Predicting Forest Inventory Attributes Using Airborne Laser Scanning, Aerial Imagery, and Harvester Data

The aim of the study was to develop a new method to use tree stem information recorded by harvesters along operative logging in remote sensing-based prediction of forest inventory attributes in mature stands. The reference sample plots were formed from harvester data, using two different tree positions: harvester positions (XYH) in global satellite navigation system and computationally improved harvester head positions (XYHH). Study materials consisted of 158 mature Norway-spruce-dominated stands located in Southern Finland that were clear-cut during 2015–16. Tree attributes were derived from the stem dimensions recorded by the harvester. The forest inventory attributes were compiled for both stands and sample plots generated for stands for four different sample plot sizes (254, 509, 761, and 1018 m2). Prediction models between the harvester-based forest inventory attributes and remote sensing features of sample plots were developed. The stand-level predictions were obtained, and basal-area weighted mean diameter (Dg) and basal-area weighted mean height (Hg) were nearly constant for all model alternatives with relative root-mean-square errors (RMSE) roughly 10–11% and 6–8%, respectively, and minor biases. For basal area (G) and volume (V), using either of the position methods, resulted in roughly similar predictions at best, with approximately 25% relative RMSE and 15% bias. With XYHH positions, the predictions of G and V were nearly independent of the sample plot size within 254–761 m2. Therefore, the harvester-based data can be used as ground truth for remote sensing forest inventory methods. In predicting the forest inventory attributes, it is advisable to utilize harvester head positions (XYHH) and a smallest plot size of 254 m2. Instead, if only harvester positions (XYH) are available, expanding the sample plot size to 761 m2 reaches a similar accuracy to that obtained using XYHH positions, as the larger sample plot moderates the uncertainties when determining the individual tree position

Operational prediction of forest attributes using standardised harvester data and airborne laser scanning data in Sweden

With cut-to-length harvesters, tree stems are measured and cut into different timber assortments at the time of felling. These measurement data collected from harvested trees can be used for decision-support at different levels of the forest industry chain and also for forest planning when combined with remote sensing data. The aim of this study was to examine the operational application for predicting merchantable stem volume, basal area, basal area-weighted mean tree height, basal area-weighted mean stem diameter and diameter distribution at stand level with airborne laser scanning data and harvester data from final felling operations. The area-based approach using k-MSN estimation was evaluated for six different variants of spatial partitioning. The results were stand level predictions with relative root mean square errors of 11-14%, 10-15%, 3-4% and 6-7% for merchantable stem volume, basal area, basal area-weighted mean tree height and basal area-weighted mean stem diameter, respectively. Predictions of stem diameter distributions resulted in error indices of 0.13-0.14. The results demonstrate that harvester data from cut forests may serve as ground truth to airborne laser scanning data and provide accurate forest estimates at stand level. The predicted diameter distributions could be useful for improving yield estimates and bucking simulations

