Describing the canopy closure of forest stands using the method based on the Airborne Laser Scanning at the example of Chojna Forest District

• Autorzy: Wężyk P. , Sieczka A.

Warianty tytułu

PL

Metoda określania zwarcia koron w oparciu o lotniczy skaning laserowy na przykładzie drzewostanów nadleśnictwa Chojna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Canopy closure is a very important parameter of forest stand characteristic with ecological and economical signifi cance. During the forest stand inventory, the crown coverage is specifi ed as a descriptive value in quite a subjective way and the forest compartments are qualifi ed to fi xed classes based on the guidelines (IUL). The Airborne Laser Scanning (ALS) offers the possibility to generate Digital Surface Model (DSM; also called Crown Height Model) and based on this the stand characteristic can be determined. This paper presents a method of crown cover (canopy) estimation based on ALS data. Estimation was carried out separately for the whole area of compartments and focusing on the inventory plots. Study area was located in Chojna Forest District (RDLP Szczecin). Study was done based on 49 coniferous compartments (inc. 95 sample plots) and 67 deciduous compartments (134 plots). ALS data were collected in September 2006 using Riegl LMS Q-560 (full waveform) device mounted on helicopter (fl ying altitude 500 m). Reference data (forest inventory based on sample plots) were collected during July/August 2006. Based on ALS, the DSM and nDSM (normalised) were generated as raster (1x1 m; GeoTIFF). Crown cover was obtained from nDSM by pixel classifi cation using height attributes (ERMapper). The profi le analysis of ALS point cloud of each forest compartment was conducted to eliminate points from second storey. For the compartment level the SILP data were used as reference. To compare the descriptive data with ALS estimations transformation from descriptive to number values was done. Verifi cation of ALS method was done through on-screen vectorization of crowns using aerial orthophoto (pixel size 12cm) in 5 forest compartments. Digital boundaries of the compartments coming form Forest Digital Map (LMN) were examined using nDSM and orthophoto RGB. Results show that crown cover estimated from ALS point cloud on the compartment level for coniferous forest fi ts in 53% to the reference data (SILP). Crown cover based on ALS was lower than SILP value only for 10% of compartments. In 37% compartments we observed higher overestimations using ALS. Different results occurred in deciduous compartments where ALS crown cover value was higher than SILP for 47%, lower in 13% and with no difference for 40% of compartments. In deciduous compartments reverse correlation between stand height and difference value between SILP and ALS crown coverage was found. Differences between ALS crown coverage for all compartments and sample plots were insignifi cant. Crown cover value for coniferous and deciduous sample plots was higher (3.7% and 2.9%) than coverage for corresponding forest compartment. This proves great usefulness of ALS data in sample plots arrangement planning in stands. Results obtained through screen vectorization on orthophoto were similar to ALS method. During data retrieving the signifi cant errors in Forest Digital Map (LMN) vectors occurred, which shows that verifi cation of forest compartments boundaries is needed every time when ALS data or aerial images are taken.

