Εκτίμηση δασικής μεταβολής χρησιμοποιώντας υψηλής ανάλυσης ψηφιακό επιφάνεικο μοντέλο

Από RemoteSensing Wiki

«Forest variable estimation using a high-resolution digital surface model»

By J. Jarnstedt , A. Pekkarinen , S. Tuominen , C. Ginzler , M. Holopainen , R. Viitala , posted on 20 August, 2012 in Articles, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 74 (2012) 78–84, Elsevier

«Εκτίμηση δασικής μεταβολής χρησιμοποιώντας υψηλής ανάλυσης ψηφιακό επιφάνεικο μοντέλο»

H σάρωση με λέιζερ με χρήση αεροσκαφών θεωρείται σήμερα η πιο ακριβή μέθοδος ανίχνευσης εξ αποστάσεως για την απογραφή των δασών. Το κύριο πλεονέκτημα της σάρωσης laser είναι τα τρισδιάστατα δεδομένα. Τα ψηφιακά μοντέλα επιφάνειας απαιτούν υψηλής ανάλυσης αεροφωτογραφίες. Σε αυτή τη μελέτη μετρήθηκε το ύψος της κόμης των δένδρων. Στη Φινλανδία, έχει υιοθετηθεί ένα νέο σύστημα απογραφής των δασών. Η παραδοσιακή καταγραφή με βάση την οπτική, που απαιτούσε μεγάλη επιτόπια έρευνα, αντικαθίσταται με την πιο εκτεταμένη χρήση της τηλεπισκόπησης δεδομένων για να μειωθεί το κόστος. Η μέθοδος απογραφής των δασών βασίζεται στην ερμηνεία δεδομένων από αερομεταφερόμενων σαρώσεων με λέιζερ (ALS) και ψηφιακών αεροφωτογραφιών. Συνήθως τα δείγματα είναι , χαμηλής πυκνότητας ALS (τυπικά Pulses/m2 0,5 - 2) και ψηφιακών αεροφωτογραφιών με χωρική ανάλυση από 0,25 έως 0,5 m (που καλύπτουν ορατό και εγγύς υπέρυθρο μήκος κύματος). Σε προηγούμενες μελέτες, από δεδομένα ALS έχει αποδειχθεί ότι παράγετε καλό αποτέλεσμα στην εκτίμηση του δάσους και είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών των δασών που σχετίζονται με φυσικές διαστάσεις των δέντρων, όπως το ύψος και η περίπτερος.

Με τη βοήθεια δεδομένων ALS, μπορεί να προκύψει ένα τρισδιάστατο (3D) μοντέλο της επιφάνειας του δάσους. Δεδομένου ότι είναι δυνατόν να διακρίνει παλμούς λέιζερ που ανακλάται από την επιφάνεια του εδάφους από εκείνων που ανακλάται από το φύλλωμα των δέντρων, μπορούν να δημιουργηθούν και τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους (DTMs) και ψηφιακά μοντέλα επιφάνειας (DSMs) . Ψηφιακά μοντέλα επιφάνειας (DSMs) είναι δυνατόν να προκύψουν και με πολύ υψηλής ανάλυσης αεροφωτογραφίες στερεοσκοπικής κάλυψης. Από αυτό του είδους φωτογραφίες έχει αναφερθεί ότι είναι ανάλογης ποιότητας με τα μοντέλα που παράγονται. Με την αύξηση της πυκνότητας του φυλλώματος, καθίσταται δύσκολο να προκύψει μια ακριβείς DTM με φωτογραμμετρικές μεθόδους.

Εάν ένα υψηλής ποιότητας DTM είναι διαθέσιμες, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθουν στην ανάλυση, αφού μπορεί κανείς να υποθέσει ότι η επιφάνεια του εδάφους θα παραμείνει αμετάβλητη μεταξύ των διαδοχικών απογραφών δάσος. 

