Wykorzystanie technologii naziemnego skaningu laserowego w określaniu wybranych cech drzew i drzewostanów

• Autorzy: Wężyk P. , Sroga R. , Szwed P. , Szostak M. , Tompalski P. , Kozioł K.

Warianty tytułu

EN

The application of terrestrial laser scanning for determining the selected trees and forest stand parameters

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Rozwój technologii pozyskiwania geodanych nabrał w ostatnich latach dużego tempa co skutkuje rewolucyjnymi zmianami w wielu dziedzinach gospodarki, w tym w leśnictwie, gdzie obserwuje się wdrażanie takich rozwiązań jak naziemny skaning laserowy (Terrestrial Laser Scanning; TLS). Pomiary wybranych cech drzew takich jak: wysokość, średnica, zbieżystość i objętości (miąższość grubizny) pnia są przedmiotem badań i wdrożeń. Generowane zbiory danych (chmur punktów) TLS wymagają automatycznego procesu ich przetwarzania. Prezentowana praca dotyczy zastosowania metody TLS w inwentaryzacji lasu, tj. określaniu wybranych parametrów takich jak pole przekroju pierśnicowego drzewa (g), wysokości (h) i w efekcie miąższość pnia (V). Analizie poddano drzewostan sosnowy w Nadleśnictwie Milicz (wydzielenie 236a; wiek 105 lat). Skaning przeprowadzono z 4 stanowisk stosując skaner fazowy FARO LS 880. Dane referencyjne dla średnicy pnia pozyskano tradycyjnymi instrumentami (pierśnicomierz) oraz w oparciu o lotniczy skaning laserowy dla wysokości. Testowano szereg metod i wzorów na obliczenie miąższości grubizny pni 21 drzew, tj.: metodę brył obrotowych (3 różne zestawy par przekrojów: 1.3 /6.0; 2.0/5.0 oraz 2.0/6.0 m nad gruntem) oraz pomiar sekcyjny. Obie bazują na algorytmie określania pola przekroju wycinków pnia metodą otoczki wypukłej. Za referencję przyjęto tzw. wzór empiryczny dla sosny oraz zamiennie pomiar sekcyjny TLS (długość sekcji 0.5m). Stosowano także tradycyjną metodę bazującą na tzw. tablicach miąższości drzew stojących. Wyniki wskazują, iż miąższości uzyskane metodą sekcyjnego pomiaru TLS nie różnią się istotnie statystycznie od stosowanego w praktyce leśnej wzoru empirycznego, a wartości różnic sięgają jedynie 1.5%. W przypadku wzoru na bryły obrotowe, różnice w określaniu miąższości na poziomie powierzchni sięgają od 6.1% (przekroje z wysokości: 2.0/6.0m) do 8.4% (2.0/5.0m;) powodując jej zaniżenie. Wartości maksymalne określone na poziomie pojedynczych drzew różnią się czasem aż o 38.4% (2.0/5.0), co wskazuje na zmienność geometryczną brył pni drzew. Praca potwierdziła przydatność metody pomiaru sekcyjnego TLS oraz potrzebę dalszych prac nad opracowaniem nowych standardów i parametrów w inwentaryzacji lasu oraz konieczność stosowania zautomatyzowanych procesów przetwarzania danych.

EN

The development of geodata acquiring technology has become very fast in recent years and leads to changes in many areas of economy, also in forestry, where new, revolutionary solutions such as terrestrial laser scanning are being implemented. Measurements of such tree characteristics, as the tree height, DBH, taper and the stem volume are subject of a number of studies. Generated sets of data (point clouds) need a chain of automatic processing. This paper describes the application of TLS in forest inventory control, i.e. in determining several parameters such as basal area (g), height (h) and finally the stem volume (V). The 105 years old pine stand in Milicz Forest District was analysed (plot no. 8). Scanning was performed from 4 stations with the use of a FARO LS 880 laser scanner. Reference data were collected using both the traditional instruments (DBH), and airborne laser scanning (h). Several methods and formulas were tested to calculate the stem volume, i.e. methods based on solid of revolution (involving 3 different pairs of cross-sections: 1.3 /6.0; 2.0/5.0 and 2.0/6.0 m above the ground), and sectional measurements. In both methods, the surface area of the crosssections was calculated using the author's algorithm (convex hulls). As the reference, the so-called empirical formula designed for pine was applied, together with volume calculated for 0.5 m sections on TLS point cloud. Traditional methods based on tables with volumes calculated for single trees were also used. The results indicate that volume measurements based on sections do not differ statistically from volumes calculated by means of the empirical formula, while the differences amount to 1.5 % only. As regards the method based on solid of revolution, the differences amount to 6.1% (cross-sections: 2.0/6.0 m, Std. dev 8.0) and 8.4% (2.0/5.0 m) causing the underestimation of the volume. Maximum values, calculated for single trees, are sometimes very high (38.4% for 2.0/5.0 m cross-sections), which indicates geometrical differences in the stem solid. The paper confirmed usability of section measurements within TLS point cloud and the need for further research on defining new standards and parameters for forest inventory control, as well as the necessity of applying automatic algorithms for data processing.

Słowa kluczowe

PL

naziemny skaning laserowy; TLS; pierśnica (d); pierśnicowe pole przekroju drzewa (g); miąższość pnia (V)

EN

terrestrial laser scanning; TLS; DBH; basal area; volume of tree trunk

• Wydawca: Zarząd Główny Stowarzyszenia Geodetów Polskich
• Czasopismo: Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 19
• Strony: 447--457
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Wężyk P.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Katedra Ekologii Lasu, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugo Kołłątaja w Krakowie, tel. [phone] fax [phone]

autor

Sroga R.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Katedra Ekologii Lasu, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugo Kołłątaja w Krakowie

autor

Szwed P.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Katedra Ekologii Lasu, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugo Kołłątaja w Krakowie

autor

Szostak M.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Katedra Ekologii Lasu, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugo Kołłątaja w Krakowie

autor

Tompalski P.