Outlook for the Next Generation's Precision Forestry in Finland

Peer reviewe

Machine Learning Approaches for Natural Resource Data

Abstract Real life applications involving efficient management of natural resources are dependent on accurate geographical information. This information is usually obtained by manual on-site data collection, via automatic remote sensing methods, or by the mixture of the two. Natural resource management, besides accurate data collection, also requires detailed analysis of this data, which in the era of data flood can be a cumbersome process. With the rising trend in both computational power and storage capacity, together with lowering hardware prices, data-driven decision analysis has an ever greater role. In this thesis, we examine the predictability of terrain trafficability conditions and forest attributes by using a machine learning approach with geographic information system data. Quantitative measures on the prediction performance of terrain conditions using natural resource data sets are given through five distinct research areas located around Finland. Furthermore, the estimation capability of key forest attributes is inspected with a multitude of modeling and feature selection techniques. The research results provide empirical evidence on whether the used natural resource data is sufficiently accurate enough for practical applications, or if further refinement on the data is needed. The results are important especially to forest industry since even slight improvements to the natural resource data sets utilized in practice can result in high saves in terms of operation time and costs. Model evaluation is also addressed in this thesis by proposing a novel method for estimating the prediction performance of spatial models. Classical model goodness of fit measures usually rely on the assumption of independently and identically distributed data samples, a characteristic which normally is not true in the case of spatial data sets. Spatio-temporal data sets contain an intrinsic property called spatial autocorrelation, which is partly responsible for breaking these assumptions. The proposed cross validation based evaluation method provides model performance estimation where optimistic bias due to spatial autocorrelation is decreased by partitioning the data sets in a suitable way. Keywords: Open natural resource data, machine learning, model evaluationTiivistelmä Käytännön sovellukset, joihin sisältyy luonnonvarojen hallintaa ovat riippuvaisia tarkasta paikkatietoaineistosta. Tämä paikkatietoaineisto kerätään usein manuaalisesti paikan päällä, automaattisilla kaukokartoitusmenetelmillä tai kahden edellisen yhdistelmällä. Luonnonvarojen hallinta vaatii tarkan aineiston keräämisen lisäksi myös sen yksityiskohtaisen analysoinnin, joka tietotulvan aikakautena voi olla vaativa prosessi. Nousevan laskentatehon, tallennustilan sekä alenevien laitteistohintojen myötä datapohjainen päätöksenteko on yhä suuremmassa roolissa. Tämä väitöskirja tutkii maaston kuljettavuuden ja metsäpiirteiden ennustettavuutta käyttäen koneoppimismenetelmiä paikkatietoaineistojen kanssa. Maaston kuljettavuuden ennustamista mitataan kvantitatiivisesti käyttäen kaukokartoitusaineistoa viideltä eri tutkimusalueelta ympäri Suomea. Tarkastelemme lisäksi tärkeimpien metsäpiirteiden ennustettavuutta monilla eri mallintamistekniikoilla ja piirteiden valinnalla. Väitöstyön tulokset tarjoavat empiiristä todistusaineistoa siitä, onko käytetty luonnonvaraaineisto riittävän laadukas käytettäväksi käytännön sovelluksissa vai ei. Tutkimustulokset ovat tärkeitä erityisesti metsäteollisuudelle, koska pienetkin parannukset luonnonvara-aineistoihin käytännön sovelluksissa voivat johtaa suuriin säästöihin niin operaatioiden ajankäyttöön kuin kuluihin. Tässä työssä otetaan kantaa myös mallin evaluointiin esittämällä uuden menetelmän spatiaalisten mallien ennustuskyvyn estimointiin. Klassiset mallinvalintakriteerit nojaavat yleensä riippumattomien ja identtisesti jakautuneiden datanäytteiden oletukseen, joka ei useimmiten pidä paikkaansa spatiaalisilla datajoukoilla. Spatio-temporaaliset datajoukot sisältävät luontaisen ominaisuuden, jota kutsutaan spatiaaliseksi autokorrelaatioksi. Tämä ominaisuus on osittain vastuussa näiden oletusten rikkomisesta. Esitetty ristiinvalidointiin perustuva evaluointimenetelmä tarjoaa mallin ennustuskyvyn mitan, missä spatiaalisen autokorrelaation vaikutusta vähennetään jakamalla datajoukot sopivalla tavalla. Avainsanat: Avoin luonnonvara-aineisto, koneoppiminen, mallin evaluoint

Multisource Single-Tree Inventory in the Prediction of Tree Quality Variables and Logging Recoveries

Peer reviewe

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

A method for using harvester data in airborne laser prediction of forest variables in mature coniferous stands

