Waldböden unter Druck
Die moderne Holzernte mit Harvestern und Forwardern hat die Waldbewirtschaftung in den vergangenen Jahrzehnten deutlich effizienter und sicherer gemacht. Doch die Befahrung mit diesen schweren Maschinen hat auch schwerwiegende Folgen: Sie kann den Waldboden dauerhaft verdichten. Bereits eine einmalige Überfahrt kann das Bodenporenvolumen so stark reduzieren, dass die Bodenfunktionen über Jahrzehnte beeinträchtigt bleiben. Verdichtete Böden nehmen weniger Wasser auf, werden schlechter belüftet und erschweren das Wurzelwachstum der Bäume. Das schadet nicht nur der Produktivität des Waldes, sondern beeinträchtigt nahezu alle Waldfunktionen: Vom Wasser- und Kohlenstoffspeicher bis zum Lebensraum für Pflanzen und Tiere.
Um den Waldboden zu schützen, setzt die Forstwirtschaft auf eine systematische Feinerschließung: Die Befahrung wird auf dauerhaft festgelegte Fahrwege beschränkt – die sogenannten Rückegassen. Der Großteil des Waldbodens bleibt so von Verdichtung verschont. In der Praxis werden die Randbäume dieser Gassen mit Sprühfarbe markiert, damit sie auch Jahre später noch auffindbar sind, wenn Naturverjüngung und Bodenvegetation die Gassen für das menschliche Auge längst „verschlossen“ haben.
Das Problem: Rückegassen gehen verloren
Zunehmend zeigt sich jedoch, dass diese Markierungen nicht dauerhaft sind. Besonders dramatisch wird es, wenn im Zuge des Klimawandels ganze Bestände durch Dürre, Borkenkäferbefall, Stürme oder Waldbrände absterben oder zerstört werden. Mit den Bäumen verschwinden auch die Markierungen der Rückegassen. Bei der Wiederaufforstung wäre es notwendig, die bereits bestehenden Gassen der alten Bestände zu übernehmen – doch unter dichter Bodenvegetation sind sie oft nicht mehr auffindbar.
Die digitale Erfassung der Rückegassen im forstlichen Geoinformationssystem könnte eine dauerhafte Verortung gewährleisten – unabhängig von den darauf stockenden Beständen. Eine manuelle Vermessung mit GNSS-Geräten ist zwar möglich, aber sehr zeitaufwändig und für große Flächen kaum praktikabel.
Die Lösung: Airborne Laserscanning und maschinelles Lernen
Hier setzt das Forschungsprojekt TrailScan an. Mithilfe von Laserscan-Daten (Airborne Laserscanning, kurz ALS) und Methoden der künstlichen Intelligenz werden Rückegassen automatisiert erkannt und kartiert.
Das ALS ist für diese Aufgabe besonders geeignet, da der Laser – anders als bei photogrammetrischen Verfahren – das Kronendach durchdringen kann und auch die Bodenoberfläche erfasst. So entsteht ein detailliertes dreidimensionales Abbild des Waldes, das selbst feine Strukturen wie das Mikrorelief des Bodens und alte Fahrspuren sichtbar macht. Die entsprechenden ALS-Daten werden von den Landesvermessungsämtern vieler Bundesländer regelmäßig erhoben und sind häufig kostenfrei über die Geoportale der Länder verfügbar.
TrailScan erzeugt aus diesen Daten Bilder verschiedener Waldstockwerke – ähnlich wie in der medizinischen Bildgebung, bei der Gewebe schichtweise betrachtet wird. Ausgewertet werden dabei Lücken im Kronendach, die Dichte der Vegetation sowie die Bodenoberfläche mit ihrem Mikrorelief. Für die automatisierte Auswertung wurde ein maschinelles Lernverfahren darauf trainiert, Rückegassen in unterschiedlichsten Bestandestypen zuverlässig zu erkennen. Im Rahmen des TrailScan-Projektes wurden dazu Referenzdaten in verschiedenen Waldgebieten Deutschlands erhoben.
Eine kostenfreie Open-Source-Software für die Praxis
Die Methoden, auf denen TrailScan aufbaut, wurden im Rahmen einer Masterarbeit an der Forstfakultät der Universität Göttingen im Jahr 2023 entwickelt. Im aktuellen Forschungsprojekt wurde daraus eine kostenfreie Open-Source-Erweiterung (Plugin) für das weit verbreitete Geoinformationssystem QGIS entwickelt.
Mit dem Plugin können Forstbetriebe ALS-Daten selbstständig auswerten. Das Ergebnis ist eine digitale, georeferenzierte Karte der erkannten Rückegassen im Rasterformat. Die Karte zeigt anhand eines Farbverlaufs die Wahrscheinlichkeit, mit der der Algorithmus eine Rückegasse erkannt hat: Hell dargestellte Linien sind mit hoher Wahrscheinlichkeit aktiv genutzte Rückegassen, während weniger helle Linien häufig auf ältere, nicht mehr genutzte Fahrspuren hindeuten. Die erzeugten Karten können mit der QGIS-Erweiterung QField auf mobilen Geräten direkt im Wald genutzt oder als Geo-PDF bzw. Geo-TIF exportiert werden.
Erste Praxistests haben gezeigt, dass auch im Gelände schwer auffindbare Rückegassen anhand der Karten zuverlässig identifiziert werden können. Die Karten sind zudem hilfreich bei der Erschließungsplanung: Sind in einem Bestand bereits alte Fahrspuren vorhanden, können diese in eine neu anzulegende Feinerschließung integriert werden – so wird die Befahrung des Waldbodens weiter minimiert.
Das Projekt
TrailScan ist ein Forschungsprojekt der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) in Göttingen. Die Sattelmühle-Stiftung ermöglicht mit ihrer Förderung die Erfassung erweiterter Trainingsdaten und die Entwicklung der Open-Source-Software – und leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Schutz unserer Waldböden.
