwicklung des Borkenkäfers im Jahre 2001
vorgestellt.
Mit dieser Reihe will die Nationalparkverwaltung
aktuelle Informationen aus dem Nationalpark einer
großen fachlichen und nichtfachlichen Öffentlichkeit
vorstellen. Neben der Darstellung von Forschungsarbeiten
in der in größeren Abständen erscheinenden
"Wissenschaftlichen Schriftenreihe" ist
diese Reihe das Forum, in dem die Nationalparkverwaltung
über aktuelle Aktivitäten aus allen
Arbeitsbereichen des Nationalparks - nicht nur aus
Forschung - künftig ein breiteres Informationsangebot
aus ihrer Tätigkeit bieten will.
Themenorientiert und damit deutlich spezialisierter
als der Jahresbericht, aber breiter angelegt als nur
3
wissenschaftliche Forschungsberichte wird damit
eine bisher bestehende Lücke in der Informations-
und Öffentlichkeitsarbeit des Nationalpark geschlossen.
Wir erwarten, dass wir damit in moderner Form
Antwort geben können auf die uns oft gestellte
Frage, was tut sich denn im Nationalpark und was
tut denn die Nationalparkverwaltung.
Ich danke den Autoren der Nummer 1 der BERICHTE
AUS DEM NATIONALPARK und allen, die zum Entstehen
dieser Reihe mit großem Engagement beigetragen
haben, sehr herzlich.
Karl Friedrich Sinner
Ltd. Forstdirektor

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Zusammenfassung
Seit 1988 werden vom Nationalparkgebiet jährlich
Color-Infrarot-Luftbilder aufgenommen, mit denen
vor allem die durch Borkenkäferbefall bedingte
Totholzentwicklung dokumentiert wird. Im Jahr
2001 wurde am 29. und 30. August eine Folgebefliegung
durchgeführt.
Die Luftbilder wurden mit einem neuen technischen
Verfahren ausgewertet, das im Vergleich zur bisherigen
Methodik eine genauere Ansprache der
Totholzflächen nach topographischer Lage und
Umfang erlaubt.
Ermöglicht wird dies durch das hochauflösende
Scannen der Luftbilder und die Herstellung sogenannter
digitaler Orthophotos, die entzerrt und
georeferenziert sind. Auf sie wird das Ergebnis einer
stereoskopischen Interpretation der gescannten
Luftbilder am Bildschirm unmittelbar übertragen.
Um die Befliegungsjahrgänge 2001 und 2000 (Aufnahmedatum
23.9.2000) im Hinblick auf die Neuentstehung
von Totholz exakt vergleichen zu können,
wurden auch von den Luftbildern des Jahres
2000 Orthophotos hergestellt. Die von 1988 bis
2000 entstandenen Totholzflächen des Rachel-
Lusen-Gebiets wurden mit der neuen präziseren
Methode in Summe erfasst. Die damit ermittelte
Gesamttotholzfläche beträgt 3.555 Hektar (bisheriger
Summenwert nach der alten Methode 3.712
Hektar).
Der Neuzugang an Totholzflächen bis zur Befliegung
2001 ist mit 45 Hektar in der von forstlichen
Eingriffen freien Naturzone und mit 10 Hektar
wegen Borkenkäferbefalls geräumten Flächen in der
4
Randzone relativ gering: Trotz der wegen der Verfahrensunterschiede
nicht ganz vergleichbaren
Ergebnisse ist der Zugang an Totholzflächen von der
Befliegung 2000 auf 2001 auf ca. ein Zehntel des
Vorjahres gesunken (vormaliger Neuzugang: 605
Hektar). Damit ergibt sich im alten Nationalparkgebiet
bis 2001 eine durch Borkenkäferbefall betroffene
Gesamtfläche von 3.610 Hektar. Das sind ca.
28 % dieses Waldgebiets.
Neue Totholzflächen sind vor allem südwestlich des
Rachelsees und nordwestlich des Rachelgipfels
sowie im Ostteil des Nationalparks um den Siebensteinkopf
nördlich Finsterau entstanden. Die genannten
Schwerpunkte verteilen sich auf die von
Natur aus fichtenreichen Hochlagen und auf die z.T.
noch mit Fichten-Altholz-Komplexen bestandenen
oberen Hanglagen. In unteren Hang- und Tallagen
ist neuer Borkenkäferbefall nur sporadisch anzutreffen.
Erstmals wurde das Erweiterungsgebiet (seit August
1997) des Nationalparks (Falkenstein-Rachel-
Gebiet) nach Totholz ausgewertet. Die gesamte
Totholzfläche beträgt dort 25,5 Hektar mit Schwerpunkten
im ehemaligen Naturschutzgebiet „Hochschachten
und Filze“ und im früheren Naturwaldreservat
„Zwieseler Filz“. Knapp 100 Hektar Waldfläche
wurden im Erweiterungsgebiet infolge Borkenkäferbekämpfung
geräumt.

