Wie Arboreal Forest Positionsdaten erfasst – vom GPS des Smartphones zu präzisen AR-Koordinaten

1. Ausgangspunkt: das integrierte GNSS des Smartphones

Jedes moderne Smartphone hat einen GNSS-Chip (meist GPS genannt, tatsächlich empfängt er aber mehrere Satellitensysteme gleichzeitig). Wenn Sie in Arboreal einen Baum messen, erfasst die App vier Werte:

• Ihre Position – die GPS-Koordinate des Smartphones.
• Die Peilung – die Kompassrichtung vom Smartphone zum Baum.
• Die Entfernung – gemessen bis zum Stammrand.
• Der Durchmesser – gemessen mit der AR-basierten Kluppe von Arboreal.

Aus diesen vier Werten berechnen wir die Position der Stammmitte. Diese Koordinate speichern wir für den Baum.

Welche Genauigkeit können Sie erwarten?

Das GNSS eines Smartphones ist in offenem Gelände typischerweise auf wenige Meter genau und unter dichtem Kronendach deutlich ungenauer, weil Signale abgeschirmt oder reflektiert werden. Für die meisten forstlichen Arbeiten im Betrieb reicht das aus – wenn Sie jedoch einzelne Bäume wiederfinden oder Arboreal-Daten mit hochauflösender Fernerkundung zusammenführen möchten, brauchen Sie mehr.

2. Zentimetergenauigkeit mit Emlid Reach RX

Arboreal unterstützt Emlid Reach RX und Reach RX2 – kleine RTK-GNSS-Empfänger im Taschenformat, die per Bluetooth mit dem Smartphone verbunden werden. Mit einem RTK-Korrekturdatenstrom (NTRIP oder eine lokale Basisstation) liefert Reach RX Fixed-Positionen mit 1–2 cm Genauigkeit.

Ist ein Reach RX verbunden, verwendet Arboreal dessen Koordinate als Referenzposition anstelle des integrierten GPS des Smartphones. Die Geometrie ist genau dieselbe wie in Abschnitt 1 – Peilung, Entfernung, Durchmesser –, doch der Ausgangspunkt ist nun zentimetergenau, und damit auch die Stammmitten.

Die konkreten Zahlen aus einem Feldtest finden Sie in unserer ausführlichen Auswertung: Auswertung der GNSS-Genauigkeit – Emlid Reach RX / RX2.

3. Lokale Koordinaten aus AR – hohe relative Genauigkeit

Jetzt wird es interessant. Zusätzlich zur GPS-Position erfasst Arboreal jeden Baum in einem lokalen AR-Koordinatensystem.

ARKit von Apple nutzt die Kamera zusammen mit den Bewegungssensoren des Smartphones, um dessen Lage und Ausrichtung im 3D-Raum zu verfolgen. Der Ursprung liegt dort, wo Sie die Sitzung gestartet haben – in der Regel an Ihrem Mittelpunktstab. Diese lokalen Koordinaten sind in Metern angegeben, und die Positionen der Bäume zueinander sind äußerst genau – meist nur wenige Zentimeter Abweichung, selbst dort, wo das GPS unter dem Kronendach stark streut.

Standardmäßig verwendet ARKit eine an Schwerkraft und Himmelsrichtung ausgerichtete Welt:

• X zeigt nach Osten
• Y ist die Höhe (nach oben)
• –Z zeigt nach Norden (d. h. Z zeigt nach Süden)

Die Ausrichtung Ihres lokalen Systems soll also mithilfe des Smartphone-Kompasses mit geografisch Nord übereinstimmen.

4. Wenn der Kompass danebenliegt – das lokale Koordinatensystem drehen

Der Kompass des Smartphones ist nicht immer zuverlässig. Magnetische Störungen, ein gerade bewegtes oder geschütteltes Gerät oder einfach die Nähe zu Metall können die AR-Welt um einige – manchmal viele – Grad verdrehen. Dann erscheint die gesamte Probefläche auf der Karte leicht verdreht.

In Arboreal gibt es zwei Möglichkeiten, damit umzugehen:

1. Vor dem Start prüfen. Bevor Sie den Mittelpunktstab setzen, sehen Sie sich den blauen Nordpfeil auf dem Bildschirm an. Zeigt er nicht dorthin, wo Norden tatsächlich liegt, tippen Sie ihn an und drehen Sie ihn, bis er stimmt. Die AR-Sitzung startet dann korrekt ausgerichtet.
2. Nachträglich korrigieren. Bemerken Sie die Fehlausrichtung erst nach der Messung, lässt sich die Drehung in der Nachbearbeitung korrigieren – das gesamte lokale Koordinatensystem (und damit jede Baumposition) wird einfach um den Abweichungswinkel um den Mittelpunktstab gedreht. Das ist derzeit keine integrierte Funktion in Arboreal, doch da die lokalen Rohkoordinaten mit der Probefläche exportiert werden, kann die Korrektur in jedem GIS- oder Analysewerkzeug Ihrer Wahl erfolgen.

