Forest Variable Estimation Using a High Altitude Single Photon Lidar System

As part of the digitalization of the forest planning process, 3D remote sensing data is an important data source. However, the demand for more detailed information with high temporal resolution and yet still being cost efficient is a challenging combination for the systems used today. A new lidar technology based on single photon counting has the possibility to meet these needs. The aim of this paper is to evaluate the new single photon lidar sensor Leica SPL100 for area-based forest variable estimations. In this study, it was found that data from the new system, operated from 3800 m above ground level, could be used for raster cell estimates with similar or slightly better accuracy than a linear system, with similar point density, operated from 400 m above ground level. The new single photon counting lidar sensor shows great potential to meet the need for efficient collection of detailed information, due to high altitude, flight speed and pulse repetition rate. Further research is needed to improve the method for extraction of information and to investigate the limitations and drawbacks with the technology. The authors emphasize solar noise filtering in forest environments and the effect of different atmospheric conditions, as interesting subjects for further research

Cálculo de biomasa aérea (AGB) a partir de datos LIDAR

El Acuerdo de París de 2016 es un tratado internacional sobre el cambio climático jurídicamente vinculante y su objetivo es limitar el calentamiento mundial (UNFCCC, 2022). Para alcanzar esta meta, Argentina plantea medidas en el sector Bosques para disminuir las emisiones y aumentar el secuestro de carbono. Dado que la biomasa aérea (AGB por sus siglas en inglés) es la más visible de los depósitos naturales de carbono, su caracterización es crítica para monitorear la evolución de los ecosistemas boscosos. La tecnología LiDAR (Light Detection And Ranging) utiliza pulsos láser para calcular la distancia entre el sensor y el objetivo y se obtiene una nube de puntos de elevación georreferenciados clasificados según los objetos reflejados. Con el procesamiento de estos datos se puede conocer la distribución espacial y características dasométricas de la vegetación. El objetivo fue calcular AGB utilizando datos LiDAR de un bosque dominado por especies para las que no se disponen de modelos de estimación, localizado en los partidos de Pilar y Lujan, de la provincia de Buenos Aires. Para ello, se crearon modelos digitales de elevaciones (MDE), de terreno (MDT) y superficie vegetal (MDS), utilizando el programa ArcGIS® 10.5. Para determinar el volumen AGB, se empleó la herramienta Surface Volume, que calcula la integral entre un plano de referencia (0) y el MDE, y el resultado obtenido fue de 34.072.338,19 m3 para el área en estudio propuesta. Para la zonificación de la AGB por altura se tomó como restricción 15 metros lineales en el eje vertical. Para cuantificar su superficie, se reclasificó el MDS en “-2,941916466 a 15” y “15,00000001 a 36,60903168”. Como producto se obtuvo que 440.001 m2 de vegetación cumplen los condicionamientos impuestos. Si bien no se pudo validar los resultados obtenidos, la información permite conocer el potencial de biomasa existente en estas formaciones boscosas.Facultad de Ciencias Agrarias y Forestale