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
1. Einführung
1.1 Luftbilder - wichtige Instrumente
zur Dokumentation der Waldentwicklung
Die wissenschaftliche Beobachtung der Waldlebensgemeinschaften
ist eine zentrale Aufgabe des
Nationalparks. Dazu gehört auch die langfristige
Verfolgung der Veränderungen von Waldstrukturen.
In den Naturwäldern des Nationalparks, in denen
grundsätzlich keine forstlichen Eingriffe erfolgen,
belegen Strukturveränderungen von Waldbeständen
das Ausmaß natürlicher Entwicklungskräfte.
Im Nationalpark Bayerischer Wald werden seit 1988
im jährlichen Abstand flächendeckend Befliegungen
1.2 Bisheriges Verfahren der Luftbildauswertung
zur Herstellung von Colorinfrarot-Luftbildern
durchgeführt. Dadurch können im Vergleich zu
terrestrischen Erhebungen großflächige Veränderungen
der Waldstruktur relativ einfach dokumentiert
werden.
Die besondere Empfindlichkeit der Filmemulsion im
Bereich Infrarot läßt eine gute Differenzierung
zwischen lebendem und abgestorbenem Pflanzenmaterial
zu. So sind auf den Aufnahmen die durch
den Borkenkäfer abgetöteten Fichten sehr leicht
auszumachen.
Abb.1: Unterschiede zwischen einer Zentral- und Parallelprojektion (nach JESCHOR A., 1964)
5

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Die Luftbildauswertung erfolgte Ende der 80er und
Anfang der 90er Jahre nach dem Stand der damaligen
Technik. Um eine lückenlose Zeitreihe nach der
gleichen Methode zu erhalten, wurde dieses Verfahren
bis einschließlich 2000 fortgeführt.
Das Verfahren beruhte in der paarweisen stereoskopischen
Betrachtung nicht entzerrter Luftbilder.
Über einem der beiden Luftbilder lag eine Klarsichtfolie.
Auf ihr wurde das Ergebnis der visuellen Interpretation
von Totholzbeständen eingezeichnet.
Anschließend wurden die Folienskizzen mittels
eines Leuchttisches von Fall zu Fall manuell in eine
Karte eingepasst und die Grenzen der Totholzflächen
übertragen.
Durch den Unterschied der Zentralprojektion eines
Luftbildes und der Parallelprojektion einer Karte
Befliegungsmaßstab, Lage- und Größenverzerrung
(vgl. Abb.1) entstanden trotz des Bemühens einer
händischen Anpassung methodenbedingte Fehler
nach Lage und Flächengröße der Totholzbestände.
Solche Fehler konnten bei einer Kartierung im folgenden
Jahr nicht oder nur sehr schwer berichtigt
werden, Fehler setzten sich fort.
Eine Hauptursache für die Schwierigkeit Fehler zu
korrigieren, liegt in dem Umstand, dass die einzelnen
Luftbilder der Folgebefliegungen nach Lage und
Maßstab fast nie deckungsgleich mit den Luftbildern
des Vorjahres sind. Eine händische Anpassung
der Grenzen von Kartierungseinheiten (z. B.
Totholzbestände) unterschiedlicher Luftbildjahrgänge,
die jeweils aus nicht entzerrten Luftbildern
entnommen worden sind, ist deshalb nur annähernd
möglich.
Bei der Planung einer Gebietsbefliegung zur Herstellung von Luftbildaufnahmen wird vom Auftraggeber
an die Befliegungsfirma stets ein Befliegungsmaßstab (z.B. 1:15 000) vorgegeben. Diese Angabe
versteht sich als Durchschnittswert. Der Flugleiter oder Pilot errechnet sich aus dieser Vorgabe,
der Brennweite des Kameraobjektivs und der durchschnittlichen Höhe des aufzunehmenden Geländes
über dem Meeresspiegel, die einzuhaltende Flughöhe. Weist das Gelände wie der Nationalpark Bayerischer
Wald größere Höhenunterschiede auf (ca. 850 Höhenmeter), werden (bei gleichbleibender
Flughöhe über NN und konstanter Brennweite der Kamera) fotografierte Gegenstände je nach Höhenlage
im Gelände in einem unterschiedlichem (Bild-)Maßstab abgebildet. Gegenstände oder Flächen
in den Hochlagen werden (da näher zum Kameraobjektiv gelegen) auf dem Luftbild in einem
größeren Maßstab abgebildet als in der Natur gleich große Objekte der Hang- oder Tallagen. Der
durchschnittliche Befliegungsmaßstab gilt beim Beispiel Nationalpark nur für die mittleren Hanglagen.
Darüber bzw. darunter gelegene Flächen werden größer bzw. kleiner abgebildet.
Neben der geländebedingten Maßstabsänderung gibt es weitere Maßstabsänderungen bzw. Verzerrungen
in Luftbildern, die von der eingesetzten Kameraoptik und nicht zuletzt von den Flugbedingungen
bei der Aufnahme abhängen.
Aufgrund der zentralperspektivischen Abbildung einer Kameralinse (alle Lichtstrahlen werden vor der
Verteilung auf eine lichtempfindliche Ebene [Filmemulsion] in einem Punkt gebündelt), werden abgebildete
Gegenstände am Rande eines Fotos bzw. Luftbilds lagemäßig nicht exakt wiedergegeben. Die
Größe der Lageverzerrung ist abhängig von der Brennweite des Objektivs und der Entfernung des abgebildeten
Gegenstands vom Bildmittelpunkt. Je kleiner die Brennweite des Objektivs (eine kleine
Brennweite entspricht einem Weitwinkelobjektiv) und je weiter ein Gegenstand vom Bildmittelpunkt
entfernt ist, um so größer ist die Lageverzerrung. Diese Beziehungen ergeben am Rande eines Luftbilds
im Weitwinkelformat z.B. vermeintlich "umfallende" Bäume oder "einstürzende" Häuser.
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Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Nur selten herrschen bei einer Befliegung ideale Witterungsverhältnisse, die quasi eine Planlage des
Flugzeugs in der Luft und damit eine genaue Senkrechtaufnahme garantieren. Besonders kleinere
Flugzeugtypen werden durch Luftströmungen und Turbulenzen aus der geplanten Flugrichtung und
Flughöhe abgedrängt, so dass daraus eine Verkantung des Flugzeugs nach zwei Richtungen und eine
Flughöhenabweichung erfolgen kann. In allen Fällen hat dies Lageversatzfehler und eine , wenn auch
kleinere Maßstabsänderung zur Folge. Die dadurch bedingten Fehler können in ihrer Auswirkung
durchaus beachtenswert sein: Bei einem Befliegungsmaßstab von 1:15 000 entspricht eine Lageänderung
eines Objekts im Luftbild von nur einem Millimeter bereits einem Fehler von 15 Metern, d.h.
ca. einer halben Baumlänge in der Natur.
Die Unterschiede im Kartierungsergebnis beider
Auswertemethoden sind vor allem durch optischphysikalische
Abbildungsgesetze in der Fototechnik
zu erklären. Ähnlich wie bei normalen Fotoaufnahmen
werden der Kamera näherliegende Objekte auf
dem Film stets größer abgebildet als weiter entfernt
liegende Gegenstände. So werden von einer Flugzeug-Kamera
bei gleicher Flughöhe des Flugzeuges
im Gelände höher gelegene Flächen auf dem Film
stets größer dargestellt als Flächen im Tal (s. Kasten
u. Abb.1).
Abb.2: Vom Luftbild zum Orthophoto
(Quelle: Lexikon der Geoinformatik (Online-Ausgabe), Institut für Geodäsie und Geoinformatik, Universität Rostock,
last update 3.2.2002)
7

