LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR) W BADANIACH NA RZECZ OCHRONY PRZYRODY

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 135 LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR) W BADANIACH NA RZECZ OCHRONY PRZYRODY Krzysztof Stereńczak Streszczenie Lotniczy skaning laserowy (LIDAR) jest od końca XX w. coraz częściej stosowany w badaniach środowiska naturalnego. Ten aktywny system teledetekcyjny dostarcza bardzo dużej liczby dokładnych danych charakteryzujących badane obiekty oraz udostępnia nowe, dotąd nie eksploatowane płaszczyzny analiz przestrzennych. Prezentowany poniżej tekst jest zbiorem opisów różnego rodzaju metod wykorzystujących dane LIDAR-owe. Mogą być one wykorzystane w szeroko pojętej ochronie środowiska. Nie sposób było wymienić wszystkich zastosowań tego nowego urządzenia. Istotą pracy jest raczej zasygnalizowanie istnienia i możliwości, jakie posiada prezentowana technologia. Słowa kluczowe: LIDAR, leśnictwo, ochrona przyrody AIRBORNE LASER SCANNING (LIDAR) FOR NATURAL ENVIRONMENT RESEARCH Abstract From the end of the XX century airborne laser scanner (ALS) has become a tool more often used for natural environment research. This active remote sensing system provide a large number of very accurate data characterizing each object and opens a new possibilities of spatial analysis, which has not yet been used. Below text is a summary of different methods of analysis whit LIDAR data, which can be applied in widely understood environmental protection. It is obvious that it is impossible to describe all possibilities of LIDAR. The essence of this publication is to indicate existing of such tool and its capabilities. Keywords: LIDAR, forestry, environmental protection Wstęp Ochrona przyrody to ogół działań zmierzających do zachowania w niezmienionym lub optymalnym stanie przyrody ożywionej i nieożywionej, a także krajobrazu. Głównym celem ochrony przyrody jest utrzymanie stabilności ekosystemów i procesów ekologicznych oraz zachowanie różnorodności biologicznej (Wikipedia 1). Wiele z celów ochrony przyrody może zostać spełnionych dzięki wykorzystaniu danych geomatycznych, w szczególności danych z lotniczego skanowania laserowego. Spośród wymienionych w 2007 r. (Internet 1), przez Państwową Radę Ochrony Przyrody, 77 najważniejszych problemów ochrony przyrody w Polsce można zidentyfikować, co najmniej kilkanaście, do rozwiązania których dane LIDAR-owe mogą być w różnym stopniu wykorzystane. Celem poniższego opracowania nie jest subiektywna forma promocji technologii dopiero pojawiającej się w Polsce, ale raczej pokazanie możliwości jej zastosowania w badaniach środowiska przyrodniczego. Mimo że zakres artykułu jest bardzo szeroki, to nie wyczerpuje on zagadnienia. Jego zadaniem jest pomóc czytelnikowi w identyfikacji problemów, które mogą zostać rozwiązane przy pomocy danych LIDAR-owych. Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej R. 11. Zeszyt 2 (21) / 2009 135

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 136 Opis technologii skanowania laserowego Filozofia skanowania laserowego skupia się na pozyskaniu informacji o kształcie obiektu i jego właściwościach z pewnej odległości od obiektu. LIDAR (ang.: Light Detection And Ranging) jest aktywnym systemem teledetekcyjnym wysyłającym wiązki laserowe w określonym kierunki i dowolnym interwale czasowym. W celu określenia położenia punktu LIDAR-owego przestrzeni, realizowane są następujące pomiary (Katzenbeisser 2003): określenie położenia i orientacji urządzenia w przestrzeni (GPS ang.: Global Positioning System i INS ang.: Inertial Navigation Systems), pomiar czasu od wyemitowania wiązki laserowej do zarejestrowania sygnału odbitego, obliczenie wielkości kąta, pod jakim wiązka laserowa została wysłana. Platformami przenoszącymi skanery mogą być satelity, samoloty, samochody, łodzie oraz bezzałogowe obiekty latające. Dodatkowo możliwy jest montaż kilku skanerów na jednej platformie, co zwiększa się ilość zebranych informacji. W poniższym opracowaniu opisane zostanie przede wszystkim wykorzystanie lotniczego skanowania laserowego. Wynika to z wysokiej elastyczności oraz szerszych możliwości zastosowania urządzenia, szczególnie przy pracach na dużych powierzchniach. Efektem końcowym nalotu fotogrametrycznego LIDAR-em jest chmura punktów. W zależności od systemu chmura punktów może mieć rózny przestrzenny wzór rozmieszczenia punktów, generalnie jednak zawsze będzie miała postać prezentowaną na ryc. 1. Dodatkowo w trakcie nalotu skanerem laserowym rejestrowane są przez kamery lotnicze zakresy spektralne odpowiadające barwom: niebieskiej, zielonej, czerwonej i podczerwonej, co daje możliwość tworzenia kompozycji barwnych imitujących zdjęcia lotnicze spekrtostrefowe i w barwach naturalnych. Pozwala to na dużo szersze analizy i większą ilość zastosowań pozyskanych danych. Ryc. 1. Surowe dane LIDAR-owe chmura punktów Fig. 1. Raw LIDAR point cloud 136 Krzysztof Stereńczak LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR)...

