Characterizing understory vegetation in Mediterranean forests using full-waveform airborne laser scanning data

[EN] The use of laser scanning acquired from the air, or ground, holds great potential for the assessment of forest structural attributes, beyond conventional forest inventory. The use of full-waveform airborne laser scanning (ALSFW) data allows for the extraction of detailed information in different vertical strata compared to discrete ALS (ALSD). Terrestrial laser scanning (TLS) can register lower vertical strata, such as understory vegetation, without issues of canopy occlusion, however is limited in its acquisition over large areas. In this study we examine the ability of ALSFW to characterize understory vegetation (i.e. maximum and mean height, cover, and volume), verified using TLS point clouds in a Mediterranean forest in Eastern Spain. We developed nine full-waveform metrics to characterize understory vegetation attributes at two different scales (3.75¿m square subplots and circular plots with a radius of 15¿m); with, and without, application of a height filter to the data. Four understory vegetation attributes were estimated at plot level with high R2 values (mean height: R2¿=¿0.957, maximum height: R2¿=¿0.771, cover: R2¿=¿0.871, and volume: R2¿=¿0.951). The proportion of explained variance was slightly lower at 3.75¿m side cells (mean height: R2¿=¿0.633, maximum height: R2¿=¿0.470, cover: R2¿=¿0.581, and volume R2¿=¿0.651). These results indicate that Mediterranean understory vegetation can be estimated and accurately mapped over large areas with ALSFW. The future use of these types of predictions includes the estimation of ladder fuels, which drive key fire behavior in these ecosystems.This research was developed mainly in the Integrated Remote Sensing Studio (IRSS) of University of British Columbia (UBC) (Canada) as a result of the Erasmus + KA-107 mobility grant. The authors thank the financial support provided by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad and FEDER, in the framework of the project CGL2016-80705-R.Crespo-Peremarch, P.; Tompalski, P.; Coops, N.; Ruiz Fernández, LÁ. (2018). Characterizing understory vegetation in Mediterranean forests using full-waveform airborne laser scanning data. Remote Sensing of Environment. 217:400-413. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.08.033S40041321

Remote sensing technologies for enhancing forest inventories: a review

Forest inventory and management requirements are changing rapidly in the context of an increasingly complex set of economic, environmental, and social policy objectives. Advanced remote sensing technologies provide data to assist in addressing these escalating information needs and to support the subsequent development and parameterization of models for an even broader range of information needs. This special issue contains papers that use a variety of remote sensing technologies to derive forest inventory or inventory-related information. Herein, we review the potential of 4 advanced remote sensing technologies, which we posit as having the greatest potential to influence forest inventories designed to characterize forest resource information for strategic, tactical, and operational planning: airborne laser scanning (ALS), terrestrial laser scanning (TLS), digital aerial photogrammetry (DAP), and high spatial resolution (HSR)/very high spatial resolution (VHSR) satellite optical imagery. ALS, in particular, has proven to be a transformative technology, offering forest inventories the required spatial detail and accuracy across large areas and a diverse range of forest types. The coupling of DAP with ALS technologies will likely have the greatest impact on forest inventory practices in the next decade, providing capacity for a broader suite of attributes, as well as for monitoring growth over time

The use of 3D spatial indices for urban vegetation analysis based on airborne laser scanning data

