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Mit ascos in Echtzeit durch den Wald

10.10.2003


FOGEPOS – satellitengestützte Vermessung im Wald



Das Landesforstpräsidium Sachsen hat ein neues System unter dem Namen FOGEPOS ( Forstliches Geografisches Positionier-ungs-System) zur satellitengestützten Flächenvermessung entwickelt. Mit der Nutzung des Satelliten-Referenzdienstes ascos werden bisher 24 komplette Systeme erfolgreich im Forst eingesetzt.

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Um dem ständigen steigenden Informationsbedarf und den Anforder-ungen einer effizienten Prozessoptimierung in einer modernen Forst-wirtschaft gerecht zu werden, ist die Einführung neuer Methoden zur Erfassung, Speicherung und Verarbeitung von Daten unumgänglich.

Die genaue Bestimmung und Kontrolle von förderfähigen und geför-derten Flächen stellt für die Landesforstverwaltungen einen enormen Aufwand dar. Gerade in der Forstwirtschaft müssen eine Vielzahl von Merkmalen wie Höhe, Alter, Brusthöhendurchmesser einem Objekt wie Baum, Bestand, Betrieb zugeordnet werden. Neben der Datenerhebung durch das Digitalisieren und Scannen von topographischen Karten und Luftbildern gewinnt das Messen von Daten im Wald mit räumlichen Koordinaten immer mehr an Bedeutung. Eine Erfassung der Flächen mit elektronischen Geräten, wenn sie genau arbeiten, bietet mehrere Vorteile: die Aufnahmen können zügig und zeitsparend erledigt werden, es werden Protokolle ausgegeben und die Daten liegen digital vor.

Durch Flächenaufnahmen, die häufig im Wald oder zumindest an den Außenrändern liegen, ergeben sich erhöhte Dämpfungen und Streu-ungen der Satellitensignale. Dies führt zu einer höheren Ungenauigkeit der ermittelten Position gegenüber Messungen im Offenland. In topo-graphisch stark bewegtem Gelände nimmt der Sichtbereich zu den Satelliten entsprechend ab. Die Satellitenverfügbarkeit stellt daher den limitierenden Faktor hinsichtlich der Genauigkeit bei satellitengestützter Vermessung im Wald dar.

Größere Verfügbarkeit durch GPS und GLONASS

Mit dem hier vorgestellten System sind nun direkt im Wald unter dem Bestandschirm Messungen mit Genauigkeiten von einem halben Meter und besser, bezogen auf die absolute Lage, möglich. Für die optimale satellitengestützte Vermessung im Wald ist das Zusammenwirken mehrerer Faktoren notwendig. Wenn man heute unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten Positionsbestimmungen besser als einen Meter besonders unter gestörten bzw. beeinträchtigten Umgebungs-bedingungen wie zum Beispiel im Wald Satellitenpositionierung einsetzen will, benötigt man den Satelliten-Referenzdienst ascos, der als einziger Dienst auch GLONASS-Korrekturdaten bundesweit flächen-deckend anbietet. Durch den Einsatz von virtuellen Referenzstationen und dem Übertragungsmedium GSM wird eine höhere Abdeckung als bei bisherigen Diensten erzielt. Schon mit preiswerten 1-Frequenz Empfängern sind so Genauigkeiten von 50 cm zu erreichen. Um im Wald verlässlich mit Hilfe von Satelliten Positionen bestimmen zu können, ist die zusätzliche Verwendung des russischen Satellitennavigations-systems GLONASS sehr hilfreich. Soll mit einer wirtschaftlichen Methode Genauigkeiten im Bereich bis zu einem Meter erreicht werden, müssen zuverlässig ausreichende Satellitensignale und das dazugehörige Korrektursignal verwendet werden.

In einer Diplomarbeit der Fachhochschule für Forstwirtschaft in Schwarzburg/ Thürigen wurde am Beispiel des Landesforstpräsidiums Sachsen eine Untersuchung der Genauigkeit und Brauchbarkeit von terrestrischen Korrekturdatendiensten für die satellitengestützte Vermessung im Wald durchgeführt. Optimale Ergebnisse wurden bei der Auswertung der GPS L1 C/A- und P-Codes in Verbindung mit GLONASS und der Verwendung des Korrekturdatendienst ascos der Ruhrgas AG erreicht. Dieses Profil liefert eine ruhige Positionierung und eine Genauigkeit im Einmeterbereich.

ascos - Schnelle und sichere Datenverbindungen

Die Ruhrgas AG betreibt unter dem Namen ascos – ruhrgas positioning services Referenzdienste für GPS und GLONASS Positionierungen für Echtzeitanwendungen, womit Positionsbestimmungen mit einer Genauigkeit von 2 cm bis 50 cm möglich sind. Die Ruhrgas AG und die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder (AdV),Betreiber des satellitengestützten Positionierungsdienst SAPOS®. haben Anfang April 2003 eine „Public Private Partnership“ mit dem Ziel gebildet, die vorhandenen Potenziale beider Systeme zum Betrieb und zur Vermarktung zu bündeln. Ascos wird diese Mehrwertdienste mit einer hohen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit bundesweit einheitlich aus „einer Hand“ anbieten und schafft damit eine für die Wirtschaft notwendige zentrale Vermarktungsplattform. Inzwischen sind alle 16 Bundesländer dieser „Public Private Partnership“ beigetreten. Somit steht eine flächendeckende Infrastruktur für das Bundesgebiet zur Verfügung.