Assessing wood properties in standing timber with laser scanning

Managed forests play crucial roles in ongoing climatic and environmental changes. Among other things, wood is capable of sinking and storing carbon in both standing timber and wood products. To promote these positive effects, more precise planning is required that will ensure sustainable forest management and maximal deposition of harvested wood for long-term applications. Information on wood properties plays a key role; i.e. the wood properties can impact the carbon stocks in forests and the suitability of wood for structural timber. With respect to the theoretical background of wood formation, stem, crown, and branching constitute potential inputs (i.e. wood quality indicators) to allometric wood property, tree biomass, and wood quality models. Due to the complex nature of wood formation, measurements of wood quality indicators that could predict wood properties along the relevant directions of variation have previously been elusive in forest inventories. However, developments in laser scanning from aerial and terrestrial platforms support more complex mapping and modeling regimes based on dense three-dimensional point clouds. The aim here was to determine how wood properties could be estimated in remote-sensing-aided forest inventories. For this purpose, methods for characterizing select wood quality indicators in standing timber, using airborne and terrestrial laser scanning (ALS and TLS, respectively) were developed and evaluated in managed boreal Scots pine (Pinus sylvestris L.) forests. Firstly, the accuracies of wood quality indicators resolved from TLS point clouds were assessed. Secondly, the results were compared with x-ray tomographic references from sawmills. Thirdly, the accuracies of tree-specific crown features delineated from the ALS data in predictive modeling of the wood quality indicators were evaluated. The results showed that the quality and density of point clouds significantly impacted the accuracies of the extracted wood quality indicators. In the assessment of wood properties, TLS should be considered as a tool for retrieving as dense stem and branching data as possible from carefully selected sample trees. Accurately retrieved morphological data could be applied to allometric wood property models. The models should use tree traits predictable with aerial remote sensing (e.g. tree height, crown dimensions) to enable extrapolations. As an outlook, terrestrial and aerial remote sensing can play an important role in filling in the knowledge gaps regarding the behavior of wood properties over different spatial and temporal extents. Further interdisciplinary cooperation will be needed to fully facilitate the use of remote sensing and spatially transferable wood property models that could become useful in tackling the challenges associated with changing climate, silviculture, and demand for wood.Hoidetuilla metsillä on useita tärkeitä rooleja muuttuvassa ilmastossa ja ympäristössä. Puu sitoo ja varastoi hiiltä niin kasvaessaan, kuin pitkäikäisiksi puutuotteiksi jalostettuna. Näiden vaikutusten huomioiminen metsänhoidossa vaatii tarkkaa suunnittelua, jolla varmistetaan metsänhoidon ja puunkäytön kestävyys. Tieto puuaineen ominaisuuksista on keskeisessä osassa, sillä ne vaikuttavat hiilivarastojen suuruuteen metsissä, sekä puun käytettävyyteen pitkäikäisenä rakennesahatavarana. Puunmuodostuksen teoreettisen taustan mukaisesti, runko, latvus ja oksarakenne ovat potentiaalisia selittäviä muuttujia (eli puun laatuindikaattoreita), kun mallinnetaan puuaineen ominaisuuksia, puubiomassaa ja puun laatua. Puunmuodostuksen monimutkaisuudesta ja moniulotteisesta vaihtelusta johtuen, tarvittavien laatuidikaattorien mittaaminen osana metsävarojen inventointia ja riittävällä yksityiskohtaisuudella on ollut aiemmin mahdotonta. Monialustaisen laserkeilauksen kehittyminen kuitenkin tukee aiempaa monipuolisempien kartoitus- ja mallinnusjärjestelmien rakentamista, jotka perustuvat tiheisiin kolmiulotteisiin pistepilviin. Tämän työn tavoitteena oli määritellä, kuinka puuaineen ominaisuuksia voidaan arvioida kaukokartoitusta hyödyntävässä metsävarojen inventoinnissa. Tätä tarkoitusta varten kehitettiin menetelmiä puun laatuindikaattorien mittaamiseksi hoidetuissa männiköissä (Pinus sylvestris L.) lento- ja maastolaserkeilauksen avulla, ja arvioitiin niiden toimivuutta. Ensin arvioitiin laatuindikaattorien mittatarkkuus pistepilvissä. Toiseksi verrattiin pistepilvimittauksia röntgentomografiamittauksiin teollisilla sahoilla. Kolmanneksi arvioitiin lentolaserkeilauksella tuotettujen latvuspiirteiden tarkkuutta laatuindikaattorien ennustamisessa. Tuloksien perusteella pistepilvien laatu ja pistetiheys vaikuttivat merkittävästi mitattujen laatuindikaattorien tarkkuuteen. Puuaineen ominaisuuksien arvioimisessa, maastolaserkeilausta tulisi käyttää työkaluna mahdollisimman yksityiskohtaisten runko- ja oksikkuustietojen keräämiseen tarkkaan valikoiduista näytepuista. Tarkasti mitatut laatuindikaattorit voivat selittää puuaineen ominaisuuksia mallinnuksessa. Käytettyjen mallien tulisi perustua laatuindikaattoreille, jotka voidaan ennustaa lentolaserkeilausaineistosta (esim. puun pituus ja latvuksen mittasuhteet), jotta ennusteet ovat yleistettävissä laajoille alueille. Tulevaisuudessa, maasta ja ilmasta tehtävällä kaukokartoituksella voi olla tärkeä rooli puuaineen ominaisuuksien aikaan ja paikkaan sidotun vaihtelun tutkimuksessa. Lisää poikkitieteellistä työtä tarvitaan, jotta kaukokartoitusta ja puuaineen ominaisuuksia ennustavia spatiaalisia malleja voidaan täysimittaisesti hyödyntää kiihtyvän ilmastonmuutoksen, muuttuvan metsänhoidon ja lisääntyvän puunkäytön tuomien haasteiden kohtaamisessa