W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem zintegrowanych danych z lotniczego skanowania laserowego (ALS) oraz zobrazowań satelitarnych (GeoEye-1) w celu automatycznego kartowania roślinności (obiektowa analiza obrazu) oraz generowania wskaźników przestrzennych 3D opisujących w sposób syntetyczny strukturę roślinności. Utworzone wskaźniki charakteryzują zróżnicowanie pionowe roślinności wysokiej (VDI – Vegetation Diversity Index) oraz objętość wypełnionej przez nią przestrzeni (FR – Filling Ratio, V2A – Volume to Area). Ponadto opracowany został wskaźnik VV2BV (Vegetation Volume to Built-up Volume) wyrażający stosunek objętości roślinności do objętości (kubatury) budynków. Wskaźnik ten stosowany może być do przyrodniczej waloryzacji obszarów zabudowanych.The paper presents results of studies on the application of integrated data from airborne laser scanning (ALS) and satellite imagery (GeoEye-1) for the automatic mapping of vegetation (object-oriented image analysis) and to generate 3D spatial indices describing the structure of the vegetation. Created indices characterize the vertical diversity of vegetation (VDI – Vegetation Diversity Index) and the amount of space filled by vegetation (FR – Filling Ratio, V2A – Volume to Area). In addition, the VV2BV index (Vegetation Volume to Built-up Volume) is expressing the ratio of volume of vegetation to volume of buildings. This indicator can be applied for valorization of built-up areas

Terrestrial laser scanning for an urban green inventory

Praca prezentuje wyniki badań nad zastosowaniem naziemnego skaningu laserowego (TLS) w inwentaryzacji zieleni miejskiej. Obiektem badań na którym wykonano analizy, był fragment Plant w Krakowie. Pozyskano dane referencyjne (położenie, grubość, wysokość, wysokość podstawy korony, wielkość korony), a następnie przeprowadzono skanowanie, łącznie na 13 stanowiskach, za pomocą skanera FARO LS 880. Pozyskane chmury punktów połączono, w programie Faro Scene używając do tego punktów wiążących rozmieszczonych w terenie podczas skanowania. Analizy chmury punktów (filtracja, klasyfikacja) przeprowadzono w oprogramowaniu TerraSolid. Wygenerowane przekroje, w kilku wariantach, posłużyły do określenia położenia drzew oraz ich pierśnicy. Mierzono również wysokość drzew oraz wybrano przykładowe drzewo, na którym podjęto próbę modelowania oraz dokładnego pomiaru miąższości pnia i korony. Uzyskane wyniki potwierdzają wysoką dokładność pomiaru wszystkich mierzonych cech, charakteryzują się ponadto powtarzalnością oraz obiektywnością.This paper presents research results concerning the use of terrestrial laser scanning (TLS) for creating an urban green inventory. The research was performed in Krakow`s city-centre Planty park. Firstly field measurements were made to collect information about tree positions, dbh, height, crown base height and crown area. A Faro LS 880 laser scanner was then used to collect 13 point clouds. Single scans were then joined in Faro Scene. After that Terrasolid software was used to filter and classify the point cloud. Slices in several options were generated and were used in further analysis concerning tree position, dbh and single tree crown modelling. The results confirm the high accuracy and reliability of measurements based on the LIDAR data collected. The measurements are repetitive and objective

Biomass and volume profile of the scots pine (pinus sylvestris l.) In the niepolomice forest based on terrestrial laser scanning data – a case study