Anforderungen an eine erfolgreiche Systemimplementierung

Im Rahmen der Diplomarbeit kam eine Gerätekombination zum Einsatz, wie sie derzeit in der Sächsischen Landesforstverwaltung Verwendung findet. Sie besteht in der Grundausrüstung aus einem PenPC, einem GSM-Modem, einem GNSS-Empfänger, einer GPS-Antenne und einer Referenzsignalantenne. Diese Systemkomponenten sind die Basis für das System FOGEPOS des Landesforstpräsidiums Sachsen.

Im November 2001 kam das Landesforstpräsidium Sachsen zu dem Entschluss, eigene Geräte für die Landesforstverwaltung anzuschaffen.

Es sollte ein System gefunden werden, welches auch auf bestockter Fläche zuverlässige GPS-Satelliten empfangen kann und mit ausreichender Genauigkeit im Submeterbereich Werte liefert. Der verwendete Referenzdienst sollte auch im Wald in ganz Sachsen zu empfangen sein und eine Nutzerbandbreite aufweisen, die einen dauerhaften Bezug erwarten lassen. Der Datenfluss vom Erfassen der Daten über den Transfer auf den PC und die Nachbereitung bis zum Protokollausdruck sollte verkürzt werden. Das System sollte um GIS-Funktionalitäten erweiterbar sein, so dass eine Datenübernahme stattfinden kann. Die Investition durfte nicht so gebunden sein, dass unterhalb des Abschreibungszeitraumes der Stand der Technik nicht mehr zu vollziehen ist. Anteilig sollten Gerätekomponenten und damit Investitionen auch anderweitig als zur satellitengestützten Positions-bestimmung genutzt werden können. Bei einer präzisen Positions-bestimmung sollte auch eine Kombination aus Position und externer Sensorik möglich sein. Das System sollte in den üblichen Grenzen updatefähig und konfigurierbar sein.

Es wurde eine Marktsichtung der verfügbaren präzisen Systeme mit GNS-Empfängern durchgeführt und getestet. Da die auf dem Markt angebotenen Systeme kostenmäßig nicht preisgünstiger waren, als eine eigene Gerätezusammenstellung, wurde dieses Konzept verfolgt.

Leitgedanke dieser Neuentwicklung eines Forstsystems war das Arbeiten in einer vollgrafischen Oberfläche die auf Windows basiert. Durch den Preis solcher Systeme bedingt wurde nach einer Möglichkeit gesucht, um das Endgerät auch anderweitig zu verwenden. Dadurch entstand der Wunsch, bei eventuellem Einsatz von GSM als Korrektu-rdatenmedium auch Daten mobil aus der Fläche zu versenden oder zu empfangen. Die Lösung war der Standard USB. Über diese universale serielle Busschnittstelle sind bis zu 155 Kommunikationskanäle möglich. Damit kann am Endgerät auch externe Sensorik wie Feldstärkenmesser, Kluppe usw. angeschlossen werden.

Die Systemkomponenten für die optimale Anwendung

Zentrales Element des Systems ist der Satelliten-Receiver. Als für die forstlichen Verwendungen am geeignetsten wurde nach umfangreichen Tests der Legacy-E der Firma TOPCON gefunden. Mit dem verwendeten Receiver können Signale der amerikanischen Satelliten GPS als auch der russischen Satelliten GLONASS empfangen und zur Positions-bestimmung herangezogen werden. Dadurch erhöht sich die verfügbare Satellitenanzahl um durchschnittlich 4 Satelliten. Gerade im Wald und an Nordhängen lernt man dieses Merkmal sehr zu schätzen. Er besitzt 40 unabhängige Kanäle zur Signalverarbeitung und bezieht Satelliten bis zu 50 Elevation ein. Weiterentwickelte Firmware kann per Datei überspielt werden und die Eigenschaften des Empfängers lassen sich ebenfalls per Datei freischalten. Die Satellitenverfügbarkeit wird in einem Almanach dargestellt. Weitere Komponente ist die zum Receiver gehörende Antenne LegAnt von TOPCON.


Die Neuentwicklung der Gerätekonfiguration besteht im wesentlichen aus der Möglichkeit, den PenPC unabhängig vom Satellitenempfänger als Informationskonsole mit GSM/GPRS-Anbindung nutzen zu können.

Als Bedienelement wurde der PenPC Stylistic 3500R von Fujitsu-Siemens gewählt. Es ist das Gerät am Markt, welches bei geringstem Gewicht (1,2kg) und größtem Display (10,4“) eine hervorragende Lesbarkeit im Freien und eine maximale Arbeitszeit gewährleistet. Dieser PenPC stellt mit der dazugehörigen Infrarot-Tastatur quasi ein Notebook dar. Ergänzt um eine sehr robuste Lederhülle ist er unempfindlich gegenüber Schlagschäden und Feuchtigkeit.

