Digitale Zwillinge der Waldwege - Sergej Chmara, ThüringenForst AöR – Forschungs- und Kompetenzzentrum Gotha Möglichkeiten und Grenzen Adaptiert und vorgetragen: Prof. Dr. M. Ziesak; BFH – HAFL Weitere Kooperationspartner:
Digitale Zwillinge der Waldwege - Sergej Chmara, ThüringenForst AöR –
Forschungs- und Kompetenzzentrum Gotha Möglichkeiten und Grenzen
Adaptiert und vorgetragen: Prof. Dr. M. Ziesak; BFH – HAFL
Weitere Kooperationspartner:
Gliederung
• Digitale Wegeinventur – Warum?
• Was ist ein Forstweg und wie sieht er aus?
• Besonderheiten der Forstwege
• Methoden der Erfassung der Wegeinformationen
• Herausforderungen
• Ausblick
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 2
Hinweise auf (mögliche) Korruptionsverstrickung
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Wegeinventur – Warum ?
FFK Gotha - ThüringenForst AöR
Erfassen des Bestandes an Forststrassen und dessen Zustandes zum Zwecke der
• Sicherung ganzjähriger Befahrbarkeit aller Wege
• Gute Nutzungsmöglichkeiten für alle Nutzer der Wege (Mehrfachfunktion)
• Steuerung der Holzlogistik, Transportoptimierung
• Grundlage für Wegebauplanungen
• Grundlage für strategische Entscheidungen , Netzoptimierung
• Grundlage für Haushaltsplanungen
• Grundlage für Bilanzermittlung
• Absicherung der Rettungskette und Waldbrandschutzes
• Grundlage für Förderung des Forst-Wegebaus
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Ziele der Wegeinventur
FFK Gotha - ThüringenForst AöR
7
Ziele der Wegeinventur
Nutzungsbereiche/Einsatzgebiete von WIS
FFK Gotha - ThüringenForst AöR
Wege-Informations-Systeme (WIS) :
• ThüringenForst AöR
• BaySF/ Bay. Forstverwaltung
• Niedersächsische Landesforsten
• ForstBW
• Landesforsten Reihnland-Pfalz
• …..
• NAVLOG gGmbH
8 FFK Gotha - ThüringenForst AöR
Beispiele digitaler Wegezwilling
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 12
Besonderheiten der Forstwege
Zur Zeit keine einheitliche Definition
Schadstufen in Thüringen
• Schadstufe 1, Kosten bis ca. 1,00 €/ lfm, meist nur Graderarbeiten ohne Materialeinsatz (Unterhaltung)
• Schadstufe 2, Kosten bis ca. 5,00 €/ lfm, Grader und Baggerarbeiten, oder punktueller Materialeinsatz (Unterhaltung)
• Schadstufe 3, Kosten bis ca. 15,00 €/ lfm, Materialeinsatz bis ca. 1,0 t/ lfm, Wasserführung nicht funktionsfähig (Instandsetzung)
• Schadstufe 4, Kosten über ca. 15,00 €/ lfm (grundhafter Ausbau)
• Nutzbare Wegebreite mindestens 3,0 m (Brücken 3,5 m breit)
• Lichtraumprofil mind. 3,5 m breit und 4,2 m hoch (Unterführungen)
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 13
Wegeschäden / Schadstufen
Wege-Schadstufen
1 2
4 3
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 14
Hinweise auf (mögliche) Korruptionsverstrickung
16 FFK Gotha - ThüringenForst AöR
Digitale Wege-Zustandserfassung
1. Gutachtlich: Visuelle Ansprache (WIS-App)
2. Messverfahren
• Mechanisch
• Fotooptisch
• Laserscanning
• Inertial-Messungen
• Ultraschall
• + weitere ….
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 18
Digitale Erfassungsmethoden
© Topcon Deutschland Positioning GmbH
© aerialis
©: HAFL
©: HAFL
Direkt oder indirekt
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 19
Visuelle Ansprache
Beispiel: WIS-App (ThüringenForst AöR)
• Mechanische Messung des Oberflächen-Profils
Beispiel: WIS-Erfassung im GIS
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 22
LiDAR (Laser) –Scanning (1)
© https://www.3dlasermapping.com
© Ahmad A. Alhasan; Iowa State University, [email protected]
Trägersysteme:
• Terrestrisch/ Stativ (Ahmad A.
