Erste österreichweite Waldkarte, basierend auf der Österreichischen Waldinventur

Mit Hilfe von Methoden der Fernerkundung wurde am Institut für Waldinventur des Bundesforschungszentrums für Wald erstmals eine bundesweit flächendeckende satellitenbildbasierte Waldkarte unter Einbeziehung terrestrischer ÖWI-Daten produziert (Abbildung 1, oben rechts), die auch für kleinere Erhebungseinheiten gute Resultate liefert.

Die terrestrische Österreichische Waldinventur (ÖWI) liefert Informationen von hoher Qualität, allerdings keine räumlich detaillierten flächigen Karten. Darüber hinaus ist die Qualität (statistische Absicherung) der Ergebnisse für kleinere Erhebungseinheiten wie Bezirksforstinspektionen (BFI) infolge geringer Stichprobenanzahl unbefriedigend.

Von oben betrachtet

Spätestens seit Google Earth haben Satellitenbilder einen hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, dank einer enormen Bandbreite verfügbarer Sensoren. So reicht etwa die Pixelgröße kommerziell erhältlicher Satellitenbilder von knapp unter einem Meter bis zu einem Kilometer.

Seit kurzem werden Satellitenbilder auch zur Unterstützung der Österreichischen Waldinventur (ÖWI) eingesetzt. Es wird dabei eine Methode verwendet, bei der die Satellitenbilder nicht visuell, sondern automatisiert ausgewertet werden. Man spricht auch von einer Klassifizierung der Bilder. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Vermessung, Fernerkundung und Landinformation (IVFL) der BOKU durchgeführt, wo auch die verwendete Software entwickelt wurde.

Zu Beginn wird durch Überlagerung von Satellitenbild und ÖWI-Stichprobendaten ein Referenzdatensatz erstellt. Dieser beinhaltet für jede ÖWI-Stichprobenfläche sowohl die Spektralinformationen aus dem Satellitenbild, als auch die terrestrisch erhobenen Waldinformationen, wie beispielsweise Baumartenanteile oder Holzvorrat.

Anschließend können für jedes Bildelement (Pixel) die Waldparameter geschätzt werden, indem im Referenzdatensatz nach spektral (also „farblich“) ähnlichen Probeflächen gesucht und die Waldinformationen der ähnlichsten Probefläche dem jeweiligen Pixel zugeordnet wird. Diese Methode wird als k-nearest-neighbour(kNN)-Methode bezeichnet.
Verwendete Daten

Für den Einsatz im Rahmen der ÖWI wurden Aufnahmen des Satelliten LANDSAT aus den Jahren 2000 bis 2003 gewählt. Für eine österreichweite Abdeckung sind 13 Bilder notwendig. Die Pixelgröße beträgt 30 Meter. Als Referenzdaten für die Klassifizierung wurden die Probeflächendaten der letzten ÖWI-Inventurperiode 2000-2002 verwendet.

Weiters konnte auf ein digitales Höhenmodell mit 10 Metern Rasterweite zurückgegriffen werden. Außerdem wurden Orthophotos flächendeckend für ganz Österreich mit einer Pixelgröße von 25 Zentimetern und die topographische Karte im Maßstab 1:50.000 (ÖK50) zu Hilfe genommen. Orthophotos und ÖK50 waren über den GIS-Server des Land-, forst- und wasserwirtschaftlichen Rechenzentrums (LFRZ) des BMLFUW zugänglich.

Licht und Schatten

Bevor die kNN Methode erfolgreich auf die LANDSAT-Bilder angewendet werden konnte, waren einige Vorarbeiten notwendig. Besondere Rücksicht wurde dabei auf die unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnisse in den Bilddaten genommen, die durch die topographischen Eigenschaften des Geländes (Gebirge) verursacht werden.

Um Klassifizierungsergebnisse von guter Qualität erreichen zu können, mussten die Bilddaten daher radiometrisch korrigiert werden. Dabei wurden die unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnisse (Licht und Schatten auf Südhängen und Nordhängen) ausgeglichen. Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt eines LANDSAT-Bildes vor und nach der radiometrischen Korrektur.

Nach der Korrektur der Bilddaten wurden die Referenzdaten untersucht. Von 22.000 ÖWI-Probeflächen mussten etwa 600 „Ausreißer“ eliminiert werden. Diese Probeflächen lagen meist am Waldrand. Aufgrund der Pixelgröße werden diese Bereiche am Satellitenbild als so genannte Mischpixel abgebildet. Diese enthalten Informationen unterschiedlicher Landbedeckungen, z.B. von Wald und einer angrenzenden Wiese, und führen zu Fehlklassifikationen.
Lösung von Problemen

Aufgrund von Beeinträchtigungen der Satellitenbilder durch Bewölkung, Dunst und Kondensstreifen war es nicht möglich, eine lückenlose Waldkarte zu erstellen. Außerdem ist es durch Fernerkundung nur möglich, die Landbedeckung (Wald nach dem Kriterium der Bestockung), nicht aber die Landnutzung (Wald nach formalen Walddefinitionen) automatisch zu klassifizieren.

So ist nicht jede bestockte Fläche laut ÖWI-Walddefinition Wald (z.B. Parks, Gärten) und nicht jede unbestockte oder gering überschirmte Fläche Nicht-Wald (z.B. Schlagflächen, Jugendflächen). Bereiche, die von diesen Problemen betroffen waren, wurden manuell mit Hilfe der Orthofotos nachbearbeitet.

Ergebnisse

Anhand der Waldkarte (Abbildung 1, am Anfang des Artikels) konnte die Waldfläche Österreichs berechnet und mit den vorliegenden Ergebnissen der terrestrischen ÖWI verglichen werden. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigt, dass die Waldfläche, die man mit der kNN-Methode (inkl. Nachbearbeitung) erhält, tendenziell etwas kleiner ist als die Waldfläche laut der terrestrischen Erhebung.

Eine Ursache dafür ist die bereits erwähnte Landbedeckungs-/Landnutzungsproblematik, da es nicht möglich ist, mit vertretbarem Zeitaufwand alle betroffenen Bereiche nachzubearbeiten. Ein weiterer Grund für die systematische Abweichung sind Mischpixel an Rändern zwischen bestockter und unbestockter Fläche, die zu einem überwiegenden Teil als Nicht-Wald klassifiziert werden.

Die Ergebnisse wurden auch auf Bezirksforstinspektionen-Niveau verglichen. Es stellte sich heraus, dass vor allem für kleine Erhebungseinheiten wie die BFIs mit der kNN-Methode genauere Ergebnisse erzielt werden konnten.

Anwendungen und Ausblick

Die erste flächige Waldkarte Österreichs basierend auf Daten der ÖWI kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Durch Verschneidung mit einer Hangneigungskarte können Bereiche von Wäldern mit Schutzfunktion leichter beurteilt werden. Weiters kann die Waldkarte beispielsweise in Habitatmodellen verwendet werden, die für die Wiederansielung bestimmter Tierarten zum Einsatz kommen.

Hauptsächlich dient die Waldkarte als Ausgangsdatensatz, um weitere forstliche Attribute wie Baumartenmischungen, Schlagflächen und Vorrat mit der beschriebenen Klassifizierungsmethode zu kartieren. An diesen Auswertungen wird am BFW bereits gearbeitet. Abbildung 3 zeigt eine Waldkarte mit vier Klassen der Baumartenmischung und Schlagflächen im Bereich Steinfeld/Rosaliengebirge, Niederösterreich.