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 137 Badania, projekty i analizy prowadzone z wykorzystaniem lotniczego skanowania laserowego Poniżej zostały zebrane wyniki różnego rodzaju prac związanych z wykorzystaniem LIDAR-a w poznawaniu i analizowaniu ogólnie pojętego środowiska naturalnego. Wiele z nich będzie odnosiło się do zastosowań w środowisku leśnym (afiliacja autora ma na to wpływ), niewątpliwie las jest ważnym składnikiem środowiska naturalnego, oczywiście nie jedynym. Dlatego będzie można zapoznać się także z innymi zastosowaniami danych z lotniczego skanowania laserowego, np.: w analizach powodziowych, w inwentaryzacji klifów czy w określaniu zasięgu gradacji szkodliwych owadów. Wykorzystanie intensywności odbić danych z lotniczego skanowania laserowego Analizując różne kierunki badań i zastosowań lotniczego skanowania laserowego można zauważyć 3 główne metody wykorzystania danych. Po pierwsze wykorzystywana jest informacja o intensywności zarejestrowanych odbić. Różnice w ich wartościach wynikają głównie stąd, że punkty powstały przy zetknięciu się wysłanego sygnału z różnymi przedmiotami. Dzięki temu możliwe jest klasyfikowanie treści zarejestrowanych obrazów. Wykorzystywane metody i prowadzone analizy są bardzo podobne do tych stosowanych dla tradycyjnych obrazów satelitarnych czy zdjęć lotniczych. Kolejne dwa kierunki wykorzystania opierają się na informacji geometrycznej zawartej w danych LIDAR-owych. Analizy prowadzone są bezpośrednio na chmurze punktów lub wykorzystywane są numeryczne modele powierzchni terenu interpolowane z danych punktowych. Ryc. 2. Zdjęcie w kompozycji barwnej RGB po lewej i obraz intensywności po prawej Fig. 2. Digital RGB image composition on the left and intensity image on the right Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej R. 11. Zeszyt 2 (21) / 2009 137

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 138 Wykorzystanie surowych danych LIDAR-owych Analizę surowej chmury punktów można prowadzić na wiele różnych sposobów. Możliwe jest analizowanie przestrzennego rozkładu biomasy wykorzystując jednostki przestrzenne ang.: voxel-e. Ryc. 3. Przedstawienie rozkładu przestrzennego punktów LIDAR-owych w postaci voxel-i Fig. 3. Voxels as a charakteristic of LIDAR data spatial density Idea ich wykorzystania przedstawiana jest na ryc. 3. W pierwszej kolejności określana jest wielkość obiektów podstawowych sześcianów. Z reguły wykorzystuje się jako podstawę kwadrat, którego bok ma długość 1 m. Następnie określa się liczbę punktów znajdujących się w obrębie każdego Voxel-a. W zależności od liczby punktów przestrzeń dzielona jest na klasy gęstości roślinności. Przyjmuje się, że gęstość punktów rośnie proporcjonalnie do gęstości roślinności. Wykorzystując poziome, np. 1 metrowe, przedziały wysokości nad gruntem, możliwe jest tworzenie histogramów, dla których określona zostanie liczby punktów. Dzięki graficznemu przedstawieniu rozkładu punktów wzdłuż pionowej osi wysokości możliwa jest ocena gęstości oraz segmentacja drzewostanu na pojedyncze korony, zdefiniowanie ich kształtu oraz określenie wielkości biomasy (Lefsky et al. 2002). Poznanie i dokładne opisanie struktury drzewostanu może być źródłem informacji potrzebnych do tworzenia modeli przeciwpożarowych. Wykorzystanie wielkości masy paliwowej zalegającej w lesie, położenie gałęzi na pniach, występowanie luk w drzewostanie lub grup łatwopalnego materiału jest już z powodzeniem stosowane w niektórych krajach do modelowania potencjalnego kierunku i szybkości rozwoju pożaru. Wpływ oddziaływania na las patogenów i czynników stresujących może mieć swój wyraz w opadzie liści lub znaczącej przestrzennej zmianie roślinności. 138 Krzysztof Stereńczak LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR)...