5. Von lokal zu global – Verankerung am Mittelpunktstab

Dieser Schritt ist vor allem relevant, wenn Sie mit dem integrierten GNSS des Smartphones arbeiten. Mit einem Reach RX erhält jeder Baum bereits eine zentimetergenaue globale Koordinate, es ist also nichts weiter zu tun. Beim Smartphone-GNSS trägt dagegen jede GPS-Messung pro Baum das Rauschen des Geräts in sich – einige Meter im Freien, mehr unter dem Kronendach –, sodass die Bäume relativ zueinander verstreut erscheinen können, obwohl AR ihre Positionen auf Zentimeter genau kennt.

Die Lösung besteht darin, die GPS-Messungen pro Baum ganz zu ignorieren und die globale Position jedes Baumes vom Mittelpunktstab aus neu zu berechnen. Der Mittelpunktstab ist der Ursprung der AR-Welt, seine lokale Koordinate ist also (0, y, 0). Das lokale (X, Z) jedes anderen Baumes ist einfach ein Ost/Nord-Versatz in Metern von diesem Punkt. Die Umrechnung dieser Versätze in eine globale Koordinate überlässt Arboreal Ihnen – verschiedene Anwender wünschen unterschiedliche Koordinatensysteme (WGS84, SWEREF 99 TM, UTM, ein nationales Gitter …), und die richtige Wahl hängt davon ab, wie Sie die Daten nutzen möchten.

Ein Rechenbeispiel – Umrechnung in WGS84 (Breite / Länge)

WGS84 ist das Koordinatensystem, das die meisten GPS-Geräte und Webkarten verwenden. Es gibt Positionen als geografische Breite und Länge in Grad an. Um von lokalen Metern auf Grad umzurechnen, müssen Sie wissen, wie viele Meter ein Grad an Ihrem Standort umfasst:

Dabei ist lat₀ die Breite des Mittelpunktstabs (im Bogenmaß innerhalb von cos), ΔNord der lokale –Z-Versatz in Metern und ΔOst der lokale X-Versatz in Metern. 111 320 m ist eine brauchbare Näherung für ein Grad Breite auf dem WGS84-Ellipsoid – der tatsächliche Wert schwankt vom Äquator bis zum Pol um weniger als 1 %, was für Entfernungen in der Größenordnung einer Probefläche völlig ausreicht.

Sobald Ihre Probefläche korrekt ausgerichtet ist (siehe Abschnitt 4 – sodass das lokale +X wirklich nach Osten und das lokale –Z wirklich nach Norden zeigt), lautet die globale Koordinate jedes Baumes:

Schritt für Schritt

1. Lesen Sie die GPS-Koordinate des Mittelpunktstabs (lat₀, lon₀) aus dem Arboreal-Export aus.
2. Nehmen Sie für jeden Baum sein lokales (X, Z) aus dem Export.
3. Rechnen Sie die Versätze mit den obigen Formeln in Grad um (lat₀ innerhalb von cos ins Bogenmaß umrechnen).
4. Addieren Sie sie zu (lat₀, lon₀), um die globale WGS84-Koordinate des Baumes zu erhalten.

Arbeiten Sie lieber in einem projizierten System wie SWEREF 99 TM oder UTM, ist der Ablauf noch einfacher – Sie können die Versätze in Metern belassen und sie einfach zur projizierten Koordinate des Mittelpunktstabs addieren (ohne cos-Korrektur) und erst dann nach WGS84 umprojizieren, wenn Sie die Daten auf einer Webkarte darstellen möchten.

Im Ergebnis liegt jeder Baum mit der relativen Genauigkeit von AR – meist Zentimeter zwischen den Bäumen – verankert an einer einzigen GPS-Messung am Mittelpunktstab. Die Probefläche behält ihre tatsächliche Form, und das Ganze ist nur um das Rauschen dieser einen Messung verschoben, statt um unabhängiges Rauschen an jedem einzelnen Baum.

Warum das wichtig ist – zwei Anwendungsfälle

1. Arboreal-Daten mit anderen Quellen zusammenführen. Haben Ihre Bäume genaue globale Koordinaten, können Sie sie mit Drohnenbildern, Luftbildern oder mobilen LiDAR-Scans überlagern und Baum für Baum zuordnen. So lassen sich die mit Arboreal gemessenen Durchmesser mit Höhen aus der Fernerkundung verknüpfen – und Sie erhalten für jeden einzelnen Baum ein vollständiges Wertepaar aus BHD (Brusthöhendurchmesser) und Höhe statt Mittelwerten auf Probeflächenebene.

2. Dieselbe Probefläche erneut aufnehmen. Kommen Sie in der nächsten Saison zurück, können Sie dank genauer Einzelbaumpositionen dieselben Bäume wiedererkennen. Zuwachs, Mortalität und Bewirtschaftungseffekte lassen sich dann auf Einzelbaumebene verfolgen – nicht nur auf Bestandesebene.

Fazit

Drei Positionsebenen, die zusammenwirken:

• Smartphone-GNSS – immer verfügbar, Genauigkeit im Meterbereich, für die meisten Einsätze ausreichend.
• Emlid Reach RX – Zentimetergenauigkeit, wenn Sie sie brauchen.
• Lokale AR-Koordinaten – relative Genauigkeit von wenigen Zentimetern, verankert an einer einzigen GPS-Messung.

Erst diese Kombination macht Arboreal-Daten leicht vergleichbar, leicht wiederauffindbar und leicht mit dem übrigen digitalen Wald zusammenführbar.