Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych

Transkrypt

1 Informacja geograficzna w kształtowaniu i ochronie środowiska przyrodniczego. B. Medyńska-Gulij, L. Kaczmarek (red.), Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań 2007, s Tomasz Zawiła-Niedźwiecki 1, Paweł Strzeliński 2, Agata Wencel 2, Marcin Chirrek 2 1 Uniwersytet Nauk Stosowanych, Wydział Leśny, Eberswalde (Niemcy) 2 Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu Wydział Leśny, Katedra Urządzania Lasu Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych Terrestrial laser scanner in forest ecosystems surveys Streszczenie: Naziemny skaning laserowy umożliwia pozyskiwanie szczegółowych informacji o drzewostanie. Na jednej z powierzchni próbnych wyznaczonych w ramach projektu badawczego Występowanie, rola i wpływ na ekosystemy leśne jodły pospolitej (Abies alba Mill.) na obszarze bałtyckiej krainy przyrodniczo-leśnej dokonano pomiarów z wykorzystaniem skanera FARO LS880. Uzyskane chmury punktów były podstawą do pomiarów podstawowych parametrów drzew (pierśnica, wysokość). Pomiary te posłużyły m.in. do porównań dokładności danych uzyskiwanych za pomocą naziemnego lidara z danymi opartymi na pomiarach wykonywanych średnicomierzem i wysokościomierzem (pomiary referencyjne). Z porównania wynika, że pomiary na podstawie skaningu charakteryzuje niedoszacowanie zarówno w przypadku pierśnicy, jak i wysokości. W przypadku pomiarów pierśnicy średnia różnica wynosi 2,4 cm, a przy wysokości 2,7 m. Należy jednak podkreślić, że różnice te mogą wynikać zarówno z niedokładności pomiarów wykonywanych na skanach, jak i z niedokładności pomiarów referencyjnych. Słowa kluczowe: lidar, FARO, jodła pospolita, drzewostan Wstęp Lidar (LIght Detection And Ranging) jest aktywnym systemem zdalnego pozyskiwania informacji, wykorzystującym skoncentrowaną wiązkę promieni świetlnych (laserowych). Badania nad laserowym skaningiem naziemnym, przeprowadzane

2 198 Tomasz Zawiła-Niedźwiecki, Paweł Strzeliński, Agata Wencel, Marcin Chirrek dotąd głównie w Skandynawii, Niemczech i Ameryce Północnej, wykazały możliwości pomiaru następujących cech drzewostanu (Thiel, Spiecker 2004): cechy taksacyjne stosowane powszechnie w ramach urządzeniowej inwentaryzacji lasu: pierśnica, wysokość drzew, długość korony, szerokość korony, długość pnia wolnego od gałęzi, zwarcie koron, zagęszczenie drzew na 1 ha, gatunek (Watt i in. 2003, Pfeifer, Winterhalder 2004), cechy taksacyjne stosowane w pracach badawczych: grubość na różnych wysokościach, zbieżystość pnia, indeks powierzchni liściowej, defoliacja korony, kąt nasady gałęzi, pionowy profil zmienności biomasy, położenie pnia w przestrzeni 3D (Aschoff i in. 2004). Dane pochodzące z zastosowania lidara naziemnego służyć mogą również do określenia cech pochodnych (np. pierśnicowego pola przekroju czy miąższości drzew i drzewostanów) oraz do budowy modeli pozwalających na uzyskanie pełniejszej informacji o lesie (np. modeli kształtu podłużnego pni drzew). Automatyczna identyfikacja drzew na podstawie skanów laserowych, pozwalając między innymi na określenie zagęszczenia drzew w drzewostanie, może być źródłem informacji do stosowania modeli wzrostu jako narzędzi wspomagających pomiar lasu (Bruchwald 2004). Potencjalny zestaw danych możliwych do pozyskania na powierzchni próbnej za pomocą skanera laserowego daje więc znacznie większe możliwości określania cech drzew i analizy struktury drzewostanu niż tradycyjne pomiary naziemne (Zawiła-Niedźwiecki i in. 2006). Technologia laserowego skaningu naziemnego w zakresie badań przyrodniczych jest wykorzystywana w Polsce prawdopodobnie zaledwie od 2006 roku. Większość wykonanych pomiarów i testów przeprowadzona została na obszarach leśnych w oparciu o sprzęt firmy FARO. Dotychczasowe testy przeprowadzono m.in. w nadleśnictwie Milicz (listopad 2006), w nadleśnictwie Sławno (grudzień 2006), w nadleśnictwie Chojna (luty 2007) oraz w nadleśnictwie doświadczalnym Zielonka (marzec 2007). Teren badań W czerwcu 2006 roku uruchomiony został temat badawczy Występowanie, rola i wpływ na ekosystemy leśne jodły pospolitej (Abies alba Mill.) na obszarze bałtyckiej krainy przyrodniczo-leśnej, w ramach którego wyznaczono 18 powierzchni pomiarowych. Na jednej z powierzchni, zlokalizowanej na terenie nadleśnictwa Sławno (w oddziale 87f, ryc. 1 2) do pomiarów wykorzystano naziemny skaner laserowy. Dane taksacyjne charakteryzujące oddział, w którym wykonywany był pomiar, przedstawiono w tabeli 1. Nadleśnictwo Sławno (Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych w Szczecinku) utworzono w 1976 roku przez połączenie nadleśnictw: Stary Kraków, Nowy Kraków i Żukowo stanowiących obecnie trzy obręby pod tymi samymi nazwami. Nadleśnictwo podzielone jest na 18 leśnictw (w tym gospodarstwo szkółkarsko-nasienne) o średniej powierzchni 1370 ha. Całkowita powierzchnia nadleśnictwa to ,12 ha, z czego powierzchnia leśna to ,54 ha. Lesistość na terenie nadleśnictwa wynosi 28,7%.

