Aplicação da varredura laser terrestre em plantios clonais de Eucalyptus spp para determinação do número de árvores e estudos diamétricos

Orientador : Profª. Drª. Christel LingnauCoorientadores : Prof. Dr. Alvaro Muriel Lima Machado e Prof. Dr. Afonso Figueiredo FilhoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa: Curitiba, 28/05/2015Inclui referências : f. 79-85Área de concentração : Manejo florestalResumo: O objetivo desta pesquisa foi avaliar a aplicação da varredura laser terrestre simples e múltipla na detecção de árvores e na determinação do DAP em plantios clonais de Eucalyptus spp, considerando diferentes posicionamentos do equipamento e tamanho de unidades amostrais. O equipamento Trimble TX5 foi posicionado no centro e em quatro pontos externos à unidade amostral circular formando um quadrilátero. A varredura simples foi testada apenas com a posição do equipamento no centro da unidade amostral. Para varreduras múltiplas foram avaliadas dois e três arranjos de varredura, as quais levam em consideração a posição do equipamento em relação às linhas de plantio. A detecção automática de árvores foi realizada a partir do algoritmo baseado em uma malha de projeção de pontos 2D, onde unidades amostrais circulares de 200, 300 e 400 m² foram avaliadas. A determinação do DAP foi realizada pelo algoritmo de distância máxima, considerando os diferentes tamanhos das unidades amostrais para varreduras simples e múltiplas. A varredura simples, para a idade de 2 anos sem desrama, apresentou ótimos resultados, sendo que 100% das árvores em unidades amostrais de 200 e 300 m² foram detectadas. Para as idades de 2, 4,5 e 5,5 anos em unidades amostrais de 300 e 400 m², não foi possível a detecção de 100% das árvores com varredura simples, pois à medida que aumenta o diâmetro a acurácia diminui. A análise sobre varreduras múltiplas com dois posicionamentos do equipamento laser possibilitou a detecção de 100% das árvores nos três tamanhos de unidades amostrais até a idade de 4,5 anos. Para a idade de 5,5 anos, verificou-se a necessidade de empregar três varreduras para detecção de todas as árvores devido aos maiores diâmetros. A determinação do diâmetro médio para todas as idades não apresentou diferença estatística no nível de 95% de probabilidade, com erros variando entre -5,3% a 4,7%. Os resultados indicam que o número de varreduras com o intuito de detectar 100% das arvores está relacionado principalmente com o DAP médio, considerando o espaçamento de plantio neste estudo de caso.Abstract: The objective of this research was to evaluate the use of single and multiple terrestrial laser scanning in detecting trees and in determining DBH in clonal plantations of Eucalyptus spp at varying equipment locations and in varying sample unit sizes. Trimble TX5 units were positioned in the center and at four locations external to the circular sample unit in the form of a quadrilateral. A simple scan was tested only at the center location of each sample unit. For multiple scans two and three scanning arrangements were assessed, taking into account the position of the equipment with respect to the plantation rows. Automatic detection was performed on trees using an algorithm based on grid of 2D projection points where circular sampling units of 200, 300 and 400 m² were evaluated. DBH was determined using the maximum distance algorithm, considering both the various sample unit sizes and single or multiple scan regime. A simple scan of a 2-year-old unpruned trees yielded excellent results, with 100% detection of the trees in sampling units within 200 and 300 meters. Meanwhile 100% of 2, 4.5 and 5.5-year-old trees in sample units of 300 and 400 m², could not be detected with a simple scan, because as diameter increases accuracy decreases. The analysis of multiple scans using laser equipment placed at two locations enabled detection of 100% of the trees in three sample unit sizes in trees up to 4.5 years old. At age 5.5 years, three scans were required to detect all trees because of their larger diameters. There was no statistical difference (at 95% probability) between mean diameters of an age group, with errors ranging from -5.3% to 4.7%. Results indicate that in order to detect 100% of the trees, the number of scans depends largely on the average DBH, given the plant spacing in this case study