Najnowocześniejsze technologie teledetekcyjne takie jak naziemny skaning laserowy (TLS) umożliwiają pomiar 3D rzeczywistej struktury obiektów przestrzeni w tym drzew. Dane dostarczone przez TLS - bardzo gęste chmury punktów - reprezentują kształty i powierzchnie obiektów oraz ich rodzaj (np. z wykorzystaniem intensywności wiązki laserowej). Ekosystem leśny odgrywa ważną rolę w aspekcie regulacji zawartości dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze jak również w zakresie sekwestracji węgla. Węgiel w lesie jest kumulowany w biomasie drzewnej: pnie drzew, gałęzie, Korzenie, liście (igły) oraz w materii organicznej w glebie. W modelowaniu sekwestracji węgla w krajobrazie z wykorzystaniem analiz przestrzennych oraz w zarządzaniu przestrzenią leśną informacja 2D wydaje się nie być wystarczająca. Potrzebna jest informacja 3D tj. rozkład przestrzenny biomasy i objętości drzewostanu. Jest to ważne nie tylko dla zarządzających przestrzenią leśną, ale i w aspekcie polityki energetycznej oraz konwencji międzynarodowych. Dla określenia przestrzennego rozkładu biomasy przeprowadzono badania w Puszczy Niepołomickiej (Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych w Krakowie, pododdział 153f) w drzewostanie sosnowym (Pinus sylvestris L.). Średni wiek drzewostanu wynosił 147 lat, średnia wartość pierśnicy D = 42 cm i wysokości H = 27 metrów (wg SILP). Kołowa powierzchnia badawcza (r = 18 m; powierzchnia 1017.88 m2) składała się z 16 sosen (średnia: D 46 cm; H = 26.0 m), które zostały zeskanowane przy użyciu skanera laserowego FARO PHOTON 80. Wykonano 4 skany (1 pozycja centralna i 3 dodatkowe wokół) aby uzyskać pełną reprezentację pni i koron drzew (gałęzie z igłami). Dla określenia biomasy została wybrana testowa sosna zwyczajna o pierśnicy 52.7 cm, wysokości 28.3 m, długości korony 8.6 m oraz szerokości korony 9.3 m. W celu uzyskania referencji dla analiz chmury punktów TLS zostały w terenie pomierzone średnica i obwód pnia w sekcjach co 1 m. W terenie zebrano: 490.0 kg gałęzi, 109.3 kg pędów z igłami oraz 13.5 kg jemioły. W sumie biomasa mokrej korony wyniosła 612.8 kg (96.3 t/ha). Badania laboratoryjne przeprowadzono na 6 próbkach pędów z igłami, które po wysuszeniu ważyły 53.3 kg, w tym: igły 34.0 kg, pędy 19.3 kg. Wartości z badań laboratoryjnych porównano do wyznaczonych wg wzoru empirycznego (Socha, Wężyk 2007), które wyniosły: dla pędów z igłami w stanie wilgotnym 104.1 kg. (-4.8% różnicy) i w stanie suchym 71.2 kg (33.5% różnicy). Na podstawie analizy chmury punktów TLS (woksele) został wyznaczony pionowy rozkład biomasy.The state of the art technology like Terrestrial Laser Scanning (TLS) allows measuring the 3D structure of real world objects, including trees. The data delivered by the TLS - very dense point clouds - represent shapes and surfaces of the objects and their type (e.g. using intensity of the laser beam). Forest ecosystem plays an important role in the regulation of the carbon dioxide (CO2) content in the atmosphere and in carbon sequestration as well. In forest, carbon is stored in wood biomass: tree trunks, branches, roots, foliage (needles and leaves) and in the organic material in soil. Using GIS spatial analyses for the carbon sequestration modeling, the 2D information seems to be not sufficient. 3D information of the spatial biomass and volume distribution is needed and is important not only for forest professionals, but also for energy policy and international conventions. The study was done in the Niepolomice Forest in the mature Scots pine (Pinus sylvestris L.) stand (Regional Forest Directorate Krakow. compartment 153f). The age of the stand was 147 years and mean values of DBH 42 cm and height 27 m. The study circular plot (r=18m; area ~1000sqm) consisted of 16 pines (mean: DBH 46 cm; H = 26.0 m) which were scanned using the FARO PHOTON 80. The 4 scans (1 central position and 3 additional around the central one) were made to get full representation of the tree stems and crowns (branches with needles). Tree number 13 (DBH 52.7 cm; H 28.3 m; crown length 8.6 m. crown width 9.3 m) was selected for the biomass study. The stem diameter and perimeter was measured every 1m (section) to get the references for the TLS analysis. The wet biomass of the selected tree parts was: 490.0 kg - branches. 109.3 kg shoots with needles 13.5 kg – mistletoe. The sum of the wet crown biomass was 612.8 kg (96.3 t/ha). The laboratory elaboration based of 6 samples from the crown allowed to receive the dry biomass of crown (53.3 kg) and its fractions: needles 34.0 kg, shoots 19.3 kg. The obtained results were compared to empiric formula (Socha, Wężyk 2007), which delivered results for the wet biomass of shots with needles 104.1 kg (4.8 % difference) and dry biomass 71.2 kg (33.5 % difference). Based on the voxel analysis of the TLS data the vertical characteristic of the volume and biomass distribution was determined

