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M. Hollaus, W. Dorigo, W. Wagner, K. Schadauer:
"Regionalisierung von Waldinventurdaten mit Hilfe von Methoden des luftgestützten Laserscannings (ÖWI-Regio)";
Report for BFW; Report No. 1, 2007; 29 pages.

The first progress report of the project entitled "Regionalization of forest inventory data using airborne laserscanning" (ÖWI-Regio) provides an overview of the work that has been accomplished during the first 11 months of the project and presents an outlook of the tasks planned for 2008. The Austrian National Forest Inventory (ÖWI) is based on a nation-wide statistical sampling scheme and allows representative conclusions on forest conditions only for larger administrative areas. Aim of the ÖWI-Regio project is to enhance the informative value of ÖWI for smaller areas and to provide spatially distributed estimates of selected forest parameters (e.g. stem volume). For this purpose, established airborne laserscanning approaches and forest inventory methods are combined. Finally, a newly developed operational software program should allow the automated processing of airborne laserscanning data in combination with the terrestrial ÖWI data.
The studies are performed in the Vorarlberg province, an area dominated by coniferous forests, and at the Ötscher test site, which is dominated by mixed and deciduous forests. While ÖWI data were already at disposal for these areas, laserscanning data were made available through the federal authorities. In addition, for Vorarlberg there was access to data provided by the forest administration Stand Montafon Forstfonds. Since for the Ötscher test site the number of samples was too limited for the envisaged analyses, the BFW conducted an additional detailed local inventory in cooperation with the Austrian State Forests.
Within the framework of the project, an automated approach has been developed for the estimation of stem volume from laserscanning and forest inventory data. The approach is based on an empirical model that describes the stem volume on a sample plot as a linear function of the volume between the digital terrain model and the surface defined by first laser echoes. As the positioning errors of the ÖWI data are often too large to allow for a direct comparison with the laser data, an additional iterative tool was developed that automatically searches for the best relative orientation between the ÖWI sample plots and the laser data. Both procedures were implemented in the IDL programming language.
First results of the automated co-registration procedure showed that a satisfying accuracy could be obtained for 50% of the OWI sample plots contained within the Vorarlberg test area. The relatively high error rate can be explained by positioning errors in the ÖWI data, the underestimation of tree heights by the laser data, and multiple solutions provided by the algorithm. In addition, the stem volume model could be successfully calibrated with the ensemble of co-registered ÖWI data of Vorarlberg (Rē=0.69, relative standard deviation established by cross validation, SD=34.6%). Calibrating the model separately for different forest types significantly improved the accuracy, in particular for coniferous forests (Rē=0.78; SD=29.0%).
Among others, future tasks within the ÖWI-Regio project will focus on improving the automated co-registration procedure and on analyzing the effect of varying laser data characteristics on estimated stem volumes. Furthermore, analyses will be extended to the Ötscher test area. For the Vorarlberg study site, an additional validation of the approach with the Stand Montafon Forstfonds inventory data is foreseen.

Der vorliegende erste Zwischenbericht des Projekts "Regionalisierung von Waldinventurdaten mit Hilfe von Methoden des luftgestützten Laserscan-nings" (ÖWI-Regio) beschreibt die innerhalb der ersten 11 Monate durchge-führten Arbeiten und gibt einen Ausblick auf die für das Jahr 2008 vorgese-henen Arbeiten. Für ÖWI-Regio werden die Daten der österreichischen Waldinventur (ÖWI) herangezogen. Diese basiert auf einem statistischen Stichprobenverfahren und erlaubt repräsentative Aussagen über den Wald und dessen Zustand nur für relativ große Gebiete. Ziele des ÖWI-Regio Pro-jektes sind die Verbesserung der Aussagekraft der ÖWI für kleinere Gebiets-einheiten und die flächenhafte Kartierung ausgewählter Parameter (u.a. Holzvorrat). Dafür werden Methoden des luftgestützten Laserscanning mit Methoden der Waldinventur kombiniert. Letztlich soll ein operational ein-setzbares Anwendungsprogramm die Auswertung von luftgestützten Laser-scannerdaten in Kombination mit terrestrischen Daten der ÖWI automati-siert erlauben.
Die Arbeiten werden zum einen für ein Nadelwald dominiertes Testgebiet (Vorarlberg) und zum anderen für ein Misch- bzw. Laubwald dominiertes Testgebiet (Ötscher) durchgeführt. Neben den vorliegenden ÖWI Daten wur-den für beide Untersuchungsgebiete Laserscanning Daten von den jeweiligen Landesdienststellen zur Verfügung gestellt. Weiters kann in Vorarlberg auf die Waldinventurdaten des Stand Montafon Forstfonds zurückgegriffen wer-den. Da für das Testgebiet Ötscher die Anzahl an vorhandenen ÖWI Stich-proben für die geplanten Analysen zu gering ist, hat das BFW in Zusammen-arbeit mit den Österreichischen Bundesforste AG (ÖBf) eine detaillierte, lo-kale Waldinventur durchgeführt.
Im Rahmen dieses Projekts wird ein automatisiertes Verfahren zur Ab-schätzung des Holzvorrates aus Laserscanning und Forstinventurdaten entwi-ckelt. Dieses basiert auf einem empirischen Ansatz, welcher den Holzvorrat innerhalb einer Probefläche als lineare Funktion des Volumens zwischen der Geländeoberfläche und der durch die First-Laserechos beschriebenen Oberflä-che beschreibt. Da die Lagegenauigkeiten der ÖWI Stichprobenflächen für die geplanten Analysen oftmals unzureichend sind, wurde zusätzlich ein iterati-ves Tool zur automatischen Verbesserung der relativen Orientierung zwi-schen den Laserdaten und den ÖWI Stichprobenflächen entwickelt. Beide Verfahren wurden in der Programmiersprache IDL implementiert.
Für das Testgebiet Vorarlberg haben erste Ergebnisse der automatischen Co-Registrierung gezeigt, dass für ca. 50% der Probeflächen eine zufrieden-stellende Genauigkeit erzielt werden konnte. Die relativ hohe Fehlerquote lässt sich durch Positionierungsungenauigkeiten der ÖWI-Daten, die Unter-schätzung der Baumhöhen durch die Laserdaten sowie mehrdeutige Lösungen des Algorithmus erklären. Weiters konnte für Vorarlberg das Holzvorratsmo-dell mit Hilfe aller co-registrierten ÖWI-Daten erfolgreich kalibriert werden (Rē=0.69, mittels Kreuzvalidierung bestimmte Standardabweichung der Re-siduen SD=34,6%). Durch die Berücksichtigung der Baumart konnten spe-ziell für Nadelwald die erzielten Genauigkeiten deutlich gesteigert werden (Rē=0,78; SD=29,0%).
Die weiteren Arbeiten des ÖWI-Regio Projekts umfassen unter anderem die Verbesserung der automatischen Co-Registrierung sowie Analysen hin-sichtlich des Einflusses der verschiedenen Laserscanner-Aufnahmecharakteristika auf den abgeschätzten Holzvorrat. Weiters werden die Analysen auf das Testgebiet Ötscher ausgedehnt. Für das Testgebiet Vorarlberg ist eine zusätzliche Validierung der Ergebnisse mit den Inventur-daten des Stand Montafon Forstfonds vorgesehen.