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
1.3 Neue technische Entwicklungen als Voraussetzung einer
Verfahrensänderung
Abweichungen, die bei der Auswertung nicht entzerrter
Luftbilder entstehen, können über die Herstellung
und Anwendung von Orthophotos (= entzerrte
bzw. georeferenzierte Luftbilder) weitgehend
vermieden werden. Die ursprüngliche Zentralprojektion
eines Luftbildes wird durch Berechnungen in
eine nach Lage und Größe richtige Parallelprojektion
(identisch einer Karte) überführt.
Erst die rasante Weiterentwicklung der Computer-
Hard- und -Software der letzten Jahre ermöglicht
einem breiteren Anwenderkreis (PC-Benutzer) die
Herstellung digitaler Orthophotos und die stereoskopische
Betrachtung gescannter Luftbilder am
Bildschirm.
Parallel zu den Fortschritten in der allgemeinen
Computertechnik und ihrer breiten Anwendung
unter PC-Benutzern ist innerhalb der letzten zehn
Jahre die Technologie der Geographischen Informations-Systeme
(GIS) von Workstation- auf PC-Basis
transferiert worden. Auch die Nationalparkverwaltung
Bayerischer Wald konnte auf dieser Plattform
die GIS-Technologie einführen. Die Ergebnisse der
2. Die neue Methode
der Luftbildauswertung
2.1 Hintergrund
Die Firma SLU (Sachverständigenbüro für Luftbildauswertung
und Umweltfragen) in Gräfelfing setzt
seit 1980 die Fernerkundung z. B. im Rahmen von
Waldschadensinventuren, Biotop- und Nutzungstypenkartierungen
oder Landnutzungsklassifizierungen
ein. Wurden zu Beginn i. d. R. Luftbilder verwendet,
waren es seit 1990 auch zunehmend satellitengestützte
Daten. Dabei zeigte sich schon bald
ein großer Vorteil in der Tatsache, dass es sich bei
den Satellitenbildern um digitale Daten handelt, die
8
Luftbildauswertungen der letzten Jahre sind bereits
in das Nationalpark-GIS integriert. Wegen der vorher
beschriebenen Lage- und Größenabweichung
der Totholzflächen infolge der alten Luftbildauswertungsmethode
ist jedoch eine Überlagerung oder
Verschneidung dieser Flächen mit anderen Datenschichten
nicht immer sinnvoll. Eine Verschneidung
von Daten des GIS mit solchen von Luftbildauswertungen
führt erst dann zum gewünschten Erfolg,
wenn die Daten der Luftbildauswertungen auf Orthophoto-Basis
in das GIS eingearbeitet worden
sind.
Sinngemäß gilt dies auch für Daten, die mittels GPS
(Global Position System) auf der Fläche des Nationalparks
erhoben werden, ebenso für Positionen
von Wildtieren, die über Telemetrie ermittelt werden
oder andere georeferenzierte Geländedaten, die
im Rahmen der begonnenen Projekte der High-
Tech-Offensive im Nationalpark anfallen. Neue oder
gehobene Anforderungen der Forschung erfordern
ein modernes Verfahren der Luftbildauswertung
nach dem neuesten Stand der Technik.
relativ einfach auf ein bestimmtes Kartensystem
georeferenziert und mit spezieller Software bearbeitet
bzw. ausgewertet werden können.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei Luftbildern i.
d. R. um analoge Daten. Für deren „klassische“ Auswertung
bzw. Interpretation am Stereoskop gibt es
seit Ende der 80er Jahre standardisierte Verfahren.
Jedoch kennt jeder, der schon einmal mit Luftinterpretation
befasst war, das schon vorher angespro-

