Χαρτογράφηση ειδών αστικών δέντρων με συνδυαστική χρήση υπερφασματικών και Lidar δεδομένων τηλεπισκόπησης από αερομεταφερόμενο δέκτη

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 21:39, 28 Φεβρουαρίου 2021

Εικόνα 1, Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

Εικόνα 2, Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

Εικόνα 3, Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

Εικόνα 4, Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

Εικόνα 5, Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

Χαρτογράφηση ειδών αστικών δέντρων με συνδυαστική χρήση υπερφασματικών και Lidar δεδομένων τηλεπισκόπησης από αερομεταφερόμενο δέκτη

Πρωτότυπος Τίτλος: Mapping urban tree species using integrated airborne hyperspectral and LiDAR remote sensing data

Συγγραφείς: Luxia Liua – Nicholas C. Coops – Neal W. Aven – Yong Pang

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717303620

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Σε αυτή τη μελέτη, αξιολογείται η ικανότητα συνδυασμού υψηλής πυκνότητας (25 σημείων ανά m2) δεδομένων νέφους σημείων LiDAR από αερομεταφερόμενους δέκτες με υπερφασματικές εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης (1 μ.) για τη χαρτογράφηση 15 ειδών δέντρων στην πόλη Surrey, στη Βρετανική Columbia του Καναδά. Οι στόχοι εν προκειμένω είναι:

• να ταξινομηθούν 15 κοινά είδη δέντρων χρησιμοποιώντας μια συγχώνευση υπερφασματικών και LiDAR δεδομένων σε όλη την πόλη του Surrey
• να αξιολογηθεί η ακρίβεια της ταξινόμησης των ειδών δένδρων σε εποχιακές συνθήκες αρχής άνοιξης και
• να διερευνηθεί ποια φασματικά και δομικά χαρακτηριστικά είναι τα πιο κατάλληλα για τη διάκριση των ειδών δέντρων την άνοιξη.

ΥΛΙΚΟ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιοχή μελέτης

Η πόλη του Surrey εντός της περιφερειακής περιοχής του Greater Vancouver βρίσκεται στη δυτική ακτή της Βρετανικής Columbia του Καναδά και καλύπτει 316 km2. Ενώ το απόθεμα δέντρων του Surrey αποτελείται πάνω από 300 διαφορετικά είδη, ένας σχετικά μικρός αριθμός ποικιλιών κυριαρχεί στο αστικό πράσινο της πόλης. Δεκαπέντε είδη αποτελούν το 54,0% της βάσης δεδομένων αστικών δέντρων του Surrey.

Τηλεπισκοπικά δεδομένα και προεπεξεργασία

Δεδομένα LiDAR

Τα δεδομένα LiDAR από αερομεταφερόμενο δέκτη αποκτήθηκαν στις 3 και 11 Απριλίου 2013 στις αρχές της άνοιξης. Τα δεδομένα LiDAR αποκτήθηκαν σε υψόμετρο 1000 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους. Από το ταξινομημένο νέφος σημείων δημιουργήθηκε ένα ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων ανά 0,5 m (DEM) και ένα ψηφιακό μοντέλο επιφάνειας (DSM). Ένα μοντέλο ύψους κομοστέγης-φυλλωσιάς (CHM) δημιουργήθηκε αφαιρώντας το DEM από το DSM και το κατατμημένο νέφος σημείων LiDAR κανονικοποιήθηκε στο επίπεδο του εδάφους χρησιμοποιώντας LAStools.

Υπερφασματικά δεδομένα

Με χρήση του Compact Airborne Spectrographic Imagery (CASI 1500) αποκτήθηκαν υπερφασματικές εικόνες πάνω από το Surrey στις 4 Μαΐου 2013 σε ανάλυση 1,0 m pixel. Οι εικόνες αποτελούνται από 72 κανάλια.

Κατάτμηση κορυφών

Οι μη αυτόματα οριοθετημένες κορυφές δέντρων παρείχαν τα δεδομένα για την επακόλουθη ανάπτυξη μοντέλου. Για ανάλυση σε τοπιακή κλίμακα, οι υπερφασματικές εικόνες και το νέφος σημείων LiDAR χωρίστηκαν αυτόματα σε μεμονωμένες κορυφές δέντρων.

ΕΞΑΓΩΓΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ

Εξαγωγή χαρακτηριστικών LiDAR

Μόλις οι μεμονωμένες κορυφές δέντρων διαχωρίστηκαν, οι μετρήσεις που χαρακτηρίζουν τη χωρική δομή των κορυφών των μεμονωμένων δέντρων εξήχθησαν από τις κανονικοποιημένες ανακλάσεις LiDAR μέσα στο περίγραμμα της κορυφής. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να ταξινομηθούν στους ακόλουθους κύριους τύπους ως σχήμα κορυφής, κατανομή σημείων λέιζερ και ένταση ανακλαστικότητας λέιζερ.

Εξαγωγή υπερφασματικών χαρακτηριστικών

Για να μειωθεί ο έντονα διαστασιολογικός χαρακτήρας των δεδομένων των υπερφασματικών εικόνων, εφαρμόστηκε μια ανάλυση κύριων συνιστωσών (PCA). Η αθροιστική αναλογία των δύο πρώτων PCA ήταν 0,96 και ως εκ τούτου εξήχθησαν οι πρώτες και οι δεύτερες κύριες συνιστώσες και η τυπική απόκλιση σε κάθε τμήμα κορυφής. Εκτός από τις δύο πρώτες βασικές συνιστώσες, υπολογίσαμε έναν αριθμό δεικτών από τις ορατές και τις εγγύς υπέρυθρες περιοχές του φάσματος με βάση προηγούμενη έρευνα.

Επιλογή χαρακτηριστικών και τεχνική ταξινόμησης

Ένας ταξινομητής τυχαίων δασών (RF) χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη ειδών δέντρων. Ο RF ταξινομητής εφαρμόστηκε χρησιμοποιώντας το πολύ 200 δέντρα αποφάσεων και χρησιμοποιήθηκε ένα περιθώριο σφάλματος (OOB) για την επιλογή του καλύτερου μοντέλου ταξινόμησης. Τα δύο τρίτα των δειγμάτων, τα οποία στρωματοποιήθηκαν τυχαία ανάλογα με το είδος και το ύψος του δέντρου, χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοιωτική εκπαίδευση και τα υπόλοιπα για ανεξάρτητη αξιολόγηση ακρίβειας του μοντέλου.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Όπως αναμενόταν, τα είδη καταλαμβάνουν παρόμοιες φασματικές περιοχές, ειδικά στο ορατό τμήμα του φάσματος. 14 υπερφασματικές μεταβλητές και 16 μεταβλητές LIDAR εισήχθησαν στο μοντέλο RF. Μεταξύ των 31 υπόλοιπων μεταβλητών που χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση, οι υπερφασματικές μεταβλητές, που αντικατοπτρίζουν τις φωτοσυνθετικές διαδικασίες, συνέβαλαν περισσότερο στην ταξινόμηση των ειδών από τις μεταβλητές LiDAR.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι σημαντικά για τους διαχειριστές αστικών δασών για διάφορους λόγους. Πρώτον, είναι ζωτικής σημασίας να γνωρίζουμε τις συγκεκριμένες τοποθεσίες των ειδών αστικών δέντρων, ώστε οι διαχειριστές να μπορούν να προετοιμαστούν για απειλές από παράσιτα, ασθένειες ή ξηρασία. Δεύτερον, όσον αφορά τις ωφέλειες του οικοσυστήματος, οι χάρτες ειδών δέντρων και η κατάστασή τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον σχεδιασμό στρατηγικής χωροθέτησης νέων σημείων πρασίνου καθώς και για τις εκτιμήσεις ακινήτων. Τρίτον, λόγω της μεγάλης ποικιλίας ειδών δέντρων σε αστικά περιβάλλοντα, αυτές οι μελέτες διευκολύνουν τη μείωση του κινδύνου εξωτικών παρασίτων, βοηθώντας στην επιλογή πρόσθετων ειδών δέντρων για την οικοδόμηση της αστικής ανθεκτικότητας.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα ταξινόμησης για τα περισσότερα είδη ήταν ικανοποιητικά χρησιμοποιώντας τον συνδυασμό LiDAR και υπερφασματικών δεδομένων. Οι πληροφορίες για τη δομή της κορυφής που προέρχονται από το LiDAR ήταν πιο σημαντικές από τους δείκτες φασματικής βλάστησης που προέρχονταν από υπερφασματικά δεδομένα κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης του αναπτυσσόμενου κύκλου.