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Originaltitel:
Untersuchungen zur zerstörungsfreien Strukturanalyse von Forstpflanzen 
Übersetzter Titel:
Investigations concerning the non-destructive analysis of the structure of forest plants 
Jahr:
2002 
Dokumenttyp:
Dissertation 
Institution:
Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan 
Betreuer:
Mosandl, R. (Prof. Dr.) 
Gutachter:
Mosandl, R. (Prof. Dr.); Pretzsch, H. (Prof. Dr.); Koch, B (Prof. Dr.) 
Format:
Text 
Sprache:
de 
Fachgebiet:
FOR Forstwissenschaften; LAN Landbauwissenschaft 
Stichworte:
Waldbau; Photogrammmetrie; räumliche Vermessung; Baumstruktur 
Übersetzte Stichworte:
silviculture; photogrammetry; spatial measurement; tree structure 
TU-Systematik:
FOR 290d; FOR 530d; LAN 520d 
Kurzfassung:
Zielsetzung der Arbeit ist die Entwicklung eines kostengünstigen Verfahrens zur zerstörungsfreien räum­lichen Analyse der Struktur forstlicher Baumpflanzen. Für die dreidimensionale Erfassung von Objektdaten sind in verschiedenen Bereichen der Industrie zahlreiche Verfahren eingeführt. Die meisten davon sind allerdings auf ihre Eignung in der Forstwirtschaft beziehungs­weise bei der Pflanzenvermessung noch nicht geprüft worden. Es existieren nur wenige Projekte mit entsprechenden Zielsetzungen. Deswegen wird im ersten Teil der vorliegenden Arbeit eine Evaluierung existierender Verfahren zur dreidimensionalen Datenerhebung, welche auch für den Bereich der forstlichen Forschung von Interesse sein könnten, vorgenommen. Hierfür werden zunächst die Verfahren der Schall- und Magnetfeldmessung, die Tomographie, sowie insbesondere die unterschiedlichen aktiven und passiven photogrammmetrischen Verfahren anhand ihrer theoretischen Prinzipien und Einsatzgrundsätze beschrieben und bewertet. Soweit vorhanden, werden publizierte Untersuchungen zur Erfassung dreidimensionaler Baumdaten an dieser Stelle in die Überlegungen mit einbezogen. Ziel dieser Darstellung ist es, einen umfassenden Überblick über den aktuellen Wissensstand zur räumlichen Vermessung von Pflanzen zu geben. Die Evaluation existierender 3D-Messverfahren ergibt, dass viele davon schon aus finanziellen Gesichtspunkten, trotz teilweise prinzipieller Eignung, wenig für den praktischen Einsatz im Forstbereich denkbar sind. Neben Laserscannern und Tomographie ist dies auch für die Stereophotogrammmetrie zu sagen, obwohl diese sich schon für einige forstliche Messaufgaben, darunter auch einfache Messungen an Bäumen, bewährt hat. Verfahren wie Schall- und Magnetfeldmessung sind finanziell weniger aufwändig, scheiden jedoch aufgrund der notwendigen langwierigen Messungen direkt am Objekt aus. Die Evaluierung führt daher zu dem Ergebnis, dass insbesondere zwei photogrammmetrische Verfahren vielversprechende Ansätze zum Erreichen der im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Messziele darstellen: Silhouettenschnitt und Mehrbildtriangulation. Im zweiten Hauptteil der Arbeit werden diese beiden Messmethoden vorgestellt und darauf basierende Verfahren zur Vermessung von Pflanzen entwickelt. Der Silhouettenschnitt erweist sich dabei prinzipiell als besonders vorteilhaft, weil hiermit weitgehend automatisiert vollständige Volumenmodelle inklusive Informationen zur Pflanzenoberfläche gewonnen werden können. Als limitierender Faktor für den tatsächlichen Einsatz in der Praxis stellt sich allerdings die für die komplexen Messobjekte notwendige Rechenkapazität dar. Mit der für die Untersuchungen vorliegenden Hard- und Software-Ausstattung treten aus diesem Grund zahlreiche Probleme auf, die einen Einsatz dieser ansonsten sehr vielversprechenden Methode für die gegebene Aufgabenstellung zum gegenwärtigen Zeitpunkt als nicht praktikabel erscheinen lassen. Weiterhin wird ein auf der Mehrbildtriangulation beruhendes Messverfahren entwickelt. Diese Methode ermöglicht es erstmals, Struktur- und einfache Körperdaten von Baumpflanzen mit weitgehend handelsüblicher, preisgünstiger Ausrüstung zerstörungsfrei und kontaktlos zu erfassen und zu analysieren. Die Gewinnung der dreidimensionalen Rohdaten kann dabei weitgehend in Anlehnung an die in anderen Branchen übliche Vorgehensweise erfolgen. Um die Brücke zwischen den durch die photogrammmetrischen Messungen erhaltenen Geometriedaten und den für eine strukturelle Analyse der Pflanze interessanten topologischen Informationen zu schlagen, wird weiterhin eine effektive