Zastosowanie taksonomicznej analizy danych lotniczego skanowania laserowego do rozpoznania pionowej struktury drzewostanu i jej przestrzennej zmienności

• Autorzy: Bedkowski K.

Warianty tytułu

EN

Taxonomic analysis of airborne laser scanning data for the recognition of stand vertical structure and its spatial variability

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

EN

The aim of the research was to develop and verify the usefulness of the algorithm for grouping multi−feature objects known as Ward’s taxonomic method for distinguishing homogeneous spatial structures in a forest stands. Scots pine forest stand (20.137720 E, 51.754974 N) was divided into 10 zones differing in the share of undergrowth and up−growth of deciduous species, and the presence of single oak trees growing to the upper layer. The LiDAR data obtained in the first days of May 2007 was used. 459 sample plots of a radius of R=11.28 m located in a 20×20 m grid were set up in the study area. Histograms of spatial distribution of airborne laser scanning pulses were made for them. The histograms are described using eight variables: (1) height above ground level of the highest point of reflection of the laser pulse, (2) height above the upper maximum of the histogram, (3) height above ground level of the lower maximum of the histogram, (4) share of pulses reflected in the upper maximum of the histogram in the total number of pulses, (5) share of pulses in the area of the lower maximum of the histogram in the total number of pulses, (6) share of pulses of the first histogram layer in the total number of pulses, (7) share of pulses in the lower layers of the histogram (from layer no. 2 to no. 11, i.e. from 0.5 to 5.5 m) in the total number of pulses in layers 1−11, i.e. from 0 to 5.5 m, as well as (8) average height above ground of the reflection places of all pulses. The measure of the similarity of the extracted structures was the Euclidean distance of the points representing the histograms in the multidimensional feature space. The results of the division (segmentation) of forest space using the Ward’s method into 2 to 9 groups were analysed. It was found that the obtained divisions are related to the tree stand zones distinguished during the inventory carried out in the field. The proposed taxonomic method of LiDAR data analysis allows for the identification of homogeneous spatial structures in forest stands.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Sylwan
• Rocznik: 2020
• Tom: 164
• Numer: 10
• Opis fizyczny: s.805-819,rys.,tab.,bibliogr.

Twórcy

autor

Bedkowski K.

• Wydział Nauk Geograficznych, Uniwersytet Łódzki, ul. Kopcińskiego 31, 90-142 Łódź