TERRESTRIAL LASER SCANNER FOR METRIC EXTRACTION IN EUCALYPTUS UNDER DIFFERENT IMPLANTATION SYSTEMS

This study evaluates the influence of the cropping system in the extraction of Eucalyptus benthamii metrics by terrestrial laser scanner (TLS) and by traditional inventory. The hypothesis is that the extraction methods do not differ significantly from each other. The study area consists of a conventional planting system under 3 x 2 m spacing, and a CFI (crop-forest integration) system under 14 x 2 m spacing. To obtain the variables DBH (diameter at 1.3 m aboveground) and total height (H), we used a traditional inventory and collected data with TLS. For point cloud processing, we manually extracted the metrics DBH and H by simple scanning. We estimated total volume (V) by a fitted equation that matches the characteristics of the study area. To estimate above-ground biomass (AGB), we fitted models based on AGB data provided by the NITA project and by BIOFIX. Better visualization of trees in the CFI system facilitated metric extraction, leading to less data variability. In addition, DBH, V, and AGB values were higher in the CFI system compared to the conventional system. However, when including the number of trees per hectare, the conventional system is more productive. The initial hypothesis was confirmed. Therefore, metric extraction using the traditional inventory and TLS methods did not differ significantly for the two cropping systems considered

Uso do Geoprocessamento no Estudo da Dinâmica e Fitossociologia da Floresta com Araucária

This paper aimed to show the potential use of GIS as an auxiliarytool in studies on phytosociology and dynamics of natural forests. A spatialdata model was made base on measured dendrometric features and the spaceposition of the trees carried out at an experimental area of the NationalForest of Irati, Paraná State, Brazil. The area has six hectars and is formed by Araucarian Forest in 24 experimental blocks of 0.25 hectars each. It waspossible to visualize the spacial distribution of different tree species of thisexperimental area, as well as to stablish relationship between different speciesand their atributes through spacial consulting, by logic or boolean expressionand by groups. The study showed that spatialization of a continuous largesampling area of this forest in a GIS facilitates interpretation of itsfisionomics and structural features. Elsewhere, allows detailed analysis thatturns phytosociological and dynamical interpretation easier.Este trabalho mostra o potencial do uso de um sistema de informaçõesgeográficas como ferramenta auxiliar em estudos de fitossociologiae dinâmica de florestas naturais. Um modelo de dados espacial foi elaboradoa partir de medidas dendrométricas e da posição espacial das árvoresobtidas em uma área experimental da Floresta Nacional de Irati, Paraná,Brasil. A área possui 6 hectares e é formada por 24 blocos experimentais de0,25 hectare cada um. Foi possível visualizar a distribuição espacial de diferentesespécies da área experimental, como também estabelecer relaçõesentre as diferentes espécies e seus respectivos atributos através de consultasespaciais, por expressões lógicas ou por agrupamento. O estudo mostrouque a espacialização de uma área extensa e contínua de floresta nosistema de informações geográficas facilita a interpretação de característicasestruturais e fisionômicas da floresta. Por outro lado, permite análisesdetalhadas com mais facilidade e a interpretação de aspectos defitossociologia e dinâmica da floresta.Palavras-chave: geoprocessamento, silvicultura de precisão, floresta deAraucaria, espacialização de experimento florestal