Aufgrund des auf dem PenPC installierten Windows2000 eröffnen sich damit die Möglichkeiten eines mobilen Office. Neben einem möglichen Einsatz von mobilen GIS können alle anderen Anwendungen, vom Outlook bis zu Access-Programmierungen (Waldbesitzerverzeichnisse) darauf ausgeführt werden. Außerdem ist mit FOGEPOS erstmals eine grafische Punktaufnahme innerhalb eines mobilen GIS möglich.

Durch die eingesetzte Software GART2000 NT biete sich die Möglich-keit, Flächen als Produkt von Einzelpunkten im Feld zu erfassen und die Flächengröße sofort auszugeben. Die Ergebnisse können als Protokoll ausgedruckt werden.

Eine letzte, jedoch sehr wichtige Komponente stellt die GPRS/GSM PCMCIA-Card dar. Mit ihrer Hilfe wird der Datenbezug der GPS+ GLONASS-Korrekturdaten realisiert. Der Referenzdienst ascos der Ruhrgas AG ist der deutschlandweit einzige Service, mit dem lage-unabhängig, bundesländerübergreifend Genauigkeiten im Submeter-bereich RTK erzielt werden. Durch die bidirektionale Datenverbindung im GSM-Netz wird die Übermittlung der eigenen Position realisiert, was wiederum die Berechnung einer virtuellen Referenz für jeden Nutzer ermöglicht. Eben diese Technologie garantiert die hohe Genauigkeit in Echtzeit.

Ausbau einer integrierten GIS - Lösung

Der vorhandene Speicherplatz in Verbindung mit der Performance des 500MHz Celeron-Prozessors im PenPC bieten ideale Voraussetzungen, auf diesen Geräten ein mobiles GIS einzusetzen.

In Ergänzung zu den im Landesforstpräsidium bereits eingesetzten ESRI-Produkten ArcInfo® und ArcView® entschied man sich für die Anpassung des mobilen GIS ArcPad®. Diese Software wird von ESRI in der aktuellen Version 6.0.1 angeboten und ermöglicht die Steuerung von Receivern und die Erfassung von Punkten, Linien und Polygonen mittels GPS+GLONASS direkt in der GIS-Umgebung.

Die Einbindung von Orthophotos im MrSID-Format stellen eine ideale Ergänzung des Informationsgehaltes im GIS dar und können durch das große Display des PenPC optimal dargestellt werden. Durch das sehr offen gestaltete Objektmodell von ArcPad® sind sehr spezifische Anpassungen möglich. So können Masken zur Erfassung aller Attribute und Fachinformationen erstellt und mit Plausibilitäten bereits im Feld die Eingabemöglichkeiten gesteuert werden.

Neue Anwendungen für die Forstwirtschaft

Hauptgrund der Beschaffung dieser Systeme war das nach dem Integrierten Verwaltungs- und Kontrollsystem – InVeKoS - vorgeschriebene Förderverfahren und die damit in der Forstwirtschaft aufwendige Umsetzung.

Nach einem anfänglichen sehr hohen Volumen an Einzelflächenmessungen, welches noch einige Zeit anhalten wird, sind aber auch andere Einsatzgebiete interessant. Allein das Verfahren der Forsteinrichtung kann mit diesen Möglichkeiten eine neue Struktur erhalten. In Beispielanwendungen wurde bereits in Rekordzeit das Wegenetz eines ganzen Waldteiles sehr präzise und mit absoluter Geoposition ermittelt und eine Bestandesabgrenzung vorgenommen. Durch die neben der Lage auch sehr genaue Ermittlung der Höhe sind ohne weiteres Nivellements für Grabensysteme möglich, um die Wasserführung in stauvernässten Bereichen zu optimieren. Eine weitere Anwendung mit einer hohen Anforderung an Präzision ist die Aufnahme von Passpunkten für die Georeferenzierung von Forstkarten. Aufgrund der vollkommen lokalen Unabhängigkeit ist praktisch die Aufnahme jedes beliebigen Punktes möglich.

Neben dem Einsatz als Rucksacksystem durch die Forstmitarbeiter wurden auch bereits Versuche auf Forstmaschinen durchgeführt, die umweltverträglich zum gewünschten Holzeinschlag navigiert werden. Das beschriebene System stellt durch die Verwendung von GPS+GLONASS Empfängern von TOPCON und dem Satelliten-Referenzdienst ascos der Forstvermessung völlig neue Möglichkeiten zur Verfügung. Darüber hinaus ermöglicht es die Aktualisierung von Geometrien und Sachdaten mit einer sehr hohen Präzision in Echtzeit auch unter dem Bestandesschirm. In naher Zukunft könnten sich eine Reihe fachspezifischer Anwendungen im Rahmen von mobilem GIS entwickeln, welche die in der Natur erhobenen Sachdaten sofort mit ihren Geometriedaten verbinden.

Dipl. Ing. Peter Loef | Ruhrgas AG
Weitere Informationen:
http://www.ascos.de

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