Fast Automatic Precision Tree Models from Terrestrial Laser Scanner Data

Peer reviewe

How much commercial timber in your plot, how much carbon sequestred in the trees, how much light available for undercrops ? Terrestrial LIDAR is the right technology for addressing these questions

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Extracting individual trees from lidar point clouds using treeseg

Recent studies have demonstrated the potential of lidar-derived methods in plant ecology and forestry. One limitation to these methods is accessing the information content of point clouds, from which tree-scale metrics can be retrieved. This is currently undertaken through laborious and time-consuming manual segmentation of tree-level point clouds from larger-area point clouds, an effort that is impracticable across thousands of stems. Here, we present treeseg, an open-source software to automate this task. This method utilises generic point cloud processing techniques including Euclidean clustering, principal component analysis, region-based segmentation, shape fitting and connectivity testing. This data-driven approach uses few a priori assumptions of tree architecture, and transferability across lidar instruments is constrained only by data quality requirements. We demonstrate the treeseg algorithm here on data acquired from both a structurally simple open forest and a complex tropical forest. Across these data, we successfully automatically extract 96% and 70% of trees, respectively, with the remainder requiring some straightforward manual segmentation. treeseg allows ready and quick access to tree-scale information contained in lidar point clouds. treeseg should help contribute to more wide-scale uptake of lidar-derived methods to applications ranging from the estimation of carbon stocks through to descriptions of plant form and function

느티나무 및 벚나무 가로수 개별목을 대상으로

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부(생태조경학),2019. 8. 이동근.근대화 이후 인류의 활동은 급속한 과학기술의 발전과 경제성장으로 지구생태계에 직접적으로 영향을 끼쳐왔다. 생태계 파괴와 관련된 환경문제, 특히 지구온난화 문제가 가속화 됨에 따라 많은 연구자들이 도시의 주변환경, 도시 녹지, 도시공원 및 육상 녹화와 같은 대상에 주목하는 추세이다. 그 가운데 도로 생태환경의 중요한 부분인 가로수는 도시의 녹화 활동의 중심지이자, 도시의 탄소 저장지로 꼽힌다. 수목은 탄소 순환에 중요한 역할을 한다. 수목의 체적, 바이오매스, 탄소 저장량은 탄소 고정에서부터 광합성을 통한 산소 방출 등 탄소순환기능을 평가하는 중요한 매개변수로 활용된다. 기후변화와 지구온난화의 우려와 함께 도시에서 에너지사용과 이산화탄소 발생을 저감시키고 탄소흡수원을 증진시키기 위한 노력이 중요한 정책으로 받아들여지면서 도시 수목과 녹지의 기후변화 대응 관련 기능이 더욱 강조되고 있다. 이를 위해서는 수목의 재적 및 바이오매스를 산정할 필요성이 있다. 기존의 측정방법은 수목의 매개변수를 측정하여 상대생장식, 입목재적식을 통해 산정하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 노동집약적이고 시간이 오래 걸리며 파괴적이라는 점이 한계로 지적되고 있다. 최근에는 지상 LiDAR (Light Detection and Ranging) 센서가 3차원 수목 구조를 정확하고 효율적으로 정량화하는 도구로 폭넓게 활용된다. 목표가 되는 물체를 지상 LiDAR 센서를 활용해 점군데이터(Point cloud) 형태의 정확한 3차원 기술은 객관적인 물체를 복원하고, 진실적으로 표면의 형태를 정확하게 반영할 수 있는 특성이 있으며 위치 정보를 출력할 수 있다. 이러한 특성을 반영하여 3D 모델링 및 수목의 표면 재구성 분야에서도 널리 사용되고 있다. 따라서 본 연구는 한국 서울에서 가로수로 주로 식재되는느티나무와 벚나무를 연구대상으로 3월과 6월 서로 다른 시기에 지상 LiDAR 센서를 활용하여 데이터를 취득하고, 단목 부위별 체적 산정량을 비교하는 연구를 진행하였다. 수종별 산정방법으로 기존 산림측량분야에서 사용하는 입목재적식, 상대생장식, 그리고 지상 LiDAR 데이터 기반 Voxel화(Voxelize) 산정 방법 및 계층화 방법 등 다양한 산정 방법을 통하여 수목의 형태를 고려한 단목 부위별 체적을 산정하고 비교하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 기존 산림측량 분야에서 사용했던 입목재적식에 비하여 느티나무의 경우 수간부 복셀화 재적이 25.79% 증가하거나 마이너스 16.39%로 나타났으며, 계층화로 추정하는데 17.36% 증가하거나 25.17% 낮았다. 벚나무의 수간부 복셀화 재적은 42.14% 증가하거나 마이너스 26.24%로 나타났고 계층화로 추정하는데 22.96% 증가하거나 마이너스 26.24% 낮았다. 가지부 복셀화 재적결과를 봤을 때에 벚나무 66.40% 증가하거나 43.44% 낮았으며 느티나무는 24.98 증가하거나 20.89% 낮았다. 연구는 가로수 수종인 느티나무, 벚나무의 입목재적량을 LiDAR 데이터를 기반으로 다양한 산정식을 활용해 추정하였다. 연구결과 산정방법의 차이에 따라 수종별 입목재적량의 차이가 나타났으며, 수목의 구조와도 일정한 차이 및 관계가 있는 것으로 나타났다.제1장 서 론 1 제1절 연구의 배경 및 목적 1 1. 연구의 배경 1 2. 연구의 목적 3 제2장 이론 및 선행연구 고찰 4 제1절 이론적 배경 4 1. 지상 LiDAR 4 2. 입목재적 5 제2절 선행연구 고찰 6 1. LiDAR 측량을 통한 수목 재적 연구 6 2. 소결 8 제3장 연구범위 및 방법 9 제1절 연구흐름 9 제2절 연구범위 10 제3절 데이터 획득 및 전처리 11 1. 현장조사 11 2. 지상 LiDAR 측량 15 제4절 연구방법 17 1. 지상 LiDAR 데이터 전처리 17 1.1. 단일 수목 추출 17 1.2. 흉고직경 추출 18 1.3. 수고 추출 19 2. 수목의 부위별 재적 추정 20 2.1. 지상 LiDAR 측량에 의한 수간부 재적 추정 20 2.1.1. Smalian식에 의한 수간부 재적 추정 20 2.1.2. 계층화 방식에 의한 재적 추정 21 2.1.3. Voxel화 방식에 의한 재적 추정 22 2.2. 지상 LiDAR 측량에 의한 가지부 재적 추정 23 2.2.1. 상대생장식을 통한 가지부 재적 추정 23 2.2.2. Voxel화 방식에 의한 가지부 재적 추정 23 제4장 결과 및 고찰 24 제1절 부위별 재적량 산정 결과 24 1. 수간부 재적 24 2. 가지부 재적 36 2. 옆층부 체적 42 2. 수목 지상부 바이오매스 44 제2절 수목의 흉고직경 및 수고 산정결과 51 제5장 결론 56 참고문헌 59Maste