Elaboração de um software para estimativas de população de árvores

Abstract. Digital image processing techniques associated with remote sensing technology through remotely piloted aircraft (RPAs) can be important tools in the forestry sector. The objective of this work was to develop a software module, based on the concept of local maximum filtering, to estimate a forest population through the identification of tree canopies in images obtained by RPA. The RGB (red, green and blue) were used for calculating brightness and the limit point was considered as the copies. The software module had a satisfactory performance for the prediction of crown counts in a forest area in Irati - PR, characterized by an accuracy of 86%. Resumo. As técnicas de processamento digital de imagem associadas a tecnologia de sensoriamento remoto por meio de aeronaves remotamente pilotadas (RPAs) podem ser importantes instrumentos no segmento florestal. Tendo em vista a necessidade de conhecimento do número de árvores em áreas de reflorestamento de pinus Taeda, este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um módulo de software, baseado no conceito de filtragem de máximos locais, para estimar a população florestal através da identificação das copas das árvores em imagens obtidas por RPA. Foram utilizados os canais RGB (vermelho, verde e azul) para cálculo de brilho e considerou-se que as copas seriam o ponto de máximo deste. O módulo de software desenvolvido resultou em um desempenho satisfatório para predição de contagem de copas em uma área florestal localizada em Irati – PR, apresentando uma acurácia de 86%

Delineamento de copas de Araucaria angustifolia utilizando lógica Fuzzy em imagens Quickbird II

O presente estudo consistiu do uso da técnica de classificação orientada ao objeto, utilizando o algoritmo K Nearest Neighbor, e baseada em regras com uso da lógica Fuzzy para mapear copas de Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze em um fragmento de Floresta Ombrófila Mista (FOM), localizada na Floresta Nacional de Irati, PR (Brasil), utilizando imagem de alta resolução Quickbird II. Primeiramente foi efetuado o trabalho de campo para coleta de informações sobre a espécie com base em fotografias aéreas em escala 1:2000, para validação dos resultados da classificação. A imagem Quickbird II foi fusionada pelo método de Gram-Schmidt, pelo qualrealizou-se a segmentação da imagem utilizando níveis de escalas iguais para ambos os métodos, sendo 80 para a segmentação e 90 para a opção merge segments. Na classificação orientada ao objeto foram testados dois métodos, sendo um supervisionado e outro utilizando regras de classificação com a composição das bandas 4R, 3G e 2B. Para as classes tipológicas Araucaria angustifolia e Folhosas foram destacadas as regras espectrais como valores mínimos e máximos da banda infravermelho próximo, e as regras referentes ao NDVI (razão de bandas), e o atributo espacial “área”. Para a classe sombra destacaram-se as regras de “intensidade” e valores espectrais, como valores máximos e mínimos da banda verde. O acerto para os métodos supervisionado e por regras foi classificado como excelente, com valores de Kappa de 0,83 e 0,82 respectivamente. Tanto a classificação por regras como supervisionada utilizando a lógica fuzzy, mostraram-se acuradas no delineamento das copas de Araucária

Elaboração de um software para estimativas de população de árvores

Abstract. Digital image processing techniques associated with remote sensing technology through remotely piloted aircraft (RPAs) can be important tools in the forestry sector. The objective of this work was to develop a software module, based on the concept of local maximum filtering, to estimate a forest population through the identification of tree canopies in images obtained by RPA. The RGB (red, green and blue) were used for calculating brightness and the limit point was considered as the copies. The software module had a satisfactory performance for the prediction of crown counts in a forest area in Irati - PR, characterized by an accuracy of 86%. Resumo. As técnicas de processamento digital de imagem associadas a tecnologia de sensoriamento remoto por meio de aeronaves remotamente pilotadas (RPAs) podem ser importantes instrumentos no segmento florestal. Tendo em vista a necessidade de conhecimento do número de árvores em áreas de reflorestamento de pinus Taeda, este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um módulo de software, baseado no conceito de filtragem de máximos locais, para estimar a população florestal através da identificação das copas das árvores em imagens obtidas por RPA. Foram utilizados os canais RGB (vermelho, verde e azul) para cálculo de brilho e considerou-se que as copas seriam o ponto de máximo deste. O módulo de software desenvolvido resultou em um desempenho satisfatório para predição de contagem de copas em uma área florestal localizada em Irati – PR, apresentando uma acurácia de 86%

Avaliação da modelagem tridimensional do tronco de Pinus elliottii a partir de dados laser terrestre Evaluation of three-dimensional trunk modeling of Pinus elliottii from terrestrial laser data