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 139 Ryc. 4. Segmentacja na pojedyncze drzewa oparta na filozofii voxeli (Wang et al. 2008) Fig. 4 Single tree delineation base on voxel philosophy Wszelkiego typu zmiany strukturalne, w tym zanikanie pojedynczych drzew, mogą być w wiarygodny i automatyczny sposób wykrywane z wykorzystaniem opisywanej technologii (Blaschke et al. 2004), szczególnie, jeżeli posiadamy informacje na temat przestrzennego ukształtowania obiektu przed wystąpieniem czynnika uszkadzającego. Dodatkowo technologia ta dała po raz pierwszy tak dokładny wgląd w środowiska znajdujące się w bardzo niedostępnych miejscach, gdzie wcześniej nie można było dotrzeć lub były one dostępne jedynie w określonych porach roku Wydaje się bardzo potrzebne i uzasadnione wykorzystanie naziemnego skanera laserowego (TLS) do inwentaryzacji stanu pomników przyrody lub innych szczególnie cennych obiektów przyrodniczych. Możliwość pomiaru z dokładnością milimetrową oraz duża częstotliwość próbkowania pozwalają na określanie nawet niewielkich zmian w kształcie inwentaryzowanych obiektów. Wszelkie ubytki lub stany zapalne (guzy, narośla) mogą w ten sposób zostać szybko i dokładnie określone. Poza tym cała historia rozwoju obiektu jest zapisana w postaci cyfrowej. W sytuacji, gdyby pojawiły się nowe narzędzia i algorytmy do analizy danych możliwe jest ich szybkie zastosowanie. Innym ciekawym wykorzystaniem danych z lotniczego skanowania laserowego może być określanie optymalnych środowisk dla pewnych grup zwierząt. Takie badania są prowadzone miedzy innymi dla populacji niektórych gatunków ptaków (Hashimoto et al. 2004). Biorąc pod uwagę przestrzenną strukturę punktów możliwe jest określenie stref, w których gęstość roślinności odpowiada potrzebom biocenotycznym określonych gatunków. Dzięki temu możliwe jest również przewidywanie zagęszczenia miejsc lęgowych na danym terenie. Skaner laserowy możemy wykorzystać również do określenia stopnia zanieczyszczenia zbiorników wodnych (Internet 2). Badania takie mogą zostać wykorzystane do oceny stanu planktonu oraz jakości biologicznej wód słodkich lub słonych. Już od dawna LIDAR wykorzystywany był do określania zasięgu i stężenia zanieczyszczeń powietrza (Calpini et al. 1997). Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej R. 11. Zeszyt 2 (21) / 2009 139

strony:makieta 1 10/6/2009 8:55 AM Strona 140 Wykorzystanie numerycznych modeli terenu wyinterpolowanych z danych LIDAR-owych Analizy numerycznego modelu terenu mają ogromne znaczenie w wielu dziedzinach szeroko pojętej ochrony przyrody. Określenie wielkości zalanego przez powódź obszaru w zależności od tego, gdzie wał przeciwpowodziowy został przerwany; określenie optymalnego miejsca położenia różnych obiektów użyteczności publicznej; określanie wielkości przemieszczenia materii; wielkość eksploatacji wyrobisk; określanie stanu urwisk i brzegów morskich oraz wiele innych działań nie jest możliwe do wykonania w dzisiejszych czasach bez modelu terenu. Im większa jest dokładność użytego modelu tym efektywniejsze prace będą z jego pomocą wykonane. Ryc. 5 NMPT (u góry) i NMT (poniżej) wraz ze wskazaniem szczegółów odnalezionych w wyniku skanowania przestrzeni LIDAR-em Fig. 5 DSM (above) and DTM (below) with marked ground details defined as a result of using LIDAR data 140 Krzysztof Stereńczak LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR)...

