Internationales Forschungsteam weist mit autonomem Laserscanning-System und Tracking-Algorithmus systematische Astbewegungen nach

Abgestorbene Äste von Bäumen sind keineswegs statisch, sondern bewegen sich deutlich im Tagesverlauf. Geoinformatikerinnen und Geoinformatiker der Universität Heidelberg haben diese Bewegungen in einer gemeinsamen Studie mit dem Finnish Geospatial Research Institute (FGI) nachverfolgt. Die Wissenschaftler setzten ein autonom operierendes Laserscanning-System ein, das einen ausgewählten Waldbereich regelmäßig erfasste. Mit einem speziell entwickelten Tracking-Algorithmus konnten sie selbst kleine – durch Luftfeuchteänderungen ausgelöste – Astbewegungen präzise quantifizieren. Ihr Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für ein automatisiertes Monitoring, mit dem anhand von charakteristischen Bewegungsmustern der Gesundheitszustand von Bäumen ermittelt werden könnte.

Bäume erscheinen auf den ersten Blick statisch, passen sich jedoch ständig an ihre Umwelteinflüsse an und bewegen als Reaktion darauf fortlaufend ihre Äste. Eine systematische Bewegung von abgestorbenen Baumästen wurde lange Zeit vermutet, aber bislang nicht quantitativ unter Realbedingungen im Wald nachgewiesen. Dieser Frage ist nun die am Geographischen Institut der Universität Heidelberg angesiedelte Forschungsgruppe 3D-Geodatenverarbeitung (3DGeo) unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Höfle in einer internationalen Kooperation mit dem FGI nachgegangen. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, die vermutete Bewegung mit terrestrischem Laserscanning automatisiert über mehrere Tage jede Stunde im Detail zu vermessen und sie mithilfe des Tracking-Algorithmus sichtbar zu machen.

Um die Bewegungen zu erklären, modellierten die Forscherinnen und Forscher die anatomischen und mechanischen Eigenschaften von Baumästen. Sie stellten fest, dass dabei die relative Luftfeuchte einer der entscheidenden Faktoren ist: Ändert sich diese, nimmt das Astholz Feuchtigkeit auf oder gibt sie ab, wodurch sich das Holz ausdehnt oder zusammenzieht. „Diese Längenänderung geschieht jedoch nicht gleichmäßig über den Astquerschnitt. Je nach Baumart vergrößern sich der obere und der untere Teil unterschiedlich stark. Dadurch können sich auch abgestorbene Äste bei wechselnder Luftfeuchte im Tagesverlauf deutlich nach oben oder unten bewegen“, erläutert Vanessa Guthier, die wissenschaftliche Mitarbeiterin in der 3DGeo-Forschungsgruppe ist. Die Analysen zeigen, dass alle untersuchten Äste – hier von 16 Nadelbäumen und einem Laubbaum in einem borealen Wald im finnischen Hyytiälä – einem klaren und systematischen täglichen Bewegungsmuster folgten.

Wie Vanessa Guthier erläutert, senkten sich die abgestorbenen Nadelbaumäste tagsüber und hoben sich nachts; der untersuchte tote Birkenast zeigte das umgekehrte Muster. Innerhalb weniger Tage bewegten sich die Astspitzen um bis zu 43 Zentimeter in der Höhe. Ihre Bewegung hing eng zusammen mit der sogenannten Gleichgewichtsfeuchte des Holzes, die aus der relativen Luftfeuchte und der Lufttemperatur berechnet wird. Die Astbewegungen traten dabei mit einer zeitlichen Verzögerung von durchschnittlich etwa dreieinhalb Stunden nach den von den Wissenschaftlern modellierten Feuchteänderungen auf. „Unsere Ergebnisse stützen damit die Annahme, dass die täglichen Bewegungen abgestorbener Äste hauptsächlich durch die hygroskopischen Eigenschaften des Holzes bedingt sind, das heißt durch die Aufnahme und Abgabe von Feuchtigkeit im Holz verursacht werden“, sagt Vanessa Guthier.

Nach den Worten der Heidelberger Geoinformatiker zeigt die präzise Quantifizierung, dass sich die Bewegungssignaturen lebender und toter Äste deutlich voneinander unterscheiden. Mit der Auswertung dieser Muster mittels Tracking-Algorithmus und dem Einsatz des autonom operierenden Laserscanning-Systems wäre es langfristig möglich, abgestorbene Äste berührungslos an mehreren Bäumen gleichzeitig zu identifizieren. „Dieser Forschungsansatz bietet große Chancen für ein Baummonitoring im Wald und in der Stadt, um damit den Gesundheitszustand von Bäumen automatisiert zu überwachen und frühzeitig einen Rückgang der Baumvitalität zu erkennen“, unterstreicht Prof. Höfle.

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Finnischen Forschungsrat und dem Tulanet-Postdoktorandenprogramm für Forschungsinstitute in Finnland gefördert. Die Ergebnisse aus der Forschungskooperation zwischen dem Geographischen Institut der Universität Heidelberg und dem Finnish Geospatial Research Institute sind in der Zeitschrift „Agricultural and Forest Meteorology“ erschienen.