Este trabalho teve como objetivo realizar a cubagem de uma árvore utilizando modelagem tridimensional da nuvem de pontos laser scanner terrestre e comparar os resultados com a cubagem rigorosa tendo o valor obtido no xilômetro como parâmetro para validação. O objeto de estudo foi um indivíduo de Pinus elliottii de um povoamento inequiâneo. A árvore foi submetida a varredura múltipla com laser scanner terrestre e mensurada em campo após ser derrubada. Para facilitar a operacionalização no xilometro o tronco foi divido em seções (toras) de um metro de comprimento. A modelagem tridimensional consistiu em duas etapas: préprocessamento e processamento da nuvem de pontos. Modelos tridimensionais das toras foram construídos com rede triangular irregular possibilitando a obtenção dos volumes e a comparação com a cubagem de Huber (fita métrica e suta). A avaliação dos resultados indica que os volumes, utilizando a modelagem tridimensional de dados laser, foram mais próximos do valor paramétrico nas seções iniciais livres de galhos e acículas. Para as demais seções, o método de Huber utilizando dados da suta é apontado como mais adequado. Foi possível constatar que na parte superior da árvore a alta densidade de acículas impediu que a varredura laser alcançasse a superfície do tronco, impossibilitando a modelagem tridimensional. O desenvolvimento da filtragem automática de pontos que não representam a superfície do tronco e a reconstrução da parte superior da árvore devem ser aprimorados para melhoria dos resultados obtidos na modelagem tridimensional. Abstract This study aimed at performing the cubage of a tree using the three-dimensional modeling of a terrestrial laser scanner point cloud and compare the results with the cubage using the value obtained in xylometer as parameter for validation. The object of study was an individual of Pinus elliottii. The tree was subjected to multiple scan with terrestrial laser scanner and measured in the field after overthrown. To facilitate the operationalization in xylometer the trunk was divided into sections (logs) of a meter long. The three-dimensional modeling consisted of two stages: pre-processing and processing the point cloud. Three-dimensional models were built of logs with triangular irregular network enabling the achievement of volumes compared to cubage Huber (tape measure and calipers). The evaluation of results indicates that the volume measurements obtained by using three-dimensional modeling of laser data was closer to the parametric value in the initial sections of the trunk, till the free section of branches. For other sections, the method using data from Huber caliper is pointed out as more appropriate. It was found that at the top of tree the high density of needles prevented the scanning laser to reach the surface of the trunk, and thus preventing the three-dimensional modeling. The development of automatic filtering of points which do not represent the surface of the trunk and the reconstruction of the top of the tree should be studied to improve the results obtained in three-dimensional modeling

AVALIAÇÃO DA VARREDURA LASER TERRESTRE EM DIFERENTES DISTÂNCIAS DA ÁRVORE PARA MENSURAR VARIÁVEIS DENDROMÉTRICAS

O laser scanner terrestre é uma alternativa para a coleta de dados dendrométricos em campo sem a necessidade da derrubada da árvore. Assim, este estudo teve como objetivo avaliar a influência da distância da varredura laser terrestre na determinação das variáveis dendrométricas. Foram analisadas duas árvores com altura total de 17,14 m e 16,00 m. A varredura laser foi realizada a 5, 10, 15 e 20 m de distância da árvore. Os diâmetros foram obtidos em alturas parciais até o topo da árvore. Os resultados obtidos com a varredura laser foram validados com as medidas obtidas tradicionalmente em campo com suta e trena. A melhor distância para a obtenção das variáveis dendrométricas foi de 15 m para ambas as árvores. As distâncias menores que 10 m não foram indicadas para a mensuração das duas árvores analisadas. A determinação da altura total foi coerente com as medidas paramétricas. Foi possível a determinação de diâmetros até 55% da altura total e, acima, a ramificação da árvore resultou em uma super ou subestimativa. A melhor distância de varredura possivelmente está atrelada à altura da árvore

DETERMINAÇÃO DE ALTURA EM Pinus taeda L. UTILIZANDO VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO