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
chene Problem: Wie übertrage ich die Ergebnisse,
z.B. Abgrenzungen von Borkenkäferflächen, auf die
Karte? Verstärkt wird das Problem bei sich wiederholenden,
vergleichenden Auswertungen, bei denen
z. B. die Schadensentwicklung dokumentiert und
flächenmäßig festgestellt werden muss. Außerdem
erfordert der Einsatz von GIS eine Geometrie der
Daten bzw. Auswertungsergebnisse, die eine Verschneidung
mit anderen im GIS enthaltenen Daten
zulässt.
Die Möglichkeit Luftbildauswertungen in Kartensysteme
durch den Einsatz von analytischen Stereoplottern
zu übertragen, war bei einem Anschaffungspreis
von ca. 350000 DM und einer zeit- wie kostenintensiven
Auswertungsprozedur nicht marktfähig bzw.
auf einzelne Anwendungen beschränkt.
2.2 Arbeitsschritte und Methoden
Die digitale Auswertung der Colorinfrarot-Luftbilder
des Nationalparks Bayerischer Wald für die Jahre
2000 und 2001 beinhaltet die Arbeitsschritte
• Scannen der Luftbilder
2.2.1 Scannen der Luftbilder
Bisher müssen die Luftbilder noch über einen Scanner
in die digitale Form gebracht werden. Was die
Scanauflösung angeht, so hängt sie stark vom Befliegungsmaßstab
und von der jeweiligen Fragestellung
ab. Für die Delinierung von Borkenkäferflächen
ist beim vorliegenden Befliegungsmaßstab eine
Auflösung von 20 μm mehr als ausreichend.
2.2.2 Blocktriangulation und Orthobildberechnung
Die Orthobilderstellung mit dem ERDAS Modul
OrthoBASE erfolgt in sechs Teilschritten:
• Sensor Modellierung
• Innere Orientierung
9
Nicht zuletzt wird die Forderung nach einer bezahlbaren,
digitalen Luftbildauswertung durch die Tatsache
unterstützt, dass der Ersatz von Luftbildern
durch hochauflösende Satellitenbilddaten kurz-
bzw. mittelfristig nicht zu erwarten ist. An der
Entwicklung bzw. Erprobung von digitalen Luftbildkameras,
die direkt digitale Luftbilddaten liefern,
wird intensiv gearbeitet.
Die steigende Nachfrage nach der digitalen Ver-
und Bearbeitung von Luftbildern veranlasste ER-
DAS, Inc., vertreten durch den exklusiven Distributor
in Deutschland, Geosystems GmbH, entsprechende
Photogrammetriemodule in ihr Bildverarbeitungsprogramm
Imagine aufzunehmen.
• Blocktriangulation und Orthophotoberechnung
• Digitale, stereoskopische Luftbildauswertung
• Orthophotomosaik
• Ergebnisdarstellung
Deshalb wurden die insgesamt 267 CIR-Luftbilder
(beide Jahrgänge im Befliegungsmaßstab 1:15.000)
mit einem photogrammetrischen Scanner bei einer
Auflösung von 20 μm gescannt. Die Bilddateien
haben eine Größe von rd. 410 Megabyte, hinzu
kommen noch rd. 140 Megabyte für die Statistikdatei.
Insgesamt ergibt sich für die digitalen Luftbilder
der beiden Jahrgänge ein Ausgangsdatenbestand
von rd. 147 Gigabyte.
• Automatische Verknüpfungspunktsuche
• Passpunktmessung
• Aerotriangulation
• Orthorektifizierung / Ortho-Kalibrierung