3 Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych 199 Ryc. 1. Nadleśnictwo Sławno na mapie Polski Fig. 1. Forest Department Sławno on the map of Poland Ryc. 2. Drzewostan z jodła pospolitą (Abies alba Mill.) w oddziale 87f, nadleśnictwo Sławno Fig. 2. The stand with silver fire (Abies alba Mill.) in the unit 87f, Forest Department Sławno

4 200 Tomasz Zawiła-Niedźwiecki, Paweł Strzeliński, Agata Wencel, Marcin Chirrek Tabela 1. Opis i parametry taksacyjne powierzchni objętej pomiarami Table 1. Description and taxation parameters of test plot Powierzchnia GTD TSL Gleba Pokrywa [ha] 3,86 Db-Bk Lśw Klimat nadleśnictwa kształtowany jest przez bliskość morza i cechują go łagodne zimy, chłodne lata oraz wysokie opady w okresie wegetacyjnym. Lasy nadleśnictwa charakteryzuje duża różnorodność siedlisk, dominują: las mieszany świeży, las świeży, bór mieszany świeży i bór świeży. Siedliska lasowe zajmują 61,7% powierzchni, borowe 35,7%, olsy 2,5%. Pod względem gatunków drzew dominująca jest sosna, stanowiąca 52%, następnie buk 14%, świerk 12%, brzoza 9%, dąb 5%. Zakres prac Gleba brunatna kwaśna,piasek gliniasty Gatunek Udział Wiek Zadrzewienie pierśnica wysokość Średnia Średnia Zwarcie Bonitacja Zielna: trawy, szczawik, konwalijka. na 1 ha [m 3 ] Grubizna cała pow. [m 3 ] Bk ,0 umiarkowane II Jd I Św II So I Razem: Prace terenowe podzielić można na dwa etapy: pomiary mające na celu zebranie danych referencyjnych oraz wykonanie skanów za pomocą skanera FARO LS880 (ryc. 3). Pomiary referencyjne obejmowały: pomiar wszystkich pierśnic na krzyż z dokładnością do 1 mm za pomocą średnicomierza, pomiar 20% wysokości dla każdego gatunku z dokładnością do 0,5 m (co najmniej jedna wysokość w każdym reprezentowanym stopniu grubości), przy użyciu wysokościomierza Suunto, sklasyfikowanie wszystkich drzew według metody Leibundguta. Dodatkowo, w promieniu 20 m od każdego kołka (kołki stanowią środki powierzchni), dla każdego drzewa: pomierzono pierśnice (d 1,3 ); h; azymut ze środka pow. (z dokładnością do 1 st.); odległość (w cm od środka pow. z wys. 1,3 m do pobocznicy drzewa na wys. 1,3 m od podstawy pnia), określono gatunek. Podstawowe cechy drzewostanu określone na podstawie tych pomiarów obrazują wykresy (ryc. 4 7).

