Flygburen laserskanning Exempel på forskningsarbetet av Korpela

advertisement
3D fjärranalys kommer – är du redo?
Redovisning av skoglig laserskanning och
bildbehandling för skogsuppskattning på
tvångssvenska.
Ilkka Korpela, HU
Institutionen för utnyttjandet av skogstillgångar
Innehållet av föreläsningen
• Syftet med fjärranalystekniker – bakgrundsinformation
• Om mål / vad är vi efter?
• Litet om historien, i Finland, före digitalisering av allt
• Vad teknikens framgång har möjliggjort och gett oss?
• Digital fotogrammetri - 3D mätningar och tolkning i bilder
• Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
• Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Syftet med fjärranalystekniker i skogsuppskattning
• Datainsamling för ett bättre beslutsfattande
• Mest inom skogsbruk (natur-, miljö-, landskaps-,
stadsplanering)
• Kostnadseffektivitet (nytta kontra kostnader)
”Skall han överleva i framtiden?”
”När-fjärranalys med reläskåp”
Syftet med fjärranalystekniker...
• Alla patienter kan inte hjälpas, kombination av
(observationer, expert kunskap, fjäranalys)  optimering
av systemet i det varierande skogsbruket och dess
infrastruktur
• Se up för laserskanning eller -teknikfanatiker, dom
glömmer helheten (syftet, kostandseffektiviteten). Nya
förtjäningsmöjligheter lockar marksnadsmånglare.
Om mål – vad vill vi nå?
Inom skogsbruk(splanering i Finland)
Ministerium vill minska/styra penningströmmen i
skogsbruksplanering av privata och statens skogar. De
vill att skogar används och bevaras.
Privata skogsägare vill veta om avverkningsmöjligheter
och optimering av huggningsaktiviteter. Så noggrant som
möjligt med ringa pengar. Firmor vill detsamma och t.o.m.
vara medvetna om andras resurser.
 Databehov för att kunna svara på frågor gällande
situation just nu eller bak- och framåt i tiden.
Om mål – vad vill vi nå?
Frågor med tidsmässig och spatial täckning
Nationella  Skogspolitiken, energipolitiken
Regionala  Investeringar i produktionen
Fastighetsnivå  Värden, avverkningsmöjligheterna
Beståndsnivå  Skogsvården, optimala åtgärder
Trädnivå  sällan viktig, ekar i Tyskland?
 Olika krav på noggrannhet, variabler
Om mål – vad vill vi nå?
Fastighets – Beståndsnivå:
Olika frågor och variabler enligt
åldern / utvecklingsklass
(växtplats, volym, tillväxt,
distributionsvariabler av höjd- eller
diameterdistributionen, LAI? osv.)
Om mål – vad vill vi nå?
Att mäta skog innebär, alltid (Den gyllene trojkan™):
• mätningar och observationer (själva arbetet)
• användandet av modeller (beroendet mellan variabler)
• sampling / urval (några få representera de övriga)
t.ex.
1 Höjd-, relaskåpmätningar, bestämningen av
växtplatstypen.
2 Volymfunktioner, allometrisk samverkan mellan
variabler (krondiameter –stamdiameter)
3 Provträd, provytor, provlinjer, gles data
Om mål – vad vill vi nå?
Fjärranalys av skogar
• Mätningar från luften / rymden och I skogen (referens)
(“flygburen laserskanning”)
• Modeller mellan variabler av intresse och måttagningar,
skogliga / optiska / på radiofrekvenser osv.
Imputering (tilldelning) av det kända beroendet till det
okända området/populationen.
Icke-parametriska tekniker, regressionanalys
• Urval / Sampling har en mindre (varierande) betydelse
Om mål – vad vill vi nå?
Fjärranalys i ett nötskal
Två alternativ: empirisk eller teoretisk approach
1 Objekt  Sensorsystemet  Observationer + tolkning
2 Observationer + teorin  Inversionen  Objekt
Egenskaper hus olika tekniker:
- Aktiva mot passiva observationer
- Spatial upplösningsförmogan, sampling täthet
- Spektral upplösningsförmogan (antalet våglängsbanden)
- Radiometrisk upplösningsförmogan (~”Bit djuplek”)
- Tidsmässig upplösningsförmogan
- Mediet och korrigering för dess inverkan (submarin-, när-, luft-,
rymdfjärranalys)
- 2D, 2.5D, 3D
Några exempel
Några till
Litet om historien, i Finland, före digitalisering av allt
Teknikens utveckling i fjärranalys, inom civila applikationer,
har följt denna inom?