PL

Zwarcie koron drzew należy do niezmiernie ważnych cech taksacyjnych drzewostanu o znaczeniu ekologicznym i gospodarczym. W toku inwentaryzacji zasobów leśnych zwarcie określa się w terenie w sposób opisowy i dość subiektywny kwalifi kując je odpowiednio do klas ustalonych przez Instrukcję Urządzania Lasu. Lotniczy skaning laserowy (ang. ALS) stwarza możliwości generowania Numerycznego Modelu Powierzchni Terenu (NMPT; ang. DSM), a na jego podstawie określanie wybranych cech taksacyjnych drzewostanu. Praca prezentuje możliwości nowej metody określenia parametru zwarcia koron w drzewostanach na podstawie analizy NMPT. Ocenę przeprowadzono na dwóch poziomach szczegółowości, tj. zwarcia określanego dla całych pododdziałów oraz kołowej powierzchni badawczej. Teren badań zlokalizowano w Obrębie Piasek w Nadleśnictwie Chojna (RDLP Szczecin). Analizie poddano 49 pododdziałów iglastych, w których założono 95 powierzchni kołowych oraz 67 pododdziałów liściastych ze 134 powierzchniami kołowymi. Chmury punktów ALS zostały pozyskane we wrześniu 2006 roku skanerem typu full waveform (Riegl LMS Q-560) ze śmigłowca, z wysokości 500m. w sierpniu 2006 zakończono zbieranie danych referencyjnych dla 229 powierzchni kołowych. Na podstawie danych ALS wygenerowany został NMPT oraz nNMPT (1x1m; GeoTIFF), który posłużył do analizy parametru zwarcia (klasyfi kacja pikseli po atrybucie wysokości; ER Mapper). W celu wyeliminowania drugiego piętra i podszytu, na profi lach ALS odczytywano wysokość podstawy korony, która stanowiła graniczną wartość analiz zwarcia. Dla poziomu pododdziału jako dane referencyjne posłużyły informacje zapisane w tabelach SILP\LAS. Do porównania tych wartości zastosowano transformację wartości opisowych na wskaźniki liczbowe. Weryfi kacja metody ALS została przeprowadzona w oparciu o ekranową wektoryzację koron na ortofotografi i cyfrowej dla reprezentatywnych części 5-ciu pododdziałów. Analizie poddano również poprawność przebiegu granic pododdziałów Leśnej Mapy Numerycznej (LMN), w oparciu o zintegrowany produkt rastrowy: nNMPT + cyfrowa ortofotomozaika RGB (piksel 12 x 12cm). Stwierdzono, iż zwarcie określone na podstawie danych ALS dla poziomu pododdziałów w drzewostanach iglastych było w 53% przypadków zgodne z danymi referencyjnymi z urządzania lasu. W 37% przypadków otrzymano wyższe wartości zwarcia ALS a jedynie w 10% niższe od referencji. Odmiennie przedstawiała się sytuacja dla drzewostanów liściastych, dla których nie zanotowano różnic w 40% przypadków, wyższą wartość zwarcia ALS w 47% natomiast niższą w 13% pododdziałów. Tylko w przypadku drzewostanów liściastych stwierdzono zależność, iż ze wzrostem ich wysokości występują coraz większe rozbieżności pomiędzy porównywanymi metodami. Porównanie wartości zwarcia ALS pomiędzy pododdziałem a wartościami dla powierzchni kołowej wykazało bardzo niewielkie różnice. Zwarcie analizowane na powierzchniach kołowych było zawyżone średnio o 3,7% w przypadku gatunków iglastych i 2,9% d-stanów liściastych. Potwierdza to wysoką użyteczność danych ALS w planowaniu rozmieszczenia powierzchni kołowych w drzewostanach. Wartość zwarcia uzyskana metodą wektoryzacji koron na ortofotomozaice okazała się w większości przypadków bardzo zbliżona do określonego technologią ALS. W toku prac wykazano znaczne rozbieżności przebiegu wektora granic LMN, co wskazuje na konieczność jego każdorazowej weryfi kacji na podstawie NMPT lub nNMPT i ortofotografi i, o ile jest dostępna.

Słowa kluczowe

EN

airborne laser scanning (ALS); canopy closure of forest stands

PL

lotniczy skaning laserowy (ALS); zwarcie drzewostanu

• Wydawca: Polska Akademia Umiejętności
• Czasopismo: Geoinformatica Polonica
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 10
• Strony: 75--84
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wężyk P.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

autor

Sieczka A.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Bibliografia

• 1. Holmgren J., Johansson F., Olofsson K., Olsson H., Glimskär A., 2008. Estimation of crown coverage using airborne laser scanning. Proceedings of the SilviLaser 8th international conference on LiDAR applications in forest assessment and inventory, September 17-19, 2008. Heriot-Watt University, Edinburgh, UK
• 2. Hyyppä J., Hyyppä H., Litkey P., Yu X., Haggrén H., Rönnholm P., Pyysalo U., Pitkänen J., Maltamo M. 2004: Algorithms and methods of airborne laser scanning for forest measurements. “Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment”, WG VIII/2. Freiburg. P. 82-89
• 3. Morsdorf, F., Kötz, B., Meier, E., Irren, K.I.,Allgöwer, B., 2006. Estimation of LAI and fractional cover from small footprint airborne laser scanning data based on gap fraction. Remote Sensing Environment, 104, 50-61.
• 4. Pitkänen J., Maltamo M. 2004. Algorithms and methods of airborne laser scanning for forest measurements. “Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment”, WG VIII/2. Freiburg.
• 5. Reutebuch, S. E., Andersen, H. E., McGaughey, R. J., 2005. Light detection and ranging (LiDAR): An emerging tool for multiple resource inventory. Journal of Forestry, 103(6), pp. 286−292.
• 6. Zajączkowski, G., Wężyk, P. 2007. Ocena przydatności skaningu laserowego oraz cyfrowych obrazów multi- i hiperspektralnych do określania miąższości drzewostanów. Sękocin Stary, Raport z tematu BLP 302. Instytut Badawczy Leśnictwa, Sękocin Stary.