strony:makieta 1 10/6/2009 8:56 AM Strona 141 Lotniczy skaner laserowy jest narzędziem, które w dziedzinie pozyskiwania informacji o terenie nie ma konkurencji. Możliwość dokonywania nawet do 300 tys. pomiarów na sekundę z dokładnością kilkunastu centymetrów powoduje, że uzyskiwane rozdzielczości i dokładności modeli terenu są na poziomie dotychczas niespotykanym (Będkowski et al. 2008a). Szczególnie w terenach gdzie wykonanie pomiarów było niemożliwe z powodu niedostępności lub z powodu ogromnych nakładów pracy i kosztów (bagna, tereny górzyste, obszary zalesione) dostarczane prze LIDAR informacje mają ogromną wartość. Ryc. 5 dowodzi, że nawet zwarta pokrywa leśna nie jest przeszkodą dla sygnałów świetlnych wysyłanych przez urządzenia. Jak widać bardzo wiele elementów dna lasu została odzwierciedlona na numerycznym modelu terenu (NMT), pomimo tego, że numeryczny model pokrycia terenu (NMPT) wskazuje na dość gęstą i zwartą strukturę lasu. Bardzo często w analizach, szczególnie roślinności, wykorzystywany jest różnicowy model terenu (ndsm), zwany w warunkach leśnych wysokościowym modelem koron (WMK) (Stereńczak 2008, Stereńczak et al. 2008). Powstaje on jako różnica pomiędzy odpowiadającymi sobie pikselami w prezentowanych powyżej modelach (ryc. 6). Efektem takiego działania jest powstanie rastrowej charakterystyki wszystkich obiektów na powierzchni gruntu, gdzie jako wartości pikseli przypisuje się bezwzględne wysokości obiektów. Na ryc. 6 piksele jaśniejsze odpowiadają roślinności wysokiej, a ciemniejsze niskiej lub gruntowi. Obraz taki, w sposób przejrzysty przedstawia strukturę przestrzenną roślinności, a co najważniejsze wykorzystywany jest w automatycznych metodach, mających na celu określenie między innymi: liczby drzew (Heurich et al. 2004; Holmgren et al. 2004; Maltamo et al. 2004), wielkości luk (Nuske 2006), położenia dominujących drzew czy określenia homogenicznych części lasu (Koch et al. 2006). Może on być pomocny w określaniu wielkości szkodnictwa leśnego w przypadku bezprawnego wycinania drzew. W przypadku zaś gradacji czy pożarów możemy określać powierzchnię uszkodzonych obszarów. Ryc. 6. Granice wydzieleń (kolor czerwony) na tle wysokościowego medelu koron Fig. 6. Stand borders (red color) on crow height model as the background Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej R. 11. Zeszyt 2 (21) / 2009 141

strony:makieta 1 10/6/2009 8:56 AM Strona 142 Jeżeli posiadamy WMK z dwóch nalotów LIDAR-owych, wykonanych w dwóch różnych terminach, możliwe jest określanie wielkości przyrostu (Gobbaken et al. 2004) oraz szeregu innych zmian strukturalnych, które zaszły w badanym odstępie czasu. Analizy takie mogą obejmować całe kompleksy leśne oraz roślinność położoną poza lasami. Prezentowane różne metody analiz danych ze skanowania laserowego można integrować między sobą oraz wykorzystywać w połączeniu z innymi technikami pozyskiwania danych o charakterze przestrzennym. Szczególnie często integrowane są zdjęcia lotnicze i obrazy satelitarne. Dostarcza to wielu interesujących zastosowań oraz poszerza zakres prowadzonych prac, przez co uzyskiwane wyniki są pełniejsze i bardziej obiektywne Zakończenie Zaprezentowana praca jest krótkim opisem technologii lotniczego skanowania laserowego oraz przybliżeniem możliwości zastosowania tej technologii w badaniach szeroko pojętego środowiska naturalnego. Zdaniem autora wiele z tych doświadczeń może mieć duże znaczenia w pracach na rzecz ochrony przyrody. Wielką zaletą prezentowanych metod jest ich wysoka automatyzacja oraz obiektywność. Dość duża liczba wykonanych prac badawczych w Polsce, szczególnie na obszarach leśnych (Będkowski et al. 2008b; Zawiła-Niedźwiecki et al. 2008), pozwala na wykorzystanie polskich doświadczeń w kolejnych pracach i innych zastosowaniach posiadanych danych LIDARowych. Literatura Będkowski K., Brach M., Stereńczak K. 2008a. Numeryczny model terenu obszaru zalesionego utworzony na podstawie skanowania laserowego i jego dokładność. Roczniki Geomatyki, VI, 8: 49-53. Będkowski K., Adamczyk J., Brach M., Gzowski P., Karaszkiewicz W, Krawczyk A., Marmol U., Mikrut S., Miścicki S., Morańda M., Olenderek H., Stereńczak K., Stępniewski P., Walo J., Zawadka R., 2008b. Raport końcowy projektu badawczego 2 P06L 02229 Zastosowanie lotniczego i naziemnego skaningu laserowego w analizie struktury przestrzennej i funkcjonowania lasów w krajobrazie. Katedra Urządzania Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leśnictwa, SGGW w Warszawie. Blaschke T., Tiede D., Heurich M. 2004. 3D landscape metrics to modeling forest structure and diversity based on laser scanning data. Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment, WG VIII/2. Freiburg, Niemcy. Calpini B., Simeonov V., Jeanneret F., Kuebler J., Sathya V., and van den Bergh H., 1997. Ozone LIDAR as an Analytical Tool in Effective Air Pollution Management : The Geneva 96 Campaign, Chimia 51, 700-704, ISSN 0009-4293. Gobbaken T., Neasset E. 2004. Effects of forest growth on laser derived canopy metrics. Laser- Scanners for Forest and Landscape Assessment, WG VIII/2. Freiburg, Niemcy. Hashimoto H., Imanishib J., Hagiwaraa A., Morimotob Y., Kitadac K. 2004. Estimating forest structure indicates for evaluation of forest bird habitats by an airborne laser scanner. Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment, WG VIII/2. Freiburg, Niemcy. Heurich M., Schadeck S., Weinecker H., Krzystek P. 2004. Forest parameter derivation DTM/DSM generated from LIDAR and digital modular camera (DMC). XX ISPRS Congress. Istanbuł, Turcja. 142 Krzysztof Stereńczak LOTNICZY SKANING LASEROWY (LIDAR)...