LIDAR AND VHRS DATA FOR ASSESSING LIVING QUALITY IN CITIES – AN APPROACH BASED ON 3D SPATIAL INDICES

Modern spatial data acquisition technologies like airborne laser scanning and satellite images can be used to automatically map land cover classes. The layers representing spatial extent of various terrain objects are very valuable, especially when the 3D geometrical information stored in the ALS point clouds is taken into consideration. The paper describes a research aimed to develop a way to characterize the urban areas concerning the amount of vegetation and the relation between the vegetated areas and buildings. This relation can be used to characterize the living quality. Two proposed 3D spatial indices describe the relationship between the volume of the high vegetation and volume of buildings (VV2BV) or a relationship between the volume and area of vegetated and built-up areas (UVI). These indices can be calculated for a grid of user-defined cell size or for each building separately. In the second case, a user-defined buffer zone around each building is created to specify the calculation area. The fact that the indices are based on the 3D information, introduces a new method of mapping the urban green space and is suitable for characterizing the living conditions

Comparison of the accuracy of the “photo” check method with automatic analysis based on als data for direct control of subsidy payment

Około 1.5 mln producentów rolnych w Polsce składa co roku wnioski o dopłaty bezpośrednie z funduszy UE. Mechanizmy zarządzania i kontroli dopłat bezpośrednich opierają się w dużej mierze na wykorzystaniu technologii geoinformatycznych będących częścią systemu IACS. Kontrola wniosków, tzw. kontrola „na miejscu” realizowana jest dwoma metodami, tj.: inspekcji terenowej lub „Foto”. Obie bazują na danych z LPIS (System Identyfikacji Działek Rolnych). W 2008 roku ok. 107 tys. gospodarstw skontrolowano metodą „Foto” w oparciu o ortoobrazy satelitarne lub lotnicze. Najwięcej nieprawidłowości (ok. 19%) wykazano dla województwa dolnośląskiego. Badania opisane w niniejszym artykule dotyczą obszaru testowego w powiecie Milicz (obręb ewidencyjny Pracze; woj. dolnośląskie). W roku 2007 przeprowadzono dla tego obszaru lotniczy skaning laserowy (ALS) oraz wygenerowano ortofotografię w oparciu o zdjęcia cyfrowe VEXCEL. Pole testowe objęło 68 działek ewidencyjnych (EGiB) o łącznej powierzchni 68.57 ha, składającej się łącznie z 13 klas użytków gruntowych. Według danych EGiB z 2009 roku, użytek Ls zajmował 5.77 ha (14.10%) obszaru testowego. W oparciu o ortofotografię lotniczą (kompozycja RGB; piksel 15 cm) oraz wektor działek EGiB, operator wektoryzował obszary podlegające sukcesji leśnej, które nie podlegają dopłatom bezpośrednim. Wyniki prac wskazują, iż użytek Ls zajmuje w rzeczywistości obszar 19.04 ha, czyli ponad 3 razy więcej niż wykazał EGiB. Równolegle wykonano analizy przestrzenne GIS bazujące na znormalizowanym Numerycznym Modelu Powierzchni Terenu (zNMPT) wygenerowanym w oparciu o chmurę punktów lotniczego skaningu laserowego. Testowano 3 warianty zNMPT, tj. powyżej progu: 1 m, 2 m oraz 3 m nad gruntem, reprezentującego wysokości roślinności. Automatyczne przetwarzanie było możliwe dzięki przygotowaniu odpowiedniego modelu w aplikacji ArcGIS (ESRI). Wyniki wskazują, iż obszary pokryte roślinnością o wysokości powyżej 1 m zajmują 19.84 ha (48.5%). Niewielka różnica powierzchni lasu (0.8 ha) dla modelu zNMPT >1 m, w stosunku do metody „Foto”, wynika z problemów generowania ortoobrazów w oparciu o NMT. Automatyczna kontrola bazująca na klasyfikacji obrazów lotniczych czy satelitarnych wsparta informacją o wysokości obiektów (zNMPT), wydaje się być wręcz koniecznością w kontekście cyklicznego procesu monitoringu i kontroli obszarów rolniczych w Polsce.Every year about 1.5 mln Polish farmers submit applications for direct subsidies from EU money. The mechanism of management and control of these subsidies is very often based on geoinformation technologies being a part of an IACS system. The verification of the applications submitted is done by field measurements (RFV) or by using the so called „Photo” method. Both of these are based on the LPIS (Land Parcel Identification System) data. During 2008 about 107,000 farms in Poland were checked using the „Photo” method, based on satellite or aerial images. The number of anomalies was highest in the Dolnośląskie voivodeship (19%). The paper presents results from a test site located in Milicz. In 2007 airborne laser scanning was performed and orthophotos were created based on aerial images (VEXCEL camera). The test site consisted of 68 parcels (68.57 ha), divided in 13 classes of land-use type. According to the cadastral system (EGiB), the class forest occupies 5.77 ha (14.1%) of test area. Using orthophoto and vector layer of parcels, the operator vectorized areas with forest succession which are not eligible for subsidies. The results show that the forest class occupies an area over 3 times larger (19.04 ha) than in the EGiB data base. The GIS analyses were also performed based on nDSM generated from the ALS point cloud. Three approaches were used with different heights of vegetation (1, 2 and 3 m). The analysis was done automatically using ArcGIS (ESRI). The results indicate that there is only a small difference between the “Photo” method and the automatic method based on ALS (19.84 ha). Automatic verification based on classification of aerial or satellite images, supported by information about the height of objects, is recommended for periodic monitoring and control of agricultural areas in Poland