Εάν δεν είναι διαθέσιμο DTM, από δεδομένα ALS γίνεται αρχικά μοντελοποίηση το έδαφος. Στις μεταγενέστερες απογραφές, αρκεί να ξαναχτίσουν τα DSMs, τα οποία μπορούν να γίνουν από αεροφωτογραφίες και ψηφιακή φωτογραμμετρία, εφοσον η απόδοση των φωτογραμμετρικών μοντέλων επιφανειών είναι ικανοποιητική. Αυτό έχει τη δυνατότητα να οδηγήσει σε σημαντική μείωση του κόστους, επειδή η ALS σάρωση δεν θα χρειάζεται για κάθε κύκλο απογραφής. Αντ 'αυτού, το DSM θα μπορούσε να βασίζεται σε εναέριες εικόνες.

Υπάρχουν πολλά πακέτα λογισμικού που διατίθενται για την εξαγωγή φωτογραμμετρικων μοντέλων επιφάνειας. Παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιούν διαφορετικούς αλγορίθμους, η απόδοση ακρίβειά τους και τα προβλήματά τους είναι γενικά παρόμοια . Για παράδειγμα, έχουν παρατίθενται οι ακόλουθες περιπτώσεις που μπορεί να οδηγήσει σε ανακρίβειες στα μοντέλα επιφανειών: (1) μικρή ή καθόλου υφή, (2) ασυνέχειες αντικειμένου, (3) επαναλαμβανόμενα αντικείμενα, (4) κινούμενα αντικείμενα (όπως σκιές), (5) αποφράξεις, (6) πολυεπίπεδα ή διαφανή αντικείμενα, και (7) του κατοπτρικοί ανακλαστήρες ή άλλα ραδιομετρικά αντικείμενα. Αυτά τα προβλήματα εμφανίζονται εάν η απεικόνιση αποκτάται κατά τη διάρκεια της σεζόν απώλειας φυλλώματος). Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να αναπτυχθεί μια μέθοδος για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών των δασών και για την ενημέρωση των δεδομένων των δασικών πόρων με βάση αεροφωτογραφίες και ψηφιακή φωτογραμμετρία. Ο δεύτερος στόχος ήταν να εκτιμηθεί η ακρίβεια των εκτιμήσεων των δασών που βασίζονται σε ένα μοντέλο φωτογραμμετρικής επιφάνειας σε σύγκριση με τις μέθοδους που βασίζονται σε εναέρια σάρωση με λέιζερ.

Εισαγωγη

Η περιοχή μελέτης, η οποία καλύπτει περίπου 2000 εκτάρια δάσους κρατικής ιδιοκτησίας, βρίσκεται στο δήμο του Evo, στη Νότια Φινλανδία. Το υλικό της μελέτης αποτελούνταν από 51 ψηφιακές και ορθο-φωτογράφησης έγχρωμου και υπέρυθρου φάσματος (CIR), και μετρήσεις στοιχείων ALS, από 402 ομόκεντρα κυκλικά οικόπεδα. Όλα τα δεδομένα και οι μετρήσεις πεδίου αποκτήθηκαν το 2009. Το υλικό αναφοράς του τομέα συγκεντρώθηκε με βάση προηγούμενα δεδομένα ALS και αεροφωτογραφίες από το 2007. Τα αγροτεμάχια εντοπίστηκαν με τη βοήθεια μιας συσκευής GPS. Ελήφθησαν δείγματα σε συνολικά 468 κυκλικές επιφάνειες δείγματος (βλέπε Εικ. 1.), με ακτίνα 9,77 m,, και σε 402 από αυτούς είχαν αυξανόμενο απόθεμα (δηλαδή, στέκονται δέντρα). Ο αριθμός των ψηλών δέντρων που μετρήθηκαν ήταν 8763. Οι ακόλουθες μεταβλητές καταγράφονται για κάθε ψηλό δέντρο: είδη δέντρων, διάμετρος σε ύψος 1,3 m, το ύψος της κόμης, και η διάμετρος της κόμης.