Bibliografia

• van Aardt J. A. N., Wynne R. H., Scrivani J. A. 2008. Lidar-based Mapping of Forest Volume and Biomass by Taxonomic Group Using Structurally Homogenous Segments. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 74 (8): 1033-1044.
• Abraham J., Adolt R. 2006. Stand height estimation using aerial images and laser datasets. EARSeL – Proceedings of the Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry. 14-15 Feb. 2006, Vienna. 24-31.
• Antonarakis A. S., Richards K. S., Brasington J. 2008. Object-based land classification using airborne LiDAR. Remote Sensing of Environment 112: 2988-2998.
• Ayrey E., Hayes D. J., Fraver S., Kershaw J. A. Jr, Weiskittel A. R. 2019. Ecologically-Based Metrics for Assessing Structure in Developing Area-Based, Enhanced Forest Inventories from LiDAR. Canadian Journal of Remote Sensing. DOI: https://doi.org/10.1080/07038992.2019.1612738.
• Będkowski K. [red.]. 2011. Las w rastrowym modelu danych przestrzennych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
• Będkowski K., Stereńczak K. 2008. Przestrzenny rozkład punktów odbić impulsów skanera laserowego a wybrane cechy drzewostanu. Roczniki Geomatyki 6 (8): 55-60.
• Będkowski K., Stereńczak K. 2010. Porównanie numerycznych modeli terenu obszarów leśnych generowanych z wykorzystaniem danych skaningu laserowego (LiDAR) uzyskanych w okresie wiosennym i letnim. Roczniki Geomatyki 8 (7): 11-20.
• Będkowski K., Zarzecka M. 2011. Detekcja warstw drzewostanu na podstawie chmur punktów skanowania laserowego. W: Będkowski K. [red.]. Las w rastrowym modelu danych przestrzennych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa. 109-122.
• Bolibok L. 2003. Dynamika struktury przestrzennej drzewostanów naturalnych w oddziale 319 BPN – czy biogrupy drzew są powszechne i trwałe w nizinnym lesie naturalnym? Sylwan 147 (1): 12-23. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2003002.
• Brzeziecki B. 2005. Wpływ trzebieży na zróżnicowanie strukturalne drzewostanów sosnowych. Sylwan 149 (10): 11-19. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2005058.
• Cao Q. V., Dean T. J. 2011. Modeling Crown Structure from LiDAR Data with Statistical Distributions. Forest Science 57 (5): 359-364.
• Chasmer L., Hopkinson C., Treitz P. 2006. Investigating laser pulse penetration through a conifer canopy by integrating airborne and terrestrial lidar. Can. J. Remote Sensing 32 (2): 116-125.
• Fidalgo-González L. A., Arellano-Pérez S., Álvarez-González J., Castedo-Dorado F., Ruiz-González A. D., González-Ferreiro E. 2019. Estimación de la distribución vertical de combustibles finos del dosel de copas en masas de Pinus sylvestris empleando datos LiDAR de baja densidad. Revista de Teledetección 53: 1-16. DOI: https://doi.org/10.4995/raet.2019.11241.
• Franklin J. F., Van Pelt R. 2004. Spatial Aspects of structural Complexity in Old-Growth Forests. Journal of Forestry 4/5: 22-28.
• Gendek A., Wężyk P., Moskalik T. 2018. Udział oraz dokładność szacowania pozostałości zrębowych w ogólnej masie pozyskanego drewna. Sylwan 162 (8): 679-687. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2018050.
• Gil W. 1995. Drobnoskalowa zmienność warunków glebowych a struktura przestrzenna drzewostanu. Las Polski 24: 14-15.
• Goodwin N. R., Coops N. C., Culvenor D. S. 2006. Assessment of forest structure with airborne LiDAR and the effects of platform altitude. Remote Sensing of Environment 103: 140-152.
• Harding D. J., Lefsky M. A., Parker G. G., Blair J. B. 2001. Laser altimeter canopy height profiles. Methods and validation for closed-canopy, broadleaf forests. Remote Sensing of Environment 76: 283-297.
• Hawryło P., Wężyk P. 2018. Predicting Growing Stock Volume of Scots Pine Stands Using Sentinel-2 Satellite Imagery and Airborne Image-Derived Point Clouds. Forests 9: 274. DOI: https://doi.org/10.3390/f9050274.
• Höfle B., Hollaus M., Lehner H., Pfeifer N., Wagner W. 2008. Area-based parameterization of forest structure using full-waveform airborne laser scanning data. SilviLaser 9: 17-19.
• Hyyppä H., Yu X., Hyyppä J., Kaartinen H., Kaasalainen S., Honkovaara E., Ronnholm P. 2005. Factors affecting quality of DTM generation in forested areas. Int. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 36 (3/W): 85-90.