Behovet av tillförlitlig skoglig information för planering i skogsbruket har resulterat i en utveckling av olika inventeringsmetoder. Kostnaden styr ofta valet av inventeringsmetod och frekvensen av inventeringar, vilket påverkar kvaliteten på den information som finns tillgänglig för skogsförvaltare. Objektivt inventerade provytor har varit vanliga som referensdata för att skatta skogliga variabler från fjärranalysdata. Ett alternativ till fält inventering, som ännu inte har undersökts i nämnvärd utsträckning är skördardata. Syftet med denna studie var att utveckla en metod för att skatta skogliga variabler med flygburen laserskanningsdata och skördaruppgifter och utvärdera skattningsnoggrannheten i metoden. Studien begränsades till volym/ha, aritmetisk medehöjd och aritmetisk medeldiameter i brösthöjd. Den area baserad metoden användes och skattningar med både regressionsanalys och k-MSN utvärderades. Resultaten av denna studie var beståndsvisa skattningar med ett relativt medelfel för volym, höjd och diameter på 11%, 5% och 8% . Tidigare studier i Skandinavien har med hjälp av flygburen laserskanningsdata och fältytor, skattat bestånds volym, grundytevägd medelhöjd och grundytevägd medeldiameter med ett relativt medelfel på 11-14%, 3-6% och 9-13% för respektive variabel (Næsset 2007). Denna studie visar att bra skattningar kan uppnås utan kunskap om exakta trädpositioner genom att använda tillgängliga skördardata från befintliga avverkningar och flygburen laserskanningsdata från Lantmäteriets nationella projekt. Resultaten visar med andra ord att skördardata kan vara en användbar källa till referensdata för fjärranalystillämpningar.The need for reliable information for forestry planning has resulted in the development of different inventory methods. Cost often regulates the choice of inventory method and the frequency of inventories, which affects the quality of the information available to the forest managers. Objectively surveyed field plots have been common reference data for predicting forest variables with remote sensing data. An alternative, which has not yet been extensively explored, is data collected from mechanical harvesting operations. The purpose of this study was to develop a method for predicting forest variables with airborne laser scanning (ALS) data and harvester data, and to evaluate the accuracy of the method. The study was limited to volume, arithmetic mean height and arithmetic mean diameter at breast height. The area based method was used in this study, prediction with both regression analysis and k-MSN was evaluated. The results were stand level predictions with a relative RMSE of 11%, 5% and 8% for volume, height and diameter respectively. Previous Scandinavian studies have, using ALS data and training plots, predicted stand volume, basal area weighted height and basal area weighted diameter with a relative RMSE of 11-14%, 3-6% and 9-13%, respectively (Næsset, 2007). Good predictions can be achieved without knowledge of precise tree positions by using available data from actual harvester operations and ALS data from Lantmäteriets national scanning. The results suggest that harvester data can be a useful source of training data for remote sensing applications

Comparison of Errors Produced by ABA and ITC Methods for the Estimation of Forest Inventory Attributes at Stand and Tree Level in Pinus radiata Plantations in Chile

Airborne laser scanning (ALS) technology is fully implemented in forest resource assessment processes, providing highly accurate and spatially continuous results throughout the area of interest, thus reducing inventory costs when compared with traditional sampling inventories. Several approaches have been employed to estimate forest parameters using ALS data, such as the Area-Based Approach (ABA) and Individual Tree Crown (ITC). These two methodologies use different information processing and field data collection approaches; thus, it is important to have a selection criterion for the method to be used based on the expected results and admissible errors. The objective of this study was to compare the prediction errors of forest inventory attributes in the functioning of ABA and ITC approaches. A plantation of 500 ha of Pinus radiata (400–600 trees ha−1) in Chile was selected; a forest inventory was conducted using the ABA and ITC methods and the accuracy of both methods was analyzed. The ITC models performed better than the ABA models at low tree densities for all forest inventory attributes (15% MAPE in tree density—N—and 11% in volume—V). There was no significant difference in precision regarding the volume and basal area (G) estimations at medium densities, although ITC obtained better results for density and dominant height (Ho). At high densities, ABA performed better for all the attributes except for height (6.5% MAPE in N, 8.7% in G, and 8.9% in V). Our results showed that the precision of forest inventories based on ALS data can be adjusted depending on tree density to optimize the selected approach (ABA and ITC), thus reducing the inventory costs. Hence, field efforts can be greatly decreased while achieving better prediction accuracies