Η αεροφωτογραφίες πάρθηκαν με τη βοήθεια ενός αισθητήρα Microsoft UltracamXp στερεοσκοπικής απεικόνισης με επικάλυψη 70%. Η ανάλυση εδάφους ήταν περίπου 0,25 m. Εκτός από RGB και CIR οι ορθοφωτογραφίες παραδόθηκαν σε 16-bit ψηφιακό GeoTIFF σε γεωγραφική αναφορά στο σύστημα συντεταγμένων EUREF-FIN (ETRS89). Τα δεδομένα ALS αποκτήθηκαν από μια Leica ALS50-II με σαρωτή λέιζερ SN058. Η σάρωση πραγματοποιήθηκε με ελικόπτερο από ένα υψόμετρο 400 m πάνω από έδαφος. Το αποτύπωμα φωτοεντοπισμού ήταν 10 cm και η πυκνότητα παλμών 10,43 pulses/m2. Τα ALS δεδομένα παραδόθηκαν σε γεωγραφική αναφορά στο σύστημα συντεταγμένων EUREF-FIN (ETRS89).

Μεθοδολογία

Τρεις υφιστάμενους αλγορίθμους, που εφαρμόζουν λόγους στα προεπιλεγμένα κανάλια μπλε-πράσινο για να υπολογιστεί η χλωροφύλλη. Οι αλγόριθμοι βασίζονται σε παλινδρόμηση μεταξύ καναλιών μπλε / πράσινο με Chla, και η FLH και MCI .

Πριν από την παραγωγή φωτογραμμετρικών DSM οι αεροφωτογραφίες μετατράπηκαν σε 8-bit. Για την παραγωγή υψηλής ανάλυσης DSM, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό SET SOCET (από την BAE Systems). Το λογισμικό παρέχει πολλές στρατηγικές συσχέτισης, για διαφορετικά περιεχόμενα της εικόνας (π.χ., αστικές, επίπεδες ομοιογενείς, λοφώδεις, και απόκρημνες περιοχές). Η μέθοδος παράγει ακανόνιστα απέχοντα νέφη σημείων, από τα οποία ένα τριγωνικό ακανόνιστο δίκτυο δημιουργείται, τα οποία εξυπηρετών ως βάση για το DSM. Στην παραγωγή του πλέγματος DSM, η περιοχή θα πρέπει να έχει επαρκείς μετρήσεις σημείου , αυτό σημαίνει ότι το ελάχιστο μέγεθος ενός αντικειμένου να είναι 2n Χ 2n , όπου n είναι η αρχική απόσταση του πλέγματος. Ως εκ τούτου, η ανάλυση του προκύπτοντος DSM ορίστηκε έως 0,5 m.

Μια μορφή DTM με βάση τα στοιχεία ALS δημιουργήθηκε για την περιοχή μελέτης, με τη βοήθεια της ηχώ του εδάφους για παλμούς lidar. Το μέγεθος αναλυσης του DTM ορίστηκε σε 0,5 m. Για λόγους σύγκρισης της απόδοσης του μοντέλου επιφάνειας που προέρχεται από αεροφωτογραφίες και δεδομένα ALS, τα χαρακτηριστικά εξήχθησαν από τα δύο μεθόδους. Πρώτα, το ύψος του φυλλώματος καθορίστηκε από φωτογραμμετρικά δεδομένα ως η διαφορά μεταξύ των φωτογραμμετρικών DSMs και DTM που βασίζονται σε ALS. Στη συνέχεια, γίνεται στατιστική ανάλυση με βάση τη κατακόρυφη κατανομή του ύψους κόμης για τις περιοχές δείγματος επαλήθευσης.Οι απεικονίσεις των δεδομένων ενδεικτικά φαίνονται στις εικόνες 2 και 3. Σε γενικές γραμμές, τα χαρακτηριστικά εξάγονται από δεδομένα ALS ειναι καλύτερα από ό,τι τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που εξάγονται από φωτογραμμετρικους υπολογισμούς ύψους φυλλώματος για την εκτίμηση των δασικών μεταβολων.