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Nach Einlesen der gescannten, digitalen Luftbilder
in OrthoBASE werden die Sensordaten eingegeben,
wobei die notwendigen Flug- und Kameradaten
(z.B. Flughöhe, Brennweite, Linsenverzerrung, Koordinaten
der Rahmenmarken) im Kalibrierungsprotokoll
zu finden sind.
Bei der inneren Orientierung werden die Rahmenmarken
in den einzelnen Luftbildern gemessen und
in ein Bildkoordinatensystem überführt. Anschließend
werden die Bilder in den Streifen bzw. dazwischen
manuell über zwei Verknüpfungspunkte pro
Stereomodell miteinander verbunden. Weitere Verknüpfungspunkte
(ca. 50 pro Stereomodell) werden
automatisch vom Programm bestimmt.
Die geometrische Beziehung zwischen den Bildern
und der Erdoberfläche bzw. dem Koordinatensystem
2.2.3 Digitale, stereoskopische Luftbildauswertung
Im ERDAS-Modul StereoAnalyst können die in OrthoBASE
erstellten Blockfiles direkt eingelesen
werden. Die Definition der zu digitalisierenden
Objektklassen (hier: Totholz flächig, Totholz gruppenweise,
Fläche geräumt) erfolgt in einem sog.
„Feature Project“. Die im Nationalpark-GIS existierenden
2D-Shapefiles für die Nationalparkgrenze
und die Randzone werden importiert und dem Luftbild
überlagert (vgl. Abb. 3).
Die Luftbildauswertung bzw. Delinierung der o.g.
Objektklassen erfolgt mit Hilfe einer Stereobrille in
3D direkt am Bildschirm. Nach Anklicken der gewünschten
Objektklasse wird die Fläche mit dem
Cursor nachgefahren bzw. digitalisiert. Hier zeigen
sich gegenüber dem analogen Verfahren am Stereoskop
wesentliche Vorteile: Während analog die
Auswahl der Stereobildpaare - insbesondere bei
großen Auswertegebieten und entsprechend vielen
Flugstreifen bzw. Luftbildern - anhand der Bildmittenübersicht
sehr zeitaufwendig ist, kann in StereoAnalyst
über ein Auswahlfenster („Stereo Pair
Chooser“, siehe Abb. 4) schnell der gesamte, zu-
10
(hier Gauß-Krüger) erfolgt über 3D-Geländepasspunkte.
Als Referenz dienen dabei die digitalen
Orthophotokarten des Bayerischen Landesvermessungsamtes
in Verbindung mit einem digitalen
Geländemodell (Auflösung 50 x 50 Meter).
In der abschließenden Aerotriangulation werden die
Parameter der äußeren Orientierung sowie die Geländekoordinaten
aller in den Bildern gemessenen
Punkte (Verknüpfungspunkte) in einer Ausgleichung
bestimmt. Anhand eines rechnerischen und graphischen
Fehlerprotokolls lassen sich dabei fehlerhafte
Pass- und Verknüpfungspunkte eliminieren. Aufgrund
der in der Aerotriangulation bestimmten
Orientierung und des Geländemodells wird dann für
jedes Luftbild das entsprechende Orthophoto berechnet.
sammenhängende, digitale Bildblock aufgerufen
und ein Bildpaar ausgesucht werden. Bei der Digitalisierung
bewegt man sich immer in der vorher
definierten Kartenprojektion und die delinierten
Flächen werden auch in dieser abgelegt. Ein Umzeichnen
auf Folie bzw. das Einpassen auf eine
Karte und die nachträgliche Digitalisierung sind –
wie im analogen Verfahren – nicht mehr notwendig.
Beim "Hineinzoomen" in die Luftbilder werden die
eingeblendeten Zusatzdaten (z. B. Nationalparkgrenze)
nachgezogen. Auch entfällt dabei das am
Stereoskop i. d. R. notwendige Nachjustieren der
Bildpaare.
Ein Ziel der Luftbildauswertung war die Fortschreibung
(Monitoring) der Entwicklung der Waldflächen
im Nationalpark Bayerischer Wald zwischen den
zwei Befliegungszeitpunkten im Jahr 2000 und
2001. Hierzu wird in StereoAnalyst das Auswertungsergebnis
für das Jahr 2000 den Luftbildern
2001 überlagert. Dadurch können die Veränderungen
gegenüber dem Vorjahr wieder direkt am Bildschirm
stereoskopisch deliniert werden.

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Abb. 3: Bearbeitungsoberfläche von StereoAnalyst: „Feature Project“ mit Objektklassen und importierten
Vektordaten (Shapefiles)
Abb. 4: Auswahlfenster „Stereo Pair Chooser“ in StereoAnalyst zum Aufrufen eines Bildpaares
11

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
2.2.4 Orthophotomosaik
Mit dem Mosaic-Tool in ERDAS Imagine werden die
mit OrthoBASE berechneten, einzelnen Orthophotos
zu einem nahtlosen Mosaik zusammengesetzt (siehe
Abb. 5). Bei einer Bodenauflösung von 60 cm
wird das Luftbildmosaik rd. 8 Gigabyte groß, bei 40
cm werden fast 18 Gigabyte erreicht. Das operationelle
Handling solcher großen Dateien ist nur noch
mit speziellen Viewern (z. B. in ERDAS Imagine) zu
bewerkstelligen. Um das Mosaik auch im Nationalpark
ArcView GIS (mögliche Dateigröße bei etwa 2
Gigabyte) verwenden zu können, werden die Daten
mit MrSiD komprimiert. Neben ArcView kann auch
ERDAS Imagine MrSiD-Daten direkt lesen. Bei einer
AAbb. 5: Colorinfrarot-Orthophotomosaik Nationalpark Bayerischer Wald 2001
12
Komprimierungsrate von 1 : 20 bleiben bei 60 cm
Auflösung maximal 400 MB, bei 40 cm maximal
900 MB übrig. Der Informationsverlust durch die
Komprimierung wurde bereits bei anderen Anwendungen
untersucht. Bei 1 : 20 komprimierten Bilddaten
konnte hier selbst bei starker Vergrößerung
des Bildausschnittes kein Unterschied zum Original
festgestellt werden. Das komprimierte Bild erscheint
im Gegenteil oft kontrastreicher bzw. schärfer, was
mit dem Herausfiltern von störenden Bildelementen
(„Bildrauschen“) beim Komprimieren zu erklären ist.
Dagegen wird bei den 1 : 40 komprimierten Bilddaten
der Informationsverlust deutlich sichtbar.

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
2.2.5 Ergebnisdarstellung
Die in StereoAnalyst delinierten Flächen werden zur
weiteren Verarbeitung als ESRI 2D- oder 3D-
Shapefiles exportiert. Diese Shapefiles können dann
zum Beispiel sofort in das Nationalpark ArcView GIS
übernommen und im Viewer mit dem Orthophoto-
mosaik als Hintergrund dargestellt werden (siehe
Abb. 6, 7 und 8). Auch kann das Orthophotomosaik
in Verbindung mit dem digitalen Geländemodell zur
3D-Visualisierung verwendet werden (siehe Abb. 9
und 10).
Abb. 6: Übernahme der digitalen Auswerteergebnisse direkt in das Geographische Informationssystem
des Nationalparks mit Colorinfrarot-Orthophotomosaik als Hintergrund
13