strony:makieta 1 10/6/2009 8:56 AM Strona 143 Holmgren J., Persson A. 2004. Identifying species of individual trees using airborne laser scanner. Remote Sensing of Environment 90, 415-423. Internet 1: Najważniejsze problemy ochrony przyrody w Polsce, 2007. http://www.salamandra.org.pl/news/dokumenty/prop_problemy_ochrony_przyrody.doc Internet 2: http://library.witpress.com/pages/paperinfo.asp?paperid=8772 Katzenbeisser R. 2003. About the calibration of LIDAR sensors. WG III/3 Workshop 3-D reconstruction from airborne laserscanner and InSAR data. Drezno, Niemcy. Koch B., Heyder U., Straub Ch., Weinecker H. 2006. 3D data for forest and environment planning. Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, Wiedeń, Austria. Lefsky M.A., Cohen W.B., Parker G.G., Harding D.J. 2002. LIDAR Remote Sensing for Ecosystem Studies. BioScience vol. 52 no. 1: 19-30. Maltamo M., Mustonen K., Hyyppä J., Pitkanen J., Yu.X 2004. The accuracy of estimating individual tree variables with airborne laser scanning in boreal nature reserve. Canadian Journal of Forest Research 34: 1791-1801. Nuske R. 2006. A retrospective study of canopy gap dynamic of a European beech stand. Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, Wiedeń, Austria. Stereńczak K. 2008: Możliwości wykorzystania wysokościowego modelu koron w badaniach środowiska leśnego. Czasopismo Techniczne 2-Ś, 273-279. Stereńczak K., Będkowski K., Weinacker H., 2008. Accuracy of crown segmentation and estimation of selected trees and forest stand parameters in order to resolution of used DSM and ndsm models generated from dense small footprint LIDAR data. Proceedings of Youth Forum, vol. XXXVIII, tom B6b, 27-33. Pekin, Chiny. Wang Y., Koch B., Weinacker H., Sterenczak K., 2008. LIDAR point cloud based fully automatic 3D single tree modeling in forest and evaluations of the procedure. Proceedings of Youth Forum, vol. XXXVIII, tom B6b, 45-53. Pekin, Chiny. Wikipedia 1: Definicja ochrony przyrody http://pl.wikipedia.org/wiki/ochrona_przyrody. Zawiła-Niedźwiecki T., Zasada M. (red) 2008. Techniki geomatyczne w inwentaryzacji lasu potrzeby i możliwości, Wydawnictwo SGGW, Warszawa. Krzysztof Stereńczak Katedra Urządzania Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leśnictwa Wydział Leśny Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie krzysztof.sterenczak@wl.sggw.pl Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej R. 11. Zeszyt 2 (21) / 2009 143