Updating SILP and digital forest map data bases using airborne laser scanning

Celem pracy było zaimplementowanie danych pozyskanych technologią lotniczego skaningu laserowego (ALS) w zautomatyzowanej procedurze aktualizacji granic pododdziałów, tj. przebiegu wektorów obiektów podstawowych Leśnej Mapy Numerycznej (LMN) oraz weryfikacji atrybutu wysokości drzewostanów, zapisanej w bazie danych Systemu Informatycznego Lasów Państwowych (SILP). Obiektami testowymi były obręby w Nadleśnictwach Milicz (Milicz) i Chojna (Piasek). Obszar badań w każdym z obrębów obejmował ok. 6 000 ha lasów, z czego blisko 80% stanowiły drzewostany sosnowe. Prace rozpoczęto od aktualizacji przebiegu granic wektora (SHAPE) pododdziałów zapisanych w bazie geometrycznej LMN w oparciu o modele generowane z chmury punktów ALS oraz obraz cyfrowej ortofotomapy. Następnie przeprowadzono aktualizację atrybutowej bazy danych SILP/LAS. Określenie wysokości całego drzewostanu oparto na powierzchni pododdziału z wyłączeniem luk, wykorzystując analizę chmury punktów ALS, tj. 95 percentyl. W celu porównania wyników do danych referencyjnych zbieranych metodami tradycyjnymi (SILP), wygenerowano modele rastrowe (GRID) wysokości drzewostanów określone metodą ALS (HALS) oraz HSILP. W obu obrębach stwierdzono zaniżenie wartości wysokości z bazy SILP/LAS. Średnia różnica (HDiff) wyznaczenia wysokości metodą ALS w stosunku do SILP wyniosła dla obrębu Piasek i Milicz, przy uwzględnieniu znaków odchyłek, odpowiednio +0.9 m oraz +2.3 m, natomiast w przypadku wartości bezwzględnych 2.1 m oraz 3.2 m. Ustalono, że zasadniczą rolę w wartości błędu odegrały licznie występujące drzewostany młodszych klas wieku.Automatic processing of remotely sensed data, like ALS point clouds, is crucial for modern economy, including forestry. The aim of the study was to develop automated procedures for digital forest map (LMN) revision and automated verification of the attributes (height) stored in the forest descriptive database (SILP), both based on airborne laser scanner datasets. The study areas were the Piasek (Chojna) and Milicz management forest districts, covering about 6,000 ha (80% Scots pine stands). The workflow of verifying and updating a digital map started with updating the compartment borders, which was based on nDSM (created from classified point cloud) and digital ortophoto (RGB+NIR) as well. The developed method, based on normalized ALS point cloud and GIS analysis, provided instant possibility for compartment border update, revealing additional objects like gaps or tree biogroups. The total area of automatically detected objects was around 15% lower when compared to the reference data for Chojna forest district and 10% higher regarding Milicz forest district. Around 84.0% and 85.5% of the gaps matched the reference for Chojna and Milicz forest districts, respectively. A method based on point cloud distribution (95th percentile) within compartment borders to assess its height was presented in the study. The results were compared to a height model (GRID) generated from descriptive database. For both the study areas the height stored in SILP database was lower than the height value derived from ALS data. The difference was equal to +0.9 m (Chojna; absolute difference 2.1 m) and +2.3 m (Milicz; absolute difference 3.2 m). When the stand area was used as a weight in the difference calculation, the difference values (HDiff) changed to +0.6 m (Chojna; absolute difference1.5 m) and +2.4 m (Milicz; absolute difference 2.7 m). Concerning the deciduous stands, the difference was higher (~+1 m) than for the Scots pine stands. The analysis performed confirms the possibility of using airborne laser scanning for geometrical (LMN) and descriptive (SILP/height) database updating. Periodical stand monitoring based on ALS technology can guarantee keeping the databases up to date without the necessity of costly and time consuming field measurements

