This thesis presents basic research on how airborne LiDAR measurements of forest vegetation are influenced by the interplay of the geometric-optical properties of vegetation, sensor function and acquisition settings. Within the work, examining the potential of waveform (WF) recording sensors was of particular interest.
Study I focused upon discrete return LiDAR measurements of understory trees. It showed that transmission losses influenced the intensity of observations and echo triggering probabilities, and also skewed the distribution of echoes towards those triggered by highly reflective or dense targets. The intensity data were of low value for species identification, but the abundance of understory trees could be predicted based on echo height distributions. In study II, a method of close-range terrestrial photogrammetry was developed. Images were shown as being useful for visualizations and even the geometric quality control of LiDAR data. The strength of backscattering was shown to correlate with the projected area extracted from the images.
In study III, a LiDAR simulation model was developed and validated against real measurements. The model was able to be used for sensitivity analyses to illustrate how plant structure or different pulse properties influence the WF data. Both simulated and real data showed that WF data were able to capture small-scale variations in the structural and optical properties of juvenile forest vegetation.
Study IV illustrated the potential of WF data in the species classification of larger trees. The WF features that separated tree species were also dependent on other variables such as tree size and phenology. Inherent between-tree differences in structure were quantified and the effects of pulse density on the features were examined.
Overall, the thesis provides basic findings on how LiDAR pulses interact with forest vegetation, and serves to link theory with real observations. The results contribute to an improved understanding of LiDAR measurements and their limitations, and thus provide support for further improvements in both data interpretation methods and specific sensor design.Väitöskirja käsittelee metsien mittausta ilma-aluksesta tehdyn laserkeilauksen avulla. Perustutkimusluonteisessa työssä selvitettiin, miten metsän rakenne ja heijastusominaisuudet sekä keilain- ja keilauskohtaiset parametrit vaikuttavat laserkeilaimella tehtyihin mittauksiin. Lisäksi selvitettiin aaltomuotolaserkeilainten käyttömahdollisuuksia verrattuna yleisemmin käytettyihin kaikulaserkeilaimiin.
Osajulkaisussa I tutkittiin alikasvospuustosta kaikulaserkeilaimella tehtyjä mittauksia. Energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin vaikuttivat todennäköisyyteen saada kaikuja alikasvospuista ja vääristivät kaikujen jakaumaa siten, että kaikuja saatiin eniten voimakkaasti heijastavista kohteista. Laserkaikujen intensiteetti ei soveltunut alikasvoksen puulajin tunnistukseen, mutta alikasvospuuston määrää pystyttiin ennustamaan kaikujen korkeusjakauman avulla.
Osajulkaisussa II kehitettiin maastofotogrammetriaan perustuva menetelmä laserkeilaustutkimuksen tueksi. Maastossa otettujen digikuvien avulla pystyttiin visualisoimaan laserkaikuja ja -aaltomuotoja sekä tutkimaan niiden geometrista tarkkuutta. Kuvilta laskettu kasvillisuuden silhuettiala oli yhteydessä lasersignaalin voimakkuuteen.
Osajulkaisussa III kehitettiin simulointimalli lasermittausten mallintamiseen ja verrattiin simuloituja aineistoja taimikkokasvillisuudesta aaltomuotolaserkeilaimella tehtyihin mittauksiin. Simuloimalla näytettiin, miten kasvillisuuden rakenne ja laserkeilaimen ominaisuudet vaikuttavat mittauksiin. Tulokset osoittivat, että aaltomuotolaserkeilaimella tehdyt mittaukset kuvaavat taimikkokasvillisuuden rakennetta ja niitä on mahdollista hyödyntää taimikkokasvillisuuden kartoituksessa.
Osajulkaisussa IV tutkittiin aaltomuotolaserkeilaimella tehtyjen mittausten käyttöä puulajin tunnistuksessa. Aaltomuotolaserkeilaus paransi tuloksia verrattuna kaikulaserin tallentaman intensiteetin käyttöön. Lisäksi selvitettiin, mitkä muut tekijät puulajin lisäksi vaikuttavat lasermittauksiin. Tunnetuista tekijöistä puuyksilöiden välistä lasersignaalin vaihtelua selittivät parhaiten puun pituus ja fenologinen tila, mutta aineistoon jäi paljon puuyksilöstä riippuvaa selittämätöntä vaihtelua. Väitöskirjan tulokset lisäävät ymmärrystä metsäkasvillisuudesta tehtyhin laserkeilausmittauksiin vaikuttavista tekijöistä ja luovat perustaa keilainlaitteiden sekä aineistojen tulkintamenetelmien jatkokehitykselle
