Der Virtuelle Wald Innovationen für ein nachhaltiges Waldmanagement Dr.-Ing. Arno Bücken Institut für Mensch-Maschine-Interaktion, RWTH Aachen WoodIndustrySummit LIGNA 2015 12./13.05.2015 Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 1 Ein neuer Kristallisationspunkt für den Wald Förster/Revierleiter Waldarbeiter Waldbesitzer Harvesterfahrer Forsteinrichter Holzeinkäufer Landesbetrieb Sägewerk Waldgenerator Transportunternehmer Tourist Naturschützer Jäger Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 3 Ein neuer Kristallisationspunkt für den Wald Förster/Revierleiter Waldarbeiter Waldbesitzer Harvesterfahrer Forsteinrichter Holzeinkäufer Landesbetrieb Sägewerk Waldgenerator Transportunternehmer Tourist Naturschützer Jäger Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 4 Ein neuer Kristallisationspunkt für den Wald Förster/Revierleiter Waldarbeiter Waldbesitzer Harvesterfahrer Forsteinrichter Holzeinkäufer Nachhaltiges Waldmanagement mit dem Virtuellen Wald • • • • • Reduziert den Datenerhebungsaufwand bei der Inventur Landesbetrieb Sägewerk Standardisiert Daten und deren Bereitstellung Sichert die Datenqualität Optimiert die Kommunikation unter den Beteiligten Waldgenerator Legt die Grundlage für neue Anwendungen Transportunternehmer Notwendig: Breite methodische Basis Tourist Naturschützer Jäger Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 5 Der Virtuelle Wald als Symbiose von Technologien GeodatenInfrastruktur Lasertechnologie Satelliten- / terrestrische Navigation Fernerkundung Virtueller Wald Forstwirtschaft und - planung Dendrometrie Liegenschaften Forstwissenschaftl. Know-How Math. Modelle VR & Robotik VR Technologie Weltraum- und Industrie-Robotik Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Mobile Robotik Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 6 Der Virtuelle Wald im Rückblick … GRIPS-RLP Großraumwaldinformationssystem Datenmodellierung und Prozessintegration Integration biologische und technische Produktion Rohstoff-Mobilisierung und -Bereitstellung Fernerkundungsgestützte Bestandesinventur Lokalisierung KWF-Tagung in Schmallenberg Machbarkeit fernerkundungsgestützte Einzelbauminventur Optimierung von Informations- und Materialfluss Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 7 Die vielfältigen Aspekte des Virtuellen Waldes … Holzaufkommen Entscheidungsunterstützung Sortimentierung Managementpläne Terrestrische Sensorik Nutzungspotenzial Baumartenklassifikation Geodateninfrastruktur GROWA Sukzessionssimulation Forsteinrichtung nD-Datenhaltung Waldwachstumssimulation Stichprobeninventur Datenmodellierung Einzelbaumsegmentierung Holzerntesimulation Waldsegmentierung Waldsegmentattribute Virtuelles Testbed Sensorsimulation Fernerkundung Reichsbodenschätzung Einzelbaumattribute Betriebswirtschaftliche Auswertung UAV Unterstützte Baumauszeichnung Webportal Lokalisierung Clusterdatenverarbeitung Permanente Inventur Holzvermarktung Navigation Autonomie Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Fahrerassistenz Abrechnungssysteme Harvestermesswerte Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 8 … auf dem Weg in die Praxis Holzaufkommen Entscheidungsunterstützung Sortimentierung Managementpläne Terrestrische Sensorik Nutzungspotenzial Baumartenklassifikation Geodateninfrastruktur GROWA Sukzessionssimulation Forsteinrichtung nD-Datenhaltung Waldwachstumssimulation Stichprobeninventur Datenmodellierung Einzelbaumsegmentierung Holzerntesimulation Waldsegmentierung Waldsegmentattribute Virtuelles Testbed Sensorsimulation Fernerkundung Reichsbodenschätzung Einzelbaumattribute Betriebswirtschaftliche Auswertung UAV Unterstützte Baumauszeichnung Webportal Lokalisierung Clusterdatenverarbeitung Permanente Inventur Holzvermarktung Navigation Autonomie Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Fahrerassistenz Abrechnungssysteme Harvestermesswerte Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 9 Die Anwendungen des Virtuellen Waldes … Das nD-Waldmanagementsystem Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 10 … auf dem Weg in die Praxis Das