Alhasan, David J. White; 2015)
• Zu Fuß mit Handlaserscanner
• KFZ
• UAV
• Flugzeug
© RIEGL Laser Measurement Systems GmbH
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 23
LiDAR-Scanning (2)
© Ahmad A. Alhasan; Iowa State University, [email protected]
© Ahmad A. Alhasan; Iowa State University, [email protected]
Messwerte: • Wegeprofil • Lichtraum • Rauigkeit der Wegeoberfläche
© Devin Coldewey techcrunch
© https://www.3dlasermapping.com
© Schuler S. 2014
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 26
Sensorfusion-Messsysteme - 1. g-Sensor
Messlanze (FH Bern/ ThüringenForst AöR /Wald&Holz NRW)
Trägersystem:
• KFZ
Messwerte:
• Geometrie (GNSS)
• Vibration
• Beschleunigung
• Rauigkeit der Oberfläche
• Neigung der Fahrbahn
Besonderheiten:
• selbstkalibrierend
• Fahrstil-abhängig
© HAFL
© HAFL
© HAFL
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 27
© Rommel, D. -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3Strecke 1 - Feature 1
© Uwe Knauer et.al; 2016
© Moussaoui H.; 2013
© HAFL
Sensorfusion-Messsysteme - 1. g-Sensor
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 28
Messlanze (FH Bern/ ThüringenForst AöR /Wald&Holz NRW)
Trägersystem:
• KFZ
Messwerte:
• Geometrie (GNSS)
• Neigung der Fahrbahn
• Rauigkeit der Oberfläche
• Profil der Fahrbahn
Besonderheiten:
• selbstkalibrierend
• Fahrstil-abhängig
© Roos S.;2014
© Roos S.;2014
Sensorfusion-Messsysteme – 2. Ultraschall Messung
Ableitung der Wegeprofile aus Ultraschall-Daten (Ross S. 2015) Schadstufe 2
Schadstufe 4
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Sensorfusion-Messsysteme – 2. Ultraschall Messung
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 30
• Zuordnung der Messpositionen zu Wegegeometrie notwendig
• Behandlung der Mess-Gaps- Lücken • Behandlung der „Reststücke“
© Hug P. 2016
© Ross Sven; 2015
Sensorfusion-Messsysteme – 3. GNSS Verortung
Herausforderungen der digitalen Wege-Inventur
Bild
: ESA
© Reto Baula, HAFL
Messwerte # Informationen
© Rommel, D.
© Ahmad A. Alhasan; Iowa State University, [email protected]
© Devin Coldewey techcrunch
© Moussaoui Hakim; 2013
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 32
Auswertungsmethoden: regelbasiert
Ableitung der Wegeprofile aus Ultraschall-Daten (Ross S. 2015)
Schadstufe 4
Schadstufe 1
Schadstufe 2
Schadstufe 3
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 33
Ereigniserkennung/Muster-Erkennung in den Sensordaten (Knauer Uwe et all; 2016)
Auswertungsmethoden: KI-Methoden
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20
0.5
1
1.5
2
2.5
3Strecke 1 - Feature 1
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 34
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 35
Fehlende Definitionen & Standards (1)
• Standard für Wegeprofile (Ideale Weg) • Profil • Entwässerung • Oberflächenrauigkeit • Lichtraum
• Definition von Schäden (punktuell) • Schlagloch (Was ist ein Schlagloch?) • Spur-Rille • Schweinsrücken • …….
© HAFL Bern; Reto Baula
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 36
Fehlende Definitionen & Standards (2)
• Übertragung der Punktinformationen auf Strecken • Definition von Schäden (streckenbezogen)
• Ab wieviel Schlaglöcher ist der Weg kaputt? • Kann der Weg kaputt sein, auch wenn keine Schlaglöcher da
sind? • Standard für Schadstufen
© Ross Sven; 2015
© Ross Sven; 2015
Ausblick
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 38
Ausblick
• Hohe Bedeutung der Wege- Zustandserfassung auch in Zukunft
• Stärkung des „digitalen Zwillings“
• Trennung zwischen Erfassung und Auswertung
• Durch Historisierung und Datenauswertung – vorausschauende Wegeunterhaltung (predective maintenance)
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 39
© Knauer Uwe, et al; 2016
Literatur (1)
• Ahmad A. Alhasan, David J. White; 2015: Terrestrial Laser Scanning Roughness Assessments for Infrastructure; Iowa State University
• Brown Mark et.al.; 2003: Road Maintenance with Opti-Grade®: Maintaining Road Networks to Achieve the Best Value; Forest Engineering Research Institute of Canada;
• Brown Mark , et.al.; 2002: MultiDAT and Opti-Grade: two knowledge-based electronic solutions for managing forestry operations more efficiently; FERIC, Eastern Division, Pointe-Claire, Qc, Canada ; Council on Forest Engineering (COFE) Conference Proceedings: “A Global Perspective” Auburn, June 16-20, 2002
• Hug Philipp; 2016 : Automatisierte Zustandserfassung von Waldstraßen mit dem System Messlanze. Genauigkeit der Ultraschallsensoren und des GNSS-Empfängers; BSc Thesis an der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften Zollikofen
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 41
Literatur 2
• Knauer Uwe et.al; 2016: Angepasste Datenanalyse eines Sensorsystems zur Bewertung des Wegezustandes im Forstbereich mit Methoden des Maschinellen Lernens; Abschlussbericht, unveröffentlicht; Fraunhofer IFF Magdeburg Biosystems Engineering
• Moussaoui Hakim; 2013: Wege- und Straßenqualitätsbeurteilung auf Basis von Beschleunigungsdaten; BSc-Thesis TU Ilmenau
• Roos Sven; 2015: Automatisierte Schadstufenerfassung auf Waldwegen. Ein Prototyp im Praxistest, BSc-Thesis FH Erfurt
• Schuler Stefan ; 2014: Erfassung des Unterhaltszustandes von Waldstraßen Überprüfung und Kalibrierung eines neuen IT-gestützten Tools ; BSc-Thesis HAFL Bern
• Weidig A. (2013): Wege- und Lichtraumprofilerkennung auf Basis von Bilddaten. BSc-Thesis an der Fakultät für Informatik und Automatisierung, TU Ilmenau. 2013.
FFK Gotha - ThüringenForst AöR 42
Kontakt:
Sergej Chmara
Referat digitale Waldinformationssysteme
Forstliches Forschungs- und Kompetenzzentrum Gotha,
ThüringenForst AöR
Tel.: 03621-225331
man kann Probleme analysieren, oder einen Weg suchen ….