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Abb. 7: Auswerteergebnisse für Rachel-Lusen-Gebiet mit Colorinfrarot-Orthophotomosaik als Hintergrund
Abb. 8: Ausschnitt aus Rachel-Lusen-Gebiet mit Auswerteergebnissen und Colorinfrarot-Orthophotomosaik
als Hintergrund
14

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Abb. 9: Colorinfrarot-Orthophotomosaik als 3D-Visualisierung
Riedlhütte
Waldhäuser
St. Oswald
Abb. 10: Orthophotomosaik („Gründarstellung“ aus Colorinfrarot) als berechnete 3D-Visualisierung
2.3 Beurteilung des digitalen Verfahrens
Bei der Auswertung der unkomprimierten, digitalen
Daten konnten die Programme bzw. Module ERDAS
OrthoBASE und StereoAnalyst auch mit großen
Datenmengen umgehen. Einschränkungen ergeben
sich lediglich aus der Größe der Bilddaten und deren
Weiterverwendung bzw. Speicherung. So kann
das bei der Nationalparkverwaltung verwendete
ArcView nur Dateien bis ca. 2 Gigabyte verarbeiten,
was z.B. für das berechnete Orthophotomosaik mit
einer Größe von rd. 16 Gigabyte bei weitem nicht
15
ausreicht. Abhilfe schafft hier die Datenkomprimirung
mit MrSID, womit die Datenmenge deutlich
reduziert werden konnte. Wie bereits andere Auswertungen
zeigten, konnte bei den 1:20 komprimierten
Bilddaten selbst bei starker Vergrößerung
des Bildausschnittes kein Unterschied zum Original
festgestellt werden. Im Gegenteil erscheint das
komprimierte Bild kontrastreicher bzw. schärfer,
was mit dem Herausfiltern von störenden Bildelementen
("Bildrauschen") zu erklären ist.

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
Der Vergleich von analoger und digitaler Stereoauswertung
zeigt, dass die digitale Methode mit
StereoAnalyst den Interpretationsvorgang wesentlich
vereinfacht. Insbesondere sind hier hervorzuheben
der schnelle Zugriff auf die Bildpaare, das problemlose,
verzerrungsfreie Arbeiten in der Kartenprojektion,
die Möglichkeit Vektordaten (z. B. Grenzen
aber auch vorhergehende Auswertungen) zu importieren
bzw. während der Auswertung einzublenden
und der einfache Export der digitalisierten Flächenabgrenzungen
in ein GIS-kompatibles Format (Shapefiles).
Die zusätzlich notwendigen Arbeiten zur
Orthophotoberechnung (Blocktriangulation) in
OrthoBASE werden durch die Möglichkeit, nun
digitale und analoge CIR-Orthophotos herzustellen
und diese bei anderen Anwendungen (z. B. als Hintergrund
im GIS) zu nutzen, mehr als aufgewogen.
3. Ergebnisse der Luftbildauswertung 2001
3.1 Neukartierung der bis 2000 entstandenen Totholzflächen
im Rachel-Lusen-Gebiet
Die auf den Luftbildern des Jahres 2000 erkennbaren
Totholzflächen wurden unabhängig von ihrem
Entstehungsjahr in Summe neu kartiert. Anschließend
wurde der Luftbildjahrgang 2001 auf die neu
entstandenen Totholzflächen ausgewertet (Details
zur Methodik s. 2.2.3). Somit wird die Beobachtung
der Waldentwicklung ohne zeitliche Lücke fortgesetzt.
Ab dem Jahr 2000 beginnt eine neue Zeitreihe
der Auswertung, die im Verfahrenswechsel begründet
ist.
Die nach der neuen Methode ermittelte Summe der
Totholzflächen bis zur Befliegung 2000 beträgt
3555 Hektar (Verteilung der Flächen s. beiliegende
Karte). Im Vergleich dazu wurde mit der bisherigen
Methode eine GesamtTotholzfläche von 3712 Hektar
kartiert. Der Unterschied von 157 Hektar kann
zu einem großen Teil durch die höhere Genauigkeit
3.2 Totholzflächenzugang bis zur Befliegung 2001
Fotos liefern sichtbare Informationen von Objekten
zum Zeitpunkt der Aufnahme. Die Grundidee der
Luftbildauswertung ist, Veränderungen an Waldbeständen
durch Vergleich zweier Luftbildaufnahmen
unterschiedlichen Datums zu analysieren. So sind
Angaben über Flächenveränderungen jeweils nur
16
des neuen Verfahrens erklärt werden. Da mehr als
die Hälfte (ca. 52 Prozent) der gesamten Totholzbestände
in den Hochlagen (Anteil an der Gesamtfläche
17 Prozent) vorzufinden ist, sind die im alten
Verfahren vergrößert dargestellten Flächen überrepräsentiert,
die Abweichung der Ergebnisse beider
Methoden wird dadurch verständlich. Die Differenz
von 157 Hektar mag auf den ersten Blick hoch
erscheinen, in Relation zur gesamten Totholzfläche
beträgt der Fehler jedoch nur 4 Prozent. Verteilt
man diesen Fehler auf den 13 jährigen Kartierungszeitraum,
ergibt sich rechnerisch nur mehr eine
mittlere Abweichung im Promille-Bereich. Dies
macht deutlich, dass die alte Luftbildauswertungsmethode
mit relativ einfachen Mitteln zur Beurteilung
der Flächensumme von Totholzbeständen
(nicht nach der exakten Lage) gut geeignet war.
auf das Zeitintervall zwischen zwei Befliegungen
bezogen.
Da Befliegungen für die Herstellung von Luftbildaufnahmen
nur an wolkenfreien Tagen durchgeführt
werden können, ist es unter Berücksichtigung