Ilmalaserkeilausaineistojen vertailu perustuen kattojen ominaisuuksiin

Laser scanning is nowadays one of the most important technology in geospatial data collection. The technique has developed together with the other technologies and sciences, and the systems can be used with many different platforms on land, in the ocean and in the air. Airborne laser scanning (ALS) started right after the invention of the laser in 1960’s and the usage grew in 1990’s, when the first commercial system was released. The development has augmented the ways of surveying and the systems have new features and more options to collect as accurate data as possible. Several wavelengths and higher frequencies able thousands or even millions of measurements per second. The multispectral systems enable the characterization of the targets from the spectral information which helps for example in the data classification. Single photon technique provides higher imaging capability with lower costs and is used in the extensive topographic measurements. The processing of the point clouds are more important when the densities grow and the amount of noise points is higher. The processing usually includes preprocessing, data management, classification, segmentation and modeling to enable the analyzing of the data. The goal of the thesis is to compare and analyze the datasets of five different airborne laser scanners. The conventional LiDAR datasets are collected from low altitude helicopter with the Riegl’s VUX-1HA and miniVUX-1UAV systems. The state-of-the-art sensors, Titan multispectral LiDAR (Teledyne Optech) and SPL100 single photon LiDAR (Leica), are used in the data collection from the aircraft. The data is collected from the urban area of Espoonlahti, Finland, and the comparison is based on the roof features. Other land cover classes are left out from the investigation. From the roof features are investigated the differences, accuracies and qualities between the datasets. The urban environment was selected because the lack of ALS research done for the built environment, especially in Finland. The thesis introduces the background of the airborne laser scanning, theories and literature review, materials and methods used in the project. The laser scanners used in the work produce dense point clouds, where the most dense is up to 80 pts/m2. Based on the results the accuracies vary mainly between 0 and 10 cm. The scanners with infrared wavelengths produce better than 10 cm accuracies for the outlines of the roofs, unlike the green wavelength scanners. The differences in the corner coordinates are between 1 and 8 cm with a few exceptions. SPL100 system has the best height accuracy of 4.2 cm and otherwise the accuracies vary between 5 and 10 cm. The largest deviation compared to the roof planes occurs in the miniVUX-1UAV data (over 5 cm). For the surface areas the infrared frequencies produce differences of 0 to 2 percent from the reference data, whereas the differences of the green wavelength are mainly 1 to 7 percent. For the inclinations no significant differences were observed.Laserkeilaus on nykyään yksi tärkeimmistä tekniikoista geospatiaalisen tiedon keräämisessä. Tekniikka on kehittynyt yhdessä muiden teknologioiden ja tieteiden kanssa, ja järjestelmiä voidaan käyttää monilla eri alustoilla maassa, meressä ja ilmassa. Ilmalaserkeilaus (ALS) alkoi heti laserin keksimisen jälkeen 1960-luvulla ja käyttö kasvoi 1990-luvulla ensimmäisen kaupallisen järjestelmän julkaisun jälkeen. Kehitys on lisännyt mittaustapoja ja järjestelmien ominaisuuksien parantuessa on enemmän vaihtoehtoja kerätä tarkkaa aineistoa. Useilla aallonpituuksilla ja korkeammilla taajuuksilla pystytään tekemään tuhansia tai jopa miljoonia mittauksia sekunnissa. Monispektriset järjestelmät mahdollista-vat kohteiden tunnistamisen spektritietojen (aallonpituuksien jakauman) mukaan, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi aineistojen luokittelussa. Yksifotoni–tekniikka mahdollistaa suuremman mittauskyvyn pienemmällä kustannuksella (energiankulutus) ja sitä käytetään laajojen alueiden mittauksissa. Pistepilvien käsittely on entistä tärkeämpää kun tiheydet kasvavat ja virhepisteiden määrä on suurempi. Prosessointiin kuuluu yleensä esikäsittely, tiedonhallinta, luokittelu, segmentointi ja mallinnus, ennen aineiston analysointia. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on vertailla ja analysoida viiden eri ilmalaserkeilaimen tuottamia aineistoja. Ns. tavanomaiset LiDAR–aineistot on kerätty matalalla lentävästä helikopterista Rieglin VUX-1HA ja miniVUX-1UAV –keilaimilla. Viimeisintä tekniikkaa edustavat Titan monispektri LiDAR (Teledyne Optech) ja SPL100 single photon LiDAR (Leica) -aineistot on kerätty lentokoneesta. Aineistot on kerätty Espoonlahden alueelta ja vertailu perustuu kattojen ominaisuuksiin. Muut maanpinnan kohteet jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Pistepilvien perusteella tutkitaan aineistojen välisiä eroja, tarkkuuksia ja muita ominaisuuksia. Kaupunkiympäristö valittiin kohteeksi vähäisen rakennetun ympäristön ALS–tutkimuksen takia etenkin Suomessa. Opinnäytetyössä esitellään ilmalaserkeilauksen taustaa, teoriaa ja tehdään kirjallisuuskatsaus aiheeseen liittyen, sekä käydään läpi projektissa käytetyt aineistot ja menetelmät. Työssä käytetyt keilaimet tuottavat tiheitä pistepilviä, joista tihein on jopa 80 pistettä/m2. Tulosten perusteella tarkkuudet vaihtelevat pääosin 0 – 10 cm välillä. Kattolinjojen kohdalla infrapuna-aallonpituutta käyttävät keilaimet pääsevät alle 10 cm, toisin kuin vihreän aallonpituuden keilaimet. Kattojen kulmakoordinaattien erot ovat 1 – 8 cm välillä muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Korkeuksissa paras tarkkuus on SPL100 laserkeilaimella 4.2 cm, ja muuten ollaan 5 – 10 cm tarkkuuksissa. Suurimmat hajaumat tasoon verrattaessa syntyy miniVUX-1UAV aineistoon (yli 5 cm). Pinta-aloissa infrapunataajuudet tuottavat 0 – 2 prosentin eroja vertailuaineistoon, kun taas vihreällä aallonpituudella erot ovat pääosin 1 – 7 prosenttia. Kaltevuuskulmissa ei havaittu merkittäviä eroja