Architektursyntax zur Bearbeitung räumlicher Baumdaten, angelehnt an EDV-Datenstrukturen, vorgestellt. Die Implementierung dieses Modelles wird anhand von konkreten Programmbeispielen in Form einer zu diesem Zweck entwickelten Analysesoftware dargestellt. Diese verdeutlicht, wie anhand eines 3D-Modells mit den zugehörigen Hierarchiedaten weitergehende Angaben wie Trieblängen, Verzweigungswinkel, Knospenzahl oder Angaben zur Kronenschirmfläche automatisiert gewonnen werden können. Die vorgestellte Mess- und Analysemethodik kann somit als sinnvolle Ergänzung der für forstliche Messungen im Nahbereich verfügbaren Verfahren angesehen werden, um bislang in dieser Form nicht verfügbare räumliche Strukturinformationen zu erheben. 
Übersetzte Kurzfassung:
The presented study is aimed at developing a method for performing non-destructive spatial analysis of the structure of forestal tree plants. In numerous industries three-dimensional measurement of objects is performed with various techniques. Most of these procedures, however, have not yet been tested for the measurement of trees or plants. There are only a few projects pursuing this objective. Therefore, in the first part of this study existing methods for gathering three-dimensional data which could be also interesting for forestal research are evaluated. For this purpose the basic principles of measurement techniques based on magnetic and sonic fields, tomography and especially on optical means are described and analyzed. Publications related to this topic have been included as far as existing. This evaluation therefore has the intention to give the reader a comprehensive overview of the current standard of knowledge concerning the spatial measurement of plants. This survey of existing three-dimensional measurement methods comes to the conclusion that many of these are not applicable for practical day-to-day use because of the necessary expenses, despite being theoretically capable of the given measurement task. This applies especially to laser scanners and tomography, but also to stereo photogrammetry, although this technique has already been employed for measurement in forestry. Sonic and magnet field digitizers are financially less straining, but require protracted field work directly at the object to be measured. Therefore, the survey concludes that two photogrammetric methods, multi-picture triangulation and silhouette cut, are best suited for the measurement tasks dealt with in this study. The second part of this study describes these two techniques and the development of methods for measuring tree plants based on them. Silhouette cut has the advantage of automatically generating complete volume models of the plant including surface information. However, this method requires high capacity hard- and software equipment for dealing with the complex objects. The equipment available for this study was not capable enough, which resulted in severe problems. It has to be concluded that silhouette cut, although promising, is not yet a viable alternative for plant measurement. Furthermore, a measurement technique based on photogrammetric triangulation is developed. This method makes it possible for the first time to gather and analyze structural information on tree plants by means of budget-priced standard equipment. The digitizing of the three-dimensional raw data can mostly be performed in accordance to industry-standard procedures. Furthermore, in order to make the connection between the photogrammetrically obtained geometric data and the topological information necessary for a structural analysis, an efficient syntax to process spatial tree data based on IT data structures is proposed. The usage of this model is illustrated by means of concrete algorithms. The developed software implementation shows how to obtain results like shoot lengths, branching angles, number of buds or crown projection area based on the 3D tree model and the associated hierarchical data. These results illustrate that multi-picture triangulation can be considered a valuable addition to the methods available for forestal close-range measurement, enabling the researcher to obtain information on spatial structure not available in this form before. 
Veröffentlichung:
Universitätsbibliothek der TU München 
Mündliche Prüfung:
23.04.2002 
Dateigröße:
7361727 bytes 
Seiten:
160 
Letzte Änderung:
27.06.2005