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
der Witterung im Bayerischen Wald äußerst selten,
dass die Befliegungsintervalle genau zwölf Monate
betragen. Die Auswertungen des Totholzflächenzugangs
nach Befliegungsjahren (vgl. Abb. 11) sind
deshalb stets vor diesem Hintergrund zu betrachten
und sind nicht exakt miteinander vergleichbar.
Todholzflächenzugang (ha)
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
68
Ausgeräumte Borkenkäferflächen
im Randbereich
21 14 5 14
132
63
Strenggenommen müßten Totholzflächenzugänge
nach einem Befliegungsintervall von mehr als zwölf
Monaten einen Abschlag und solche von weniger
als zwölf Monaten einen Zuschlag erhalten. Da
solche Zu- oder Abschläge aber nicht quantifizierbar
sind, unterbleiben sie.
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999a 1999b 2000 2001
Abb.11: Totholzflächenzugang nach Befliegungsjahren
Der Zeitraum zwischen der Befliegung am 23. September
2000 und der Befliegung am 29. und 30.
August 2001 beträgt nur ca. 11 1/4 Monate. Die
Daten des Totholzflächenzugangs liegen deshalb
entsprechend unter den Werten eines ganzen Jahres.
Neben der rein mathematisch-zeitlichen Sichtweise
der Verlängerung oder Verkürzung eines jährlichen
Befliegungsintervalls sind bei der Interpretation des
Totholzflächenzugangs auch biologische Aspekte zu
berücksichtigen: Tote Fichten sind auf dem Luftbild
zunächst deswegen erkennbar, weil ihre Nadeln im
Kronenraum von grün in rotbraun verfärbt sind (auf
dem CIR-Luftbild von rot in grau-grün). Der Eintritt
und die Geschwindigkeit der Nadelverfärbung (eine
Folge der Unterbrechung von Leitungsbahnen im
Baum durch den Borkenkäfer) ist abhängig von der
Befliegungsjahr
17
367
827
587
550
409
605
Intensität der Photosynthese. Die photosynthetische
Aktivität selbst variiert wiederum in Abhängigkeit
von Jahreszeit und Witterung. Im allgemeinen
nimmt sie vom Sommer zum Herbst stark ab. Fällt
nun die Verkürzung eines jährlichen Befliegungsintervalls
in eine photosynthetisch noch aktivere Zeit,
ist die Reduktion der im Luftbild erkennbaren
Totholzflächen größer als es der ausschließlich
mathematisch-zeitlichen Sichtweise entspricht.
Quantitative Angaben sind jedoch auch hier nicht
möglich.
Die Auswertung des Befliegungsintervalls von 2000
auf 2001 ergab 45 Hektar Totholzflächenzugang in
der Naturzone und 10 Hektar wegen Borkenkäferbefalls
geräumte Flächen in der Randzone. Insgesamt
hat sich somit die Fläche der vom Buchdrucker
getöteten Baumbestände im Untersuchungsgebiet
55

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
um 55 Hektar erhöht. Trotz der aus oben geschilderten
Gründen nicht ganz vergleichbaren Ergebnisse
der Befliegungsjahre 2000 und 2001 ist der
Zugang an Totholzflächen im letzten Jahr auf ca.
ein Zehntel des Vorjahres gesunken. Berücksichtigt
man die Ergebnisse der Flächenkorrekturen aufgrund
des geänderten Auswertungsverfahrens, so
ergibt sich seit Beginn der Luftbildauswertungen
1988 eine durch Borkenkäferbefall betroffene Gesamtfläche
von 3610 Hektar.
Die Verteilung dieser Flächen ist aus der Karte im
Anhang ersichtlich: Neue Totholzflächen innerhalb
der Naturzone sind vor allem südwestlich des Rachelsees
und nordwestlich des Rachelgipfels entstanden.
Weitere Schwerpunkte des Neubefalls in
der Naturzone liegen um den Siebensteinkopf
(nördlich Finsterau). Die genannten Schwerpunkte
verteilen sich auf die von Natur aus fichtenreichen
Hochlagen und auf die z. T. noch mit Fichten-
Altholzkomplexen bestandenen oberen Hanglagen
(vgl. Anhang Orthophotomosaik: Lebende Fichtenbestände
sind an ihrer dunklen Farbe erkennbar). In
der unteren Hanglage und in von Kaltluftstau
beeinflußten Tallagen ist neuer Borkenkäferbefall
nur sporadisch anzutreffen. Meistens handelt es
3.3 Totholzflächen im Falkenstein-Rachel-Gebiet
Im Rahmen der Nationalparkbefliegung 2001 wurde
auch erstmals das Falkenstein-Rachel-Gebiet (Erweiterungsgebiet
seit August 1997) nach Totholz
ausgewertet. Hier wurde eine Gesamttotholzfläche
von 25,5 Hektar festgestellt. Schwerpunkte sind
Teile des ehemaligen Naturschutzgebietes "Hochschachten
und Filze" bzw. das frühere Naturwaldreservat
"Zwieseler Filz" an der Grenze zu Tschechien,
in denen der Borkenkäfer parallel zur Entwicklung
im alten Nationalpark seit 1994 aktiv war. Dort
18
sich um Kleinflächen oder um Gruppen mit bis zu
fünf toten Fichten.
In der Randzone, in der frisch vom Borkenkäfer
befallene Fichten gefällt und wegtransportiert werden,
konzentrieren sich die auf diese Weise ausgeräumten
Flächen auf den Ostteil des Nationalparks
(Einhänge zum Reschbach-Tal). Auch im Mittelteil,
vor allem im Gebiet zwischen den Ortschaften
Guglöd und Altschönau, sind solche ausgeräumten
Flächen zu finden.
Sofern in Laub-Nadelholz-Mischbeständen der
Randzone im Rahmen der Borkenkäferbekämpfung
nur einzelne Altfichten gefällt werden mußten,
konnten diese wegen des verbleibenden geschlossenen
Kronendachs bei der Luftbildauswertung nicht
erfaßt werden. Der Waldcharakter bleibt trotz Entnahme
einzelner Bäume erhalten, die Standflächen
der eingeschlagenen Fichten werden bei der Summierung
der ausgeräumten Flächen nicht berücksichtigt.
Der borkenkäferbedingte Holzeinschlag umfaßte bis
zum Befliegungszeitpunkt im Rachel-Lusen-Gebiet
einschließlich der einzelnen Fichten in Laub-
Nadelholz-Mischbeständen 8048 Festmeter.
wurde weder vom damaligen Forstamt Zwiesel noch
ab 1997 von der Nationalparkverwaltung eingegriffen.
Bei rund 8 Hektar davon handelt es sich um
kleinste und kleinere Totholzgruppen in abgelegenen
Lagen (z.B. in Steilhängen am Falkenstein). Der
Gesamtumfang der geräumten Flächen infolge
Borkenkäferbekämpfung beträgt nach dem Kartierungsergebnis
99,9 Hektar (Schwerpunkt: Grenze
zum Altnationalpark auf der Nordseite des Rachels).