Försvarsmakten fick de första kameror på 30-talet
Finska skogsforskare rapporterade om flygfotograferings
möjligheter på 30-talet (Tyskland)
Lantmäteriverket i Finland, efter kriget, kartläggning
Infrarödfilmen nådde Finland på 1970-talet
Stereotolkning av bilder på 1980-talet
Ortokorrigerade digitala bilder först i slutet av 90-talet
Satellitbilder för rikskogstaxering (Poso, Tomppo) har
existerat i över 20 år.
Litet om historien i Finland och annanstans – Vad (militär)
teknikens framgång har möjliggjort och gett oss?
“Teknikens sista landvinningar”
Flygburen laserskanning kom på 2000-talet
- GPS/INS-teknik för s.k. direkt orientering av sensorerna
(vinklar, positionen i XYZ),
- Snabba lasersändare/mottagare >100 kHz PRF ”PUF”
(punktätheten, kostnader)
- Vågformlasern, förbättrad radiometrin i eko-lasrar
Digitala flygfotograferingskameror (stora CCD-ytor, radkameror som mäter
irradians), 2005 Databehandlings utveckling, rörlighet, lagringsmediernas kapacitet, hastighet av
dataöverförningen, nya algoritmer inom datavetenskap, automatiska. 1990Satellitbilder med sub-meter upplösningsförmoga, hyperspektrala skannrar osv.
1995-.
Litet om historien i Finland och annanstans – Vad (militär)
teknikens framgång har möjliggjort och gett oss?
Men,.., trots allt slags progress, kom ihåg att
- Att
flyga kostar ~ 50 €/min i atmosfär,
Ute i rymden?
- Ostadigt väder / molntäcket vs. molnfri med en
solelevation på 30 grader
- Sommaren är kort
- Olika skogar visar lindriga skillnader i mätningar som
är tagna på en distans av 1-10 km eller 600-900 km.
Inversion?
3D mätningar och bildbehandling - Digital fotogrammetri
“Skogen är ett komplicerad 3D system”
Idéen:
Rekonstruktion av tredimensionella
objekt från mer än en bild.
Behövs:
En operatör eller algoritm som löser
bildmatchningsproblemet.
Utmaning:
Problemet kan ej lösas entydigt I de
flesta fallen (skuggning, perspektiv) i
skogar. Lösningar leder till “en
kombinatorisk explosion”.
CHM~krontaksmodell (yta)
DEM~terrängsmodell (höjdyta)
3D mätningar och bildbehandling - Digital fotogrammetri
Andel fotosynliga träden
enligt relativa höjden (0-1).
Manuell lösning till bildmatchingproblemet “Skogen är ett komplicerad 3D system”
för trädtoppar.
3D mätningar och bildbehandling - Digital fotogrammetri
Lösning till bildmatchingproblemet genom
att begränsa volymen av möjliga lösningar –
geometrisk begränsning.
3D mätningar och bildbehandling - Digital fotogrammetri
3D mätningar och bildbehandling - Digital fotogrammetri
För- och nackdelar med BILDER
(~Passiv optisk fjärranalys)
- WX (vädret)
- Skuggor & Blockering
-/+ “Att åstadkomma något i 3D är lite komplicerad”
(Analytisk geometri + databehandling)
+ Att nå “tät urval/samplig” är billigare än med
LiDAR/radar
+ Multispektrala bilder, tidssekvensser
“Skogen är ett komplicerad 3D system”
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Om tekniken “som detonerade banken“:
Apparatens delar:
- laser pulssändare (nanosekunder’s längd)
- laserljus’ våglängd 500-1100 nm.
- en exakt klocka, mäter tid (gångtid), distansen = 1/2tc.
- mottagare med en/flera korrelator eller en provtagning på GHz
- uppmätningar: distans, vågformsvariabler (t.ex. amplitud)
- datorn + GPS/INS systemet, apparatens ställning och
position, kontinuerligt. Distans transformeras till XYZ.