Stem Quality Estimates Using Terrestrial Laser Scanning Voxelized Data and a Voting-Based Branch Detection Algorithm

A new algorithm for detecting branch attachments on stems based on a voxel approach and line object detection by a voting procedure is introduced. This algorithm can be used to evaluate the quality of stems by giving the branch density of each standing tree. The detected branches were evaluated using field-sampled trees. The algorithm detected 63% of the total amount of branch whorls and 90% of the branch whorls attached in the height interval from 0 to 10 m above ground. The suggested method could be used to create maps of forest stand stem quality data

The benefit of 3D laser scanning technology in the generation and calibration of FEM models for health assessment of concrete structures

Terrestrial laser scanning technology (TLS) is a new technique for quickly getting three-dimensional information. In this paper we research the health assessment of concrete structures with a Finite Element Method (FEM) model based on TLS. The goal focuses on the benefits of 3D TLS in the generation and calibration of FEM models, in order to build a convenient, efficient and intelligent model which can be widely used for the detection and assessment of bridges, buildings, subways and other objects. After comparing the finite element simulation with surface-based measurement data from TLS, the FEM model is determined to be acceptable with an error of less than 5%. The benefit of TLS lies mainly in the possibility of a surface-based validation of results predicted by the FEM model

Tree biomass equations from terrestrial LiDAR : a case study in Guyana

Large uncertainties in tree and forest carbon estimates weaken national efforts to accurately estimate aboveground biomass (AGB) for their national monitoring, measurement, reporting and verification system. Allometric equations to estimate biomass have improved, but remain limited. They rely on destructive sampling; large trees are under-represented in the data used to create them; and they cannot always be applied to different regions. These factors lead to uncertainties and systematic errors in biomass estimations. We developed allometric models to estimate tree AGB in Guyana. These models were based on tree attributes (diameter, height, crown diameter) obtained from terrestrial laser scanning (TLS) point clouds from 72 tropical trees and wood density. We validated our methods and models with data from 26 additional destructively harvested trees. We found that our best TLS-derived allometric models included crown diameter, provided more accurate AGB estimates (R-2 = 0.92-0.93) than traditional pantropical models (R-2 = 0.85-0.89), and were especially accurate for large trees (diameter > 70 cm). The assessed pantropical models underestimated AGB by 4 to 13%. Nevertheless, one pantropical model (Chave et al. 2005 without height) consistently performed best among the pantropical models tested (R-2 = 0.89) and predicted AGB accurately across all size classes-which but for this could not be known without destructive or TLS-derived validation data. Our methods also demonstrate that tree height is difficult to measure in situ, and the inclusion of height in allometric models consistently worsened AGB estimates. We determined that TLS-derived AGB estimates were unbiased. Our approach advances methods to be able to develop, test, and choose allometric models without the need to harvest trees

RESEARCH ON THE 3D DOCUMENTATION SYSTEM OF CLASSICAL CHINESE GARDENS IN SCENIC AREAS – TAKING KUNSHAN SUIYUAN AS AN EXAMPLE

Classical Chinese gardens built in scenic areas have characteristics in rich scales, multi-type elements, and a complex development history. Due to the designed landscape characteristics of "hidden the garden in bigger landscapes", it is often difficult to obtain high-quality heritage information through traditional surveying approaches. The aim of this research is to establish a digital 3D documentation technology system for the classical gardens in scenic areas. Suiyuan Garden, a classical Chinese garden with a history of more than 300 years, was used as a case study. We have integrated UAV low-altitude photogrammetry, handheld laser scanning, ground-mounted laser scanning, macro structured light scanning and other technologies to obtain the 3D data, and to build a digital twin by developing the technical workflow and data standard. The innovation of the research lies in: 1) We used a variety of digital mapping methods to record the pattern between the garden and the surrounding landscape; 2) We adopted a combination of handheld and ground-mounted laser scanning systems to build spatial structures and better cover the ground spaces; 3) We established a workflow for the conversion from point cloud to mesh model for different garden features, which can improve the usability of 3D heritage information; 4) We used the 3D cultural heritage modelling approach to improve the standards of the digital conservation of historic plants. The outcomes of this research could be used as the basis for the construction of Historic Landscape Information Model (HLIM) in the near future