5 Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych 201 Ryc. 3. Naziemny skaner laserowy FARO LS880 Fig. 3. Terrestrial laser scanner FARO LS880 Do skaningu na terenie nadleśnictwa Sławno (podobnie jak w przypadku większości pomiarów wykonywanych od 2006 roku) wykorzystano laser FARO LS880, jego podstawowe parametry to ( zasięg maksymalny: m, częstotliwość: 120 khz, błąd liniowy: 3 mm na 10 m, długość fali lasera: 785 nm, wielkość plamki na wyjściu: 3 mm, pionowy kąt skanowania: 320 stopni, poziomy kąt skanowania: 360 stopni, komputer wewnętrzny: P III 700 MHz, 40 GB HDD, Win XP, podłączenie do laptopa: Fast Ethernet. Parametry te spełniają wymogi, jakie opisali Bienert i in. (2006). W pracy tej określono następujące parametry, które powinny cechować skaner wykorzystywany do pomiarów w lesie: zasięg maksymalny od 20 do 100 m, częstotliwość rejestracji min punktów na sekundę, możliwość rejestracji obrazu panoramicznego oraz dokładność nie mniejszą niż 10 mm.

6 202 Tomasz Zawiła-Niedźwiecki, Paweł Strzeliński, Agata Wencel, Marcin Chirrek Ryc. 4. Długość korony i jakość pnia Fig. 4. Crown length and stump quality Ryc. 5. Położenie i żywotność korony Fig. 5. Status and vitality of crown Ryc. 6. Wartość hodowlana i tendencja rozwojowa drzew Fig. 6. Breeding value and expansion trend of trees Ryc. 7. Liczba drzew w przedziałach grubości pierśnicy (d 1,3 ) Fig. 7. Number of trees in the thickness ( dbh ) intervals

7 Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych 203 Jedną z cech wyróżniających testowany skaner spośród innych tego typu urządzeń jest jego modułowa budowa (4 moduły: czujnika, lustra, bazowy i kontrolny). Oznacza to, że jeśli zaistnieje potrzeba wykorzystania wiązki lasera o większym zasięgu, nie trzeba zmieniać całego urządzenia, a wystarczy wymienić tylko moduł czujnika. Skaningiem objęto 4 punkty pomiarowe, położone w narożnikach kwadratu o boku 12,5 m (ryc. 8). Taki rozstaw pozycji skanera zapewnił uzyskanie w efekcie pełnego obrazu 3D dla obszaru ok m 2. Obok zasadniczego skaningu każdy punkt pomiarowy został odfotografowany kamerą cyfrową (Nikon D70s z obiektywem Nikkor AF DX 10,5 mm f/2,8ged), zintegrowaną ze skanerem laserowym. W efekcie, obok chmury punktów, otrzymano serię zdjęć, co pozwoliło na spreparowanie fotorealistycznego modelu 3D dla badanego obszaru (ryc. 9). Jednym z typów danych uzyskiwanych w trakcie skaningu laserowego jest obraz intensywności, stanowiący panoramiczne zobrazowanie obszaru (360 stopni w poziomie i 320 w pionie). Ponieważ jest to obraz w pełni kartometryczny, może być wykorzystany m.in. do wykonania pomiarów odległości od skanera do poszczególnych punktów, a także odległości pomiędzy punktami. Z wykorzystaniem takiego właśnie zobrazowania zostały pomierzone pierśnice i wysokości poszczególnych drzew (ryc. 10). Na podstawie obrazu intensywności oraz modelu 3D określone zostały gatunki oraz precyzyjna lokalizacja drzew na powierzchni, dzięki czemu możliwa była identyfikacja poszczególnych drzew, a co za tym idzie porównanie wyników pomiarów na skanach z danymi referencyjnymi. Ryc. 8. Schemat powierzchni objętej skaningiem i pozycje skanera Fig. 8. Scheme of test plot and scanner positions

8 204 Tomasz Zawiła-Niedźwiecki, Paweł Strzeliński, Agata Wencel, Marcin Chirrek Ryc. 9. Fotorealistyczny model 3D powierzchni próbnej Fig. 9. 3D photorealistic model of the test plot Ryc. 10. Przykładowy pomiar pierśnicy na obrazie intensywności Fig. 10. Exemplary measurement of dbh on the intensity image