nD-Waldmanagementsystem Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 11 Waldinformation Für Waldbesitzer, Revierleiter, Unternehmer,… Einfache Nutzung von Daten und Algorithmen des Virtuellen Waldes für den Praktiker vor Ort oder im Büro Effizientes Datenmanagement für den Zugriff auf große Datenmengen und flächenbezogene Auswertungen Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 13 Waldinventur Fernerkundungsgestützte Walderfassung Teilautomatisierte Waldinventur auf Bestandes-, Einzelbaum- und Stichprobenebene unter Einbeziehung bekannter Inventurverfahren Kombination von Fernerkundung und der Einschätzung des Einrichters vor Ort maximiert Qualität, Effektivität und Effizienz Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 14 3D-Landschaftsmodellierung mit Quadkoptern Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 15 Prozessierung der Luftbilder Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 16 Orthomosaik und Infrarotluftbild Lattenberg, 100m Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 18 Orthomosaik und Infrarotluftbild Lattenberg, 100m Vielfältige mögliche Einsatzgebiete Waldbau und Jungwuchspflege, u. a. Aufnahme von Versuchsflächen Forsteinrichtung und Forstplanung Waldzustandserhebung Forstschutz, u. a. Kartierung kranker/befallener Bäume, Borkenkäfer Kurzfristige Kartierung von Sturmschäden Arbeitsplanung/Arbeitsorganisation, u. a. Gatterbau und Gatterkontrolle Baumpflege und Verkehrssicherung, u. a. Situationsanalyse, Transport von Sicherungsseilen Öffentlichkeitsarbeit/Umwelt Jagd und Jagdmanagement Naturschutz/Ökologie, z. B. Sukzessionskartierung und Planung Feinerschließung und Rückegassenplanung Urbane Forstwirtschaft Forsthoheit Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 19 Waldplanung Welche Naturverjüngung kann ich auf einer Freifläche erwarten? Welche Auswirkungen kann der Klimawandel haben? Wie lange dauert die natürliche Wiederbewaldung? Welche ökonomischen und ökologischen Risiken bestehen? Wo muss ich pflanzen um meine Ziele zu erreichen? Wie wird sich mein waldbauliches Handeln auswirken? Welche Baumart soll ich wählen? Wieviel kann ich nachhaltig nutzen? Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 21 Waldplanung Waldwachstum, Sukzession, Analyse Waldwachstums- und Sukzessionssimulation der zukünftigen Waldentwicklung und Zugriff auf historische Daten „Was-wäre-wenn?“ -Analysen unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 22 Waldplanung Waldwachstum, Sukzession, Analyse Waldwachstums- und Sukzessionssimulation der zukünftigen Waldentwicklung und Zugriff auf historische Daten „Was-wäre-wenn?“ -Analysen unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 23 Produktionsplanung Wie hoch sind die Verkaufserlöse? Wie hoch sind die Erntekosten? Was für Sortimente bekomme ich aus diesem Bestand? Besser hochmechanisiert oder motormanuell? Wie sind die Auswirkungen der Maßnahme auf den Bestand? Wie lange dauert die Maßnahme? Wie minimiere ich den Bodenschaden? Wie viele Waldarbeiter brauche ich? Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 24 Produktionsplanung Holzerntekostenrechnung, Auswertungen, Entscheidungsunterstützung Detaillierte Planung der Holzernte unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte Aussagekräftige Prognosen für Verkaufserlöse und Erntekosten, u. a. auf Grundlage einer umfassenden Simulation des Holzernteprozesses Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 26 Lokalisierung und Erfassung des Waldzustands Präzise Positions- und Orientierungsschätzung und automatisierte Walderfassung Exakte Lokalisation im Wald auch unter dem geschlossenen Kronendach durch Kombination von GPS, Laserscanner und Stereokameras Sensorgestützte terrestrische Erfassung von Baumattributen und besitzerscharfe Zuordnung des Ernteerlöses Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 27 Lokalisierung und Erfassung des Waldzustands Präzise Positions- und Orientierungsschätzung und automatisierte Walderfassung Exakte Lokalisation im Wald auch unter dem geschlossenen Kronendach durch Kombination von GPS, Laserscanner und