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
4. Ausblick
Die aufgrund technischen Fortschritts möglich
gewordene neue Methode der Luftbildauswertung
garantiert in Zukunft eine wesentlich genauere
Kartierung von Borkenkäferbefallsflächen nach Lage
und Größe. Die jetzt erreichbare Genauigkeit erlaubt
die Ergebnisse der Luftbildauswertungen in
Simulationstudien über den Borkenkäferbefall miteinzubeziehen
und auf eine vermessungstechnisch
sichere Grundlage zu stellen. Auch georeferenzierte
Ergebnisse aus anderen Forschungsbereichen (z. B.
Vogelkartierungen, Ergebnisse der Wildtiertelemetrie
etc.) können so über das Geographische
Informationssystem in Beziehung zur Totholzkartierung
gebracht werden. Es steigen die Chancen, z.B.
neue Erkenntnisse über Biotopansprüche von Tierarten
zu gewinnen.
Nach wie vor kann das Auf und Ab der Dynamik des
Borkenkäferbefalls nicht über die Luftbildauswertung
ursächlich geklärt werden, auch nicht mit der
neuen, genaueren Methode. Eine Befallsprognose
für das Folgejahr ist nicht möglich. Die dazu angelaufene
Ursachenforschung muß deshalb weitergeführt
und vertieft werden.
Die für die Populationsdynamik von Insekten als
maßgeblich erkannten Regulationsmechanismen
Habitatangebot, Antagonisten, endogene Faktoren,
19
Konkurrenz und Witterungsverlauf bedürfen in
ihrem Zusammenspiel noch intensiver Analysen. In
der Zeitreihe der Befliegungsauswertungen bis zum
Jahr 2000 wurde vor allem die Witterung in der
Vegetationszeit als eine maßgebliche Steuergröße
für die Populationsentwicklung des Borkenkäfers
gesehen (HEURICH M. et al., 2001). Die Zusammenschau
des vorliegenden Befliegungsergebnisses mit
den Wetterdaten von 2001 zeigt auf, dass die Borkenkäferpopulation
im alten Nationalparkgebiet im
vergangenen Jahr vom Witterungsverhalten mit für
einen Bruterfolg günstigen Temperaturen eher
abgekoppelt war (Weissbacher, mündliche Mitteilung,
2002).
Letztlich sollen relevante populationssteuernde
Faktoren in ein stochastisches Modell integriert
werden. Die Modellannahmen können dort anhand
bisheriger Totholzflächenentwicklungen überprüft
und korrigiert werden. Gelingt dieses Verfahren, ist
man einer Prognosemöglichkeit der Befallsflächenentwicklung
ein großes Stück näher gekommen.
Nur eine interdisziplinäre Zusammenarbeit und eine
Kombination und Anwendung verschiedener neuer
Methoden hat Aussicht, die Prozesse natürlicher
Waldentwicklung aufzuklären.

Luftbildauswertung zur Waldentwicklung im Nationalpark 2001
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Anhang: Totholzkartierung Rachel-Lusen-Gebiet nach Befliegung 2001 (29./30.8.2001)
Orthophotomosaik Rachel-Lusen-Gebiet
Orthophotomosaik Falkenstein-Rachel-Gebiet
Anschrift der Autoren: Dr. Heinrich Rall, Nationalparkverwaltung Bayerischer Wald, Freyunger Str. 2,
94481 Grafenau, E-Mail: heinrich.rall@fonpv-bay.bayern.de
Dr. Klaus Martin, SLU, Sachverständigerbüro für Luftbildauswertung und Umweltfragen,
Lohenstr. 14, 82166 Gräfelfing, E-Mail: klaus.martin.slu@t-online.de
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