Την μεγαλύτερη ακρίβεια είχαν και οι δύο πηγές δεδομένων κατά την εκτίμηση του κυρίαρχου ύψος και το μέσου ύψος, όπου η φωτογραμμετρικη μέθοδος είχε με μικρή διαφορά καλύτερα αποτελέσματα. Από αυτά τα αποτελέσματα, οι σχετικές τιμές των RMSE φωτογραμμετρικου υπολογισμού ύψους φυλλώματος ήταν για μέση διάμετρο, δασική περιοχή, μέσο ύψος, κυρίαρχο ύψος, και ο μέσο όγκο, σε 33,67%, 36,23%, 28,23%, 18,17%, και 40.39%, αντίστοιχα. Για το ALS δεδομένων, η αντίστοιχη σχετική RMSE τιμές ήταν 25,26%, 27,89%, 18,61%, 11,79% και 31,26%. Η διαφορά μεταξύ δεδομένων από αεροφωτογραφίες και ALS ήταν μικρότερη (5,39% μονάδες) κατά την εκτίμησή του μέσου ύψος. Η μεγαλύτερη διαφορά (9,31% μονάδες) παρατηρείται στις εκτιμήσεις για τον όγκο.

Συμπεράσματα

Όπως σημειώνεται παραπάνω, τα υπολογιζόμενα χαρακτηριστικά με ALS γενικώς εκτελούνται καλύτερα από τα χαρακτηριστικά που προέρχονται από φωτογραμμετρικα δεδωμενα.

Επιπλέον, η ακρίβεια εκτίμησης και με τις δύο πηγές δεδομένων μπορεί να συγκριθεί με την ακρίβεια των πληροφοριών που παράγεται από τις παραδοσιακές επί τόπου οπτικές μεθόδους.

Υπάρχουν λίγες μελέτες σχετικά με το θέμα της χρήσης φωτογραμμετρικών μεθόδων υπολογισμού ύψους φυλλώματος των δασών σε παρόμοιες συνθήκες. Πιθανές αιτίες της ανακρίβειες μπορεί να οφείλετε σε σφάλματα στη μέτρηση πεδίου και στη θέση του πεδίου δειγματοληπτικές επιφάνειες.

Επιπλέων κατά τον έλεγχο διαπιστώθηκαν σημαντικά λάθη, ότι σε πολλά οικόπεδα είχαν παλμούς λέιζερ που αντιστοιχούσαν σε σημαντικά μεγαλύτερα ύψη από αυτά που μετρήθηκαν στο πεδίο. Αυτή η ανωμαλία αποδείχθηκε να προκαλείται από τα δέντρα των οποίων στελέχη ήταν έξω από την μέγιστη ακτίνα του οικοπέδου δείγμα, αλλά των οποίων ο κλάδους έφτασε μέσα στο οικόπεδο. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι οι φωτογραμμετρικοι υπολογισμοί ύψους φυλλώματος έχουν μεγάλες δυνατότητες ως μια οικονομικά αποδοτική μέθοδος για τον υπολογισμό και ενημέρωση πληροφορίας για τα δάση, σε σύγκριση με εφαρμογές οπου βασίζονται σε LIDAR.

Σε περαιτέρω μελέτες, τα ακόλουθα θέματα, πρέπει να εξεταστούν: ποιες είναι οι βέλτιστες χαρακτηριστικές των φωτογραμμετρικών μοντέλων επιφανειών για την εκτίμηση των μεταβολών των δασικών και πώς να συνδυάζουν τις πληροφορίες των φωτογραμμετρικών μοντέλα επιφανειών με τα χαρακτηριστικά φασματικής υπογραφής και υφής των εναερίων εικόνων. Επιπλέον, θα ήταν σημαντικό να κατανοήσουμε το βαθμό στον οποίο τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ είναι εφαρμόσιμα σε συνθήκες διαφορετικές από εκείνα του αρκτικού ζώνης.