Stereokameras Sensorgestützte terrestrische Erfassung von Baumattributen und besitzerscharfe Zuordnung des Ernteerlöses Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 28 Ausbildung und Training Schulungssysteme rund um Wald und Holz Inventur, Waldbauplanung, Holzernteplanung, Fahrzeugführung Vollständig integriert in die IT-Infrastruktur des Virtuellen Waldes Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 32 Technologie- und Innovationsplattform Expertensystem für Wald und Holz Daten, Visualisierung, Prozessierung, Simulation, Analyse, Automatisierung Untersuchung und Transfer neuester Forschungsaspekte, z.B. Sturmschäden und Windwurfsimulation, Prozessoptimierung, nachhaltige Waldwirtschaft im Klimawandel Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 34 Der Bedarf ist da, wir haben die Lösung! ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ „Kann ich nicht auf Grundlage dieser Daten die Ermittlung von Sortimenten, Verkaufserlösen und Hiebskosten systematisieren und vereinheitlichen?“ „Wie kann ich datenquellenübergreifend und ohne zeitintensive Einarbeitung Auswertungen dieser Daten vornehmen?“ „Wie kann ich für Energieholzgewinnung geeignete Bestände finden?“ „Wie kann ich den (optimalen) Rückegassenabstand für einen Hieb bestimmen?“ „Wie kann ich als Unternehmer Informationen zum Bodenschutz und zur Bodenbefahrbarkeit erhalten?“ „Die gezeigten Anwendungen sind ideale Grundlage für Planspiele, Trainee-Programme, Aus- und Weiterbildung sowie zur Umweltbildung und Öffentlichkeitsarbeit, da sie technische Zusammenhänge in einem quasi-praktischen Umfeld vermitteln können.“ „Wie kann ich Waldbesitzer hinsichtlich Waldbewirtschaftung (z. B. Betrachtung unterschiedlicher Szenarien) und Holzvermarktung (Ertrag, Kosten, erwarteter Deckungsbeitrag) effizient beraten und diese in ihren Entscheidungen unterstützen?“ „Wie kann ich für Clusterstudien großflächige Analysen oder allgemeine geostatistische Auswertungen durchführen und hieraus Aussagen z. B. zur Darstellung des Nutzungsverzichts bei der Einrichtung von Schutzgebieten ableiten.“ „Wie kann ich einfach Holzaufkommensprognosen z. B. zur Berechnung des stehenden Warenlagers und Nutzungspotenzialen sowie zur Kalkulation des Nutzungsentgangs durch Ausweisung von z. B. Nationalparks, Wildnisgebieten usw. durchführen?“ „Können Prognosen zur Bodenbefahrbarkeit für einen definierten zukünftigen Zeitraum z. B. durch Nutzung von Wettervorhersagen, die durch den deutschen Wetterdienst über Webservices bereitgestellt werden, durchgeführt werden? Eine Risikokarte (Ampel) könnte helfen, Bodenschäden im Bestand zu vermeiden.“ „Wie groß ist der Anteil an Buchen mit Starkholz die aus FFH-Gebieten stammen?“ „Wie viele Buchen älter als 100 Jahre stehen im Einzugsgebiet einer Windkraftanlage?“ „Kann ich mit Hilfe des Virtuellen Waldes nicht Windkraftanlagen besser planen? Kann man mit seiner Hilfe nicht Windpotenzialkarten entwickeln bzw. optimieren?“ „Welche Bestände haben bisher Papierholz geliefert und welche nicht?“ „Wie kann ich die „Leistungen“ Erholung und Schutz des Waldes stärker herausstellen?“ „Wie kann ich den Waldwert (u. a. in Fragen von Entschädigung und Verkehrswert) effizient schätzen und Gutachter bei ihrer Arbeit unterstützen?“ „Wie kann ich einfach Informationen über den ausscheidenden Bestand für ein gegebenes Waldstück erhalten?“ „Wie kann ich den Mobilisierungsaufwand im Kleinstprivatwald reduzieren?“ „Wie kann ich trotz sehr vieler Waldbesitzer effizient Waldbewirtschaftung betreiben?“ „Kann ich auf den Daten des Virtuellen Waldes im Rahmen einer Jahresplanung Potenzialanalysen für ein Gebiet um einen definierten Standort (z. B. Sägewerk) hinsichtlich des vorhandenen Holzpotenzials durchführen?“ „Kann ich die Dringlichkeit von Maßnahmen (z. B. Durchforstung, Endnutzung) für Bestände in den Waldkarten darstellen?“ „Wie kann ich einfach Erschließungsklassen sowie eine durchschnittliche Rückeentfernung bestimmen? Kann ich Erschließungsklassen möglicherweise einfach visualisieren?“ „Wie kann ich die Sortimente idealerweise einzelstammweise einem jeweiligen Waldbesitzer zuordnen?