9 Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych 205 Porównanie wyników i podsumowanie Z zestawienia wyników pomiarów na podstawie skaningu laserowego z danymi referencyjnymi wynika, że pomiary na podstawie skaningu charakteryzuje niedoszacowanie zarówno w przypadku pomiarów pierśnicy, jak i wysokości (tab. 2). W przypadku pomiarów pierśnicy średnia różnica to 2,4 cm, a wysokości 2,7 m. Należy jednak podkreślić, że różnice te mogą wynikać zarówno z błędów (niedokładności) pomiarów wykonywanych na skanach, jak i z niedokładności pomiarów referencyjnych. Obie te metody mogą być obarczone pewnym błędem związanym z subiektywnością pomiarów. Niemniej, jak widać na wykresach (ryc. 11 i 12), występuje duża zbieżność wyników, co pozwala oczekiwać, że dalsze doskonalenie metody może przynieść efekt w postaci dokładnych i wiarygodnych informacji o poszczególnych drzewach i drzewostanie. Tabela 2. Zestawienie wyników ze skaningu laserowego z danymi referencyjnymi Table 2. Track record of date from laser scanning vs. reference date Nr drzewa Gatunek pierśnica (cm) Pomiary Skaning laserowy Różnica wysokość (m) pierśnica (cm) wysokość (m) pierśnica (cm) wysokość (m) 1 Bk 45,5 31,0 43,5 27,4 2,0 3,6 2 Jd 27,1 25,0 26,0 23,2 1,1 1,8 3 Św 60,5 35,0 56,7 32,4 3,8 2,6 4 Jd 55,4 36,0 53,3 32,3 2,1 3,7 5 Bk 34,1 32,0 31,6 28,0 2,5 4,0 6 Bk 33,1 33,0 31,1 27,2 2,0 5,8 7 Bk 49,4 34,0 47,6 31,0 1,8 3,0 74 So 44,6 37,0 43,1 35,8 1,5 1,2 średnia 2,4 2,7

10 206 Tomasz Zawiła-Niedźwiecki, Paweł Strzeliński, Agata Wencel, Marcin Chirrek Ryc. 11. Porównanie wyników pomiaru pierśnic Fig. 11. Comparison of dbh surveying results Ryc. 12. Porównanie wyników pomiaru wysokości Fig. 12. Comparison of height surveying results

11 Laserowy skaner naziemny w badaniach ekosystemów leśnych 207 Literatura Aschoff T., Thies M., Spiecker H., 2004: Describing forest stands using terrestrial laser-scanning. International Archives of Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences vol. XXXV, comm. 5, s Bienert A., Maas H.G., Scheller S., 2006: Analysis of the information content of terrestrial laserscanner point clouds for the automatic determination of forest inventory parameters. Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, 14th 15th Feb. 2006, Vienna Session 2b, s Bruchwald A., 2004: Metody modelowania matematycznego przy sporządzaniu planu urządzania lasu. Urządzanie lasu wielofunkcyjnego. Fundacja ROZWÓJ SGGW, s Pfeifer N., Winterhalder D., 2004: Modelling of Tree Cross Sections from Terrestrial Laser-Scanning Data with Free-Form Curves. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVI, part 8/W2, s Watt P.J., Donoghue D.N.M., Dunford R.W., 2003: Forest Parameter Extraction Using Terrestrial Laser Scanning. Proc. ScandLaser Scientific Workshop on Airborne Laser Scanning of Forests, Umea, Sweden, s Thies M., Spiecker H., 2004: Evaluation and Future Prospects of Terrestrial Laser-Scanning for Standardized Forest Inventories. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVI, part 8/W2, s Zawiła-Niedźwiecki T., Miścicki S., Zasada M., Wencel A., 2006: Nowe kierunki pomiaru lasu z wykorzystaniem narzędzi teledetekcyjnych. Roczniki Geomatyki, t. IV, z. 4, s Terrestrial laser scanner in forest ecosystem surveys Summary: The use of a terrestrial laser scanner permits collection of detail information on the tree stand in a given area. Testing measurements with the use of the scanner FARO LS880 have been performed on one study plot delineated within the research project on The occurrence of silver fir (Abies alba Mill.) in the area of the natural landscape of the Baltic sea costal area, its role and influence on the forest ecosystems. On the basis of the clouds of points obtained it was possible to draw the information on the basic parameters of the trees (breast-height diameter, height). The accuracy of the data obtained on the basis of the lidar has been compared with that of the measurements performed by the średnicomierzem and wysokościomierzem (reference measurements). The comparison has shown that the results obtained from the scanning data give underestimated values relative to those from direct measurements and the underestimation in the breast-height diameter is 2.4 cm, while that in the height is 2.7 m. However, the differences can follow from the inaccuracies of the scanning measurements as well as the inaccuracies in the reference measurements. Key words: lidar, FARO, silver fir, tree stand

12