Land cover and landscape diversity analysis in the West Polesie Biosphere Reserve

The aim of this research was to present the land cover structure and landscape diversity in the West Polesie Biosphere Reserve. The land cover classification was performed using Object Based Image Analysis in Trimble eCognition Developer 8 software. The retrospective land cover changes analysis in 3 lake catchments (Kleszczów, Moszne, Białe Włodawskie Lakes)was performed on the basis of archival aerial photos taken in 1952, 1971, 1984, 1992, 2007 and one satellite scene from 2003 (IKONOS).On the basis of land cover map structure, Shannon diversity index was estimated with the moving window approach enabled in Fragstats software. The conducted research has shown that the land cover structure of the West Polesie Biosphere Reserve is diverse and can be simply described by selected landscape metrics. The highest level of land cover diversity, as showed by Shannon Diversity Index, was identified in the western part of the West Polesie Biosphere Reserve, which is closely related to the agricultural character of land cover structure in those regions. The examples of three regional retrospective land cover analyses demonstrated that the character of land cover structure has changed dramatically over the last 40 years

Land Cover and Landscape Diversity Analysis in the West Polesie Biosphere Reserve

The aim of this research was to present the land cover structure and landscape diversity in the West Polesie Biosphere Reserve. The land cover classification was performed using Object Based Image Analysis in Trimble eCognition Developer 8 software. The retrospective land cover changes analysis in 3 lake catchments (Kleszczów, Moszne, Białe Włodawskie Lakes)was performed on the basis of archival aerial photos taken in 1952, 1971, 1984, 1992, 2007 and one satellite scene from 2003 (IKONOS).On the basis of land cover map structure, Shannon diversity index was estimated with the moving window approach enabled in Fragstats software. The conducted research has shown that the land cover structure of the West Polesie Biosphere Reserve is diverse and can be simply described by selected landscape metrics. The highest level of land cover diversity, as showed by Shannon Diversity Index, was identified in the western part of the West Polesie Biosphere Reserve, which is closely related to the agricultural character of land cover structure in those regions. The examples of three regional retrospective land cover analyses demonstrated that the character of land cover structure has changed dramatically over the last 40 years