“ „Kann ich auf Basis der Daten des Virtuellen Waldes nicht einfach aussagekräftige Ausschreibungsunterlagen für den Holzeinschlag/Holzrückung erstellen? Kann ich diese evtl. direkt online an Interessenten verschicken und von diesen auch elektronisch eine Antwort erhalten?“ „Wie kann ich relevante Naturschutzaspekte im Umfeld von Hiebsmaßnahmen identifizieren und bei der Durchführung berücksichtigen?“ „Wie entwickeln sich meine Störungsflächen (u.a. Windwurfflächen) von natur aus?“ „Wie können Kenntnisse über das möglichen Verjüngungspotential auf Störungsflächen meine forstbetriebliche Probleme wie z.B. begrenzten Arbeitskapazitäten, waldbauliche Probleme auf der Freifläche oder die kurzfristige Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Pflanzen ortsnaher und bewährter Herkünfte, vermindern?“ „Wie kann die natürliche Verjüngung aktiv in multifunktional ausgerichtete waldbauliche Handlungsempfehlungen integriert werden?“ „Kann ich das Ergebnis von Hiebsmaßnahmen über StanForD-Daten in den Virtuellen Wald zurückspielen?“ „Wie kann ich einfach und schnell Arbeitskarten für die Arbeit im Wald erstellen?“ „Kann ich eigene Datenlayer ergänzen, z. B. Förderflächen/Fördertatbestände?“ „Kann man die Arbeiten zum Virtuellen Wald nicht kombinieren mit Arbeiten im Agrarbereich, z. B. durch Schnittstellen zu Diensten aus dem Bereich Landwirtschaft? Eine Vielzahl von Karten und Anwendungstools sind dort bereits vorhanden.“ „Wie kann ich meine Erntemaschinen direkt in den Datenfluss integrieren? Wie kann ich denen einsatzrelevante Informationen digital zur Verfügung stellen? Kann man hier nicht digitale Arbeitsaufträge mit Eigentums- und Bestandesgrenzen, Holzlagerplätzen, Naturschutzgebieten, etc. entwickeln?“ „Kann ich auf diese Weise nicht eine vollständige digitale Prozesskette vom Angebot über die Datenbereitstellung durch den Auftraggeber über die Arbeitsvorbereitung beim Unternehmer bis zum Harvester und anschließend dem Forwarder realisieren?“ „Könnte ich auf Basis von im Virtuellen Wald gespeicherten Hiebsinformationen elektronische Holzabfuhrscheine erstellen?“ Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 35 Zusammenfassung ■ Übergreifender Ansatz für Datenhaltung, Datenworkflow, Erfassung und Auswertung ● ● ● ● Vollständig objektorientiertes und anwendungsübergreifendes ForestGML-basiertes Datenmodell Deklarative Abbildung dieses Datenmodells mit echter Vollhistorisierung Durchgängige Integration von Geo- und Sachdaten Identische Software und Daten in der Zentrale und mobil ■ Datenmanagement in heterogenen, verteilten und parallel arbeitenden Systemen ● ● ● Multidimensionale Datenhaltung mit Abbildung des Datenworkflows auf der Basis des Fachdatenschemas Altdatenbestände werden nicht gelöscht sondern können jederzeit dargestellt und ausgewertet werden Änderungen sind vollständig nachvollziehbar („Wer hat wann was warum geändert?“) ■ Effiziente und effektive halbautomatische Waldinventur („günstiger, schneller, besser“) ● ● ● ● Umfassender Werkzeugkasten von der Datenanalyse über Fernerkundung bis zur „klassischen Einrichtung“ Interaktive Einbindung von Fernerkundungsdaten und -algorithmen („Fernerkundung auf dem Toughpad“) Auf Grundlage landesweit verfügbarer Geobasis- und Geofachdaten Stets aktuelle Karten, Berichte und Auswertungen – im gesamten Betrieb ■ Zukunftsfähige und nachhaltige Lösung ● ● ● ● ● ● Datenmodellierung, -speicherung und -austausch nach internationalen ISO/OGC-Standards Leichte Erweiterbarkeit des Systems um Attribute, Klassen, Funktionen, … Einzelne Komponenten können steckerkompatibel ausgetauscht werden Vorbereitet für neue Informations- und Planungssysteme oder Webportale Vorbereitet für eine enge Zusammenarbeit mit anderen Anwendern durch ForestGML-basierte Datenbasis Vielfältige Anwendungen von der Entscheidungsunterstützung bis zur Fahrerassistenz Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Institut für Mensch-Maschine-Interaktion www.mmi.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Arno Bücken [email protected] 37
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