AVI – ‘From the above’
AVI – ‘Impivaara’
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Laserskanning ger
observationer om
växlighetens geometri
och radiometri
(’bacscatter’,
återspridning?).
Bladyta, bladställning,
täthet, osv. påverkar
signalen.
Pulsen når ofta
terrängen.
Laserskanning – För- och nackdelar
+ Väldigt lätt för användaren att utföra 3D rekonstruering. Direkt
mätning av XYZ koordinater, jämför med bildmatching
+ Aktivt system, vädret mindre kritiskt komponent, sol-elevation, nedanför
molntäcket, 4-8mera WX under växtperioden i jämförelse med rymd- eller
flygburen fotografering
+ Inga skuggor i landskapet, minskad blockering pga. små vinklar (+/- 15
grader)
+/- Återspridning endast på en våglängd, men inga BRDF-effekter
(bidirektionel återspegling?). Konstiga effekter pga. distansvariationen,
systembundna justeringar.
+/- Sensor orientering är känslig för GPS-fel. Lutningsvinklar (hållning av
laserkanonen) har fel på 40-100 milliradianer, ju högre man flyger, desto
värre noggrannhet för punkter i terrängen
- Icke-systematisk sampling (punkkonfigurationen beror på många faktorer)
Höga samplingsgrader blir dyra pga. låga flyghöjder.
Laserkanning i skogen
Pulser som nått terrängen – digital
höjdmodel
Ekon i trädkronor  trädhöjder,
positioner, krondiametrar, trädslag,
inventering av virkesförråd med
“enstaka träd –metoden”.
Ekon I trädkronor inom ett bestämd
område : kalkylering av statistiska
fördelningsvariabler (medelvärde,
standardavvikelse, kvantiler,..) av
höjd- och intensitetdistributioner (fördelningar).
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Uppskattning av medelhöjden på
provytansnivå.
Precisionen av stamvolym på provytansnivå.
Förklarande variabler: höjdkvartiler, Kvot av terrängsträffar.
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Laserskanning används redan för uppskattning av
virkesresursser för skogsbruksplanering
- Laserskanning, 1 €/ha
- Flygbilder, 0.5 €/ha
- Provytor, 2-4 €/ha
- Statistisk imputering, 0.5 €/ha
Resultaten är
- i rasterformat eller enligt beståndsindelning
- indelning genom tolkning av laserdata
- stamvolym, medelhöjd, grunddyta, stamantal per trädslag
- I bestånd med H> 6-8 meter
Första erfarenheter i Nordamerika och i ryssland på 1980talet.
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
“Enstaka träd” –metoden med bilder + LiDAR
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
“Enstaka träd” –metoden med bilder,
trädpositioner, höjder
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Kronform med LiDAR
Krondiametern med
flygfoton
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Höjdmodeller med hjälp av gamla
foton i arkivet.
Försumpningen av träsk och gölar I
fototidsekvenser
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Kartläggning av renlavar med lasersignalen
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Uppskattning av plantbestånd i flygfoton och laser.
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Mätning och kartläggning av objekt med laserpulser som
ej har tangerat dom.
Öppningar i pseudodatan
motsvarar trädkronor
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Jämförelser av kameror och laserskannrar i fält / simulering.
ADS40 radkamerabild. Vägen ej går i sicksack.
Exponering kontinuerligt under flyget.
Samtidig mätningen av spektrum av object
och ”ankommande” ljus.
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Utveckling av metoder för att bestämma positionen under
krontaket på dm-nivå.
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Identifiering av
torvmarkstyper I
laserskanning
”maskin-intelligens”
används med över
60 förklarande
variabler.
Tuvor och avtryck på
en karg myrmark
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Klassificering av trädslag i
laserskanning
Trädkronor och tak i Hyytiälä
Exempel på framtida forskningsarbetet av Korpela et al.
- Uppskattningen av underväxten i vågform- och eko-laser
- Spektral kalibrering av digitala flygbilder för skoglig tolkning
TACK FÖR
INTRESSET!
Download
Random flashcards
Ölplugg

1 Cards oauth2_google_ed8be09c-94f0-4e6a-8e55-87a3b14a45db

Create flashcards