• Laboratorium GIS i Teledetekcji, Katedra Ekologii Lasu, Wydział Leśny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugo Kołłątaja w Krakowie, tel. [phone]

autor

Kozioł K.

• Katedra Geomatyki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, tel. [phone]

Bibliografia

• 1. Aschoff T. i Spiecker H., 2004. Algorithms for the Automatic Detection of Trees in Laser Scanner Data. [W] M. Thies, B. Koch, H. Spiecker i Weinacker H. (eds.): Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVI - 8/W2. 66-70. Freiburg, Germany. 03-06.10.2004, p. 71-75.
• 2. Aschoff T., Thies M. i Spiecker H., 2004. Describing Forest Stands Using Terrestrial Laser-Scanning. [W] Geo-Imagery Bridging Continents. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXV, Part B. Istanbul, Turkey. 12-23.07.2004, p.237-241.
• 3. Bienert A., Scheller S., Keane E., Mohan F. i Nugent C., 2007. Tree Detection and Diameter Estimations by Analysis of Forest Terrestrial Laserscanner Point Clouds. [W] Rönnholm P., Hyyppä H. i Hyyppä J. (eds.): ISPRS Workshop on Laser Scanning 2007 and SilviLaser 2007. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVI, Part 3 / W52. Espoo, Finland. 12-14.09.2007, p. 50-55.
• 4. Bienert A., Scheller S., Keane E., Mullooly G., Mohan F., 2006. Application of Terrestrial Laserscanners for the Determination of Forest Inventory Parameters. [W] Maas H.-G. i Schneider D. (eds.): Image Engineering and Vision Metrology. International Archives of Photogrametry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVI, part 5. Dresden. 25-27.09.2006.
• 5. Bruchwald A., 1999. Dendrometria. Wydawnictwo SGGW.
• 6. Bruchwald A., Dudek A., Michalak K., Rymer-Dudzinska T., Wróblewski L., Zasada M., 2000. Wzory empiryczne do określania wysokości i pierśnicowej liczby kształtu grubizny drzewa. Sylwan 10: 5-13.
• 7. Grundner F., Schwappach A., 1952. Massentaffeln zur Bestimmung des Holzgehaltes stehender Waldbäume und Waldbestände. Berlin
• 8. Henning J. G. i Radtke P. J., 2006. Detailed Stem Measurements of Standing Trees from Ground-Based Scanning Lidar. Forest Science, Vol: 52 (1), p. 67-80.
• 9. Lichti D. D., Gordon S. J. i Stewart M. P., 2002. Ground-Based Laser Scanners: Operation, Systems and Applications. Geomatica, Vol: 56 (1), p. 21-33.
• 10. Maas H. G., Bienert A., Scheller S. i Keane E., 2008. Automatic Forest Inventory Parameter Determination from Terrestrial Laser Scanner Data. International Journal of Remote Sensing, Vol: 29 (5), 1579-1593.
• 11. Pfeifer N., Winterhalder D., 2004. Modelling of Tree Cross Sections from Terrestrial Laser-Scanning Data with Free-Form Curves. [W] M. Thies, B. Koch, H. Spieck r i Weinacker H. (Eds.): Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVI - 8/W2. Freiburg, Germany. 03-06.10.2004, p.76-81
• 12. Terrasolid. 2001: Tutorial TerraScan, TerraPhoto, TerraModel: http://www.terrasolid.fi
• 13. Tompalski P., Kozioł K. 2008. Określanie wybranych parametrów drzew za pomocą naziemnego skaningu laserowego. Materiały III Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych, Kraków 25-27.09.2008. Sympozja i Konferencje KKMU nr 3, s. 337-346.
• 14. Watt P. J., Donoghue D. N. M., 2005. Measuring Forest Structure with Terrestrial Laser Scanning. International Journal of Remote Sensing, Vol: 26 (7), p.1437-1446.
• 15. Wencel A., Wężyk P., Zasada M., 2008. Możliwości zastosowania naziemnego skaningu laserowego w leśnictwie. W: Zawiła-Niedźwiecki T., Zasada M. (Eds.) Techniki geomatyczne w inwentaryzacji lasu – potrzeby i możliwości. Wydawnictwo SGGW. s.77-89
• 16. Wężyk P., 2006. Wprowadzenie do technologii skaningu laserowego lidar w leśnictwie. Annals of Geomatics. Vol. IV. Number 4., s. 119-132
• 17. Wężyk P., Kozioł K., Glista M. i Pierzchalski M., 2007. Terrestrial Laser Scanning Versus Traditional Forest Inventory. First Results from the Polish Forests. [W] Rönnholm P., Hyyppä H. i Hyyppä J. (eds.): ISPRS Workshop on Laser Scanning 2007 and SilviLaser 2007. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXXVI, Part 3 / W52.. Espoo, Finland. 12-14.09.2007. p. 424-429
• 18. Wężyk P., Tompalski P., Szostak M., Glista M., Pierzchalski M., 2008. Describing the selected canopy layer parameters of the Scots pine stands using ALS data. In: 8th international conference on LiDAR applications in forest assessment and inventory. SiliviLaser 2008. Sept. 17-19. 2008 – Edinburgh, UK. p. 636-645