Este trabalho teve como objetivo determinar a altura total, de 30 árvores em um plantio de Pinus taeda, com apoio de tecnologias de geoprocessamento. Obteve-se a alturas por meio de aerolevantamento e também com o método convencional (com hipsômetro), avaliando estatisticamente os resultados. Foram adquiridas imagens com Aeronave Remotamente Pilotada (ARP), utilizando pontos de controle, que serviram para a relação das coordenadas da imagem com as do terreno. A geração do Modelo Digital do Terreno (MDT), foi realizada por meio de topografia convencional, fornecendo dados para a planialtimetria local, ao longo do alinhamento do plantio. Para obtenção das alturas, aplicou-se a subtração entre as altitudes do MDS e do MDT, sendo consideradas como tratamento 1. Com hipsômetro, foram mensuradas as alturas das mesmas árvores, sendo consideradas como tratamento 2 e posteriormente foi aplicado teste t, para a comparação entre as médias, usando significância estatística de 5% de probabilidade. Foi observada a diferença média de 4,05%, entre tratamentos, fato que orienta a viabilidade da metodologia através do uso de imagens obtidas por ARP, havendo diferença estatística significativa entre diferentes formas de obtenção dos dados. Porém, verificou-se a maior precisão e menor dispersão, naqueles dados coletados com metodologia apoiada por imagem, sendo necessário destacar que o hipsômetro, é um método indireto de medição, que apresentar sub ou superestimado das alturas.Palavras-chave: aerolevantamento; mensuração florestal; modelo digital de terreno; modelo digital de superfície. DETERMINATION OF HEIGHT In Pinus taeda L. USING UNCONSCIOUS AIR VEHICLE ABSTRACT: The objective of this work was to determine the total height of 30 trees in a plantation of Pinus taeda, with the support of geoprocessing technologies. Height was obtained by means of aerial survey and also with the conventional method (with hypsometer), statistically evaluating the results. Images were obtained with Remotely Pilot Aircraft (ARP), using control points, which served to relate the coordinates of the image with those of the terrain. The generation of the Digital Terrain Model (TDM) was performed by means of conventional topography, providing data for local planialtimetry along the alignment of the plantation. In order to obtain the heights, the subtraction was applied between the MDS and MDT altitudes, being considered as treatment 1. With a hypsometer, the heights of the same trees were measured, being considered as treatment 2 and later t-test was applied for the comparison between means, using statistical significance of 5% probability. The mean difference of 4.05% between treatments was observed. This fact guides the viability of the methodology through the use of ARP images, and there is a statistically significant difference between different ways of obtaining the data. However, it was verified the greater precision and less dispersion, in those data collected with methodology supported by image, being necessary to emphasize that the hypsometer, is an indirect method of measurement, that presents sub or overestimated of the heights.Keywords: aerial survey; forest mensuration; digital terrain model; digital surface model

Eficiência de diferentes métodos de filtragem da nuvem de pontos na varredura Laser Terrestre para a obtenção de dados dendrométricos

The terrestrial laser scanner presents itself as an interesting to dendrometric data collection. However, for determination of dendrometric variables are necessary efficient filtering methods for eliminate soil, branches and crown points. Considering this, the aim of this paper was testing two differents filtering methods for determination of diameters in different heights in a Pinus taeda (L.) tree. The data collection was made through laser scanning, using the Leica HDS3000 equipment fixed in one single point. After cutting down tree, diameters were obtained in different stem parts, from base to top with a caliper and total height, first branches and crown heights with a tape. Were made manual and automatic filtering. The filtering were efficient a mean of 55% of total height when compared diameters with laser data and traditional methods of measurements. Above this, the absence of data representing the stem surface due the canopy did not allow the stem modeling. Would be interesting methods with recover this data in canopy region. The manual filter filtered a little bit more of the stem when compared with automatic filter, however the automatic method gains with the processing velocity.Pages: 6185-619