• Kamińska G. 2000. Analiza struktury przestrzennej kompleksów leśnych z wykorzystaniem rastrowej bazy danych. Sylwan 144 (2): 27-36.
• Kolenda M. 2006. Taksonomia numeryczna. Klasyfikacja, porządkowanie i analiza obiektów wielocechowych. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej im. Oskara Langego we Wrocławiu, Wrocław.
• Kraus K. 2003. Photogrammetrie. Bd 1. Geometrische Informationen aus Photographien und Laserscanneraufnahmen. W. de Gruyter Verlag, Berlin.
• Kraus K., Pfeifer N. 1998. Determination of terrain models in wooded areas with airborne laser scanner data. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 53 (4): 193-203.
• Latifi H., Heurich M., Hartig F., Müller J., Krzystek P., Jehl H., Dech S. 2016. Estimating over- and understorey canopy density of temperate mixed stands by airborne LiDAR data. Forestry 89: 69-81. DOI: https://doi.org/10.1093/forestry/cpv032.
• Lee A., Lucas R., Brack C. 2004. Quantifiying vertical forest stand structure using small footprint LiDAR to assess potential stand dynamics. Int. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 36 (8/W2): 213-217.
• Lefsky M. A., Cohen W. B., Parker G. G., Harding D. J. 2002. LiDAR Remote Sensing for Ecosystem Studies. BioScience 52 (1): 19-30.
• Maltamo M., Packalén P., Yu X., Eerikäinen K., Hyyppä J., Pitkänen J. 2006. Identifying and quantifying structural characteristics of heterogeneous boreal forest using laser scanner data. Forest Ecology and Management 216: 41-50.
• Meixner J., Kaźmierczak K., Najgrakowski T. 1997a. Wiek drzewostanu sosnowego a zmienność sum powierzchni przekroju i miąższości drzew na powierzchniach próbnych różnych wielkości. Sylwan 141 (2): 49-58.
• Meixner J., Najgrakowski T., Kaźmierczak K., Andrzejewski T. 1997b. Wiek drzewostanu dwupiętrowego a zmienność sum powierzchni przekroju pierśnicowego i miąższości drzew na powierzchniach próbnych różnych wielkości. Sylwan 141 (3): 13-25.
• Morsdorf F. 2011. Erfassung struktureller Waldparameter mithilfe von flugzeuggetragenem Laserscanning. Schweiz. Z. Forstwes. 162 (6): 164-170.
• Mücke W., Hermann A. 2010. Estimation of biodiversity relevant quantities from airborne laser scanning data. Vermessung & Geoinformation 4: 201-210.
• Myszkowski M., Ksepko M. 2010. Budowa pionowa drzewostanu w świetle przestrzennego rozkładu punktów lotniczego skanowania laserowego. Roczniki Geomatyki 8 (7): 30-48.
• Osberger A. 2010. Automatisierte Erfassung von Waldstrukturen im Nationalpark Bayerischer Wald mit objektbasierter Bildanalyse. GIScience 3: 109-116.
• Pancer-Kotejowa E., Szwagrzyk J. 1997. Zachowanie różnorodności biologicznej a gospodarka leśna. Sylwan 141 (3): 5-11.
• Parker G. G., Russ M. E. 2004. The canopy surface and stand development: assessing forest canopy structure and complexity with near-surface altimetry. Forest Ecology and Management 189: 307-315.
• Paschalis-Jakubowicz P. 2007. Kilka uwag do potrzeb inwentaryzacji lasu w użytkowaniu lasu wielofunkcyjnego. Sylwan 151 (9): 51-56. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2006104.
• Pascual C., García-Abril A., García-Montero L. G., Martín-Fernández S., Cohen W. B. 2008. Object-based semi-automatic approach for forest structure characterization using lidar data in heterogeneous Pinus sylvestris stands. Forest Ecology and Management 255: 3677-3685.
• Pearsea G. D., Dasha J. P., Perssonc H. J., Watt M. S. 2018. Comparison of high-density LiDAR and satellite photogrammetry for forest inventory. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 142: 257-267.
• Pfeifer N. 2003. Ableitung von Oberflächenmodellen (z.B. Gebäudemodelle, Modelle durch Baumkronen) mit unterschiedlichen Filterverfahren. Universitätslehrgang „Laserscanning – Datenerfassung und anwendungsorientierte Modellierung”. 22-24.09.2003. Technische Universität, Wien.
• Pfeifer N., Gorte B., Elberink S. O. 2004. Influences of Vegetation on Laser Altimetry – Analysis and Correction Approaches. Int. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science 36 (8/W2): 283-287.
• Plan urządzenia lasu Nadleśnictwa Rogów na okres 1.01.1999-31.12.2008. 1999. Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Leśny Zakład Doświadczalny w Rogowie.
• Pretzsch H., Seifert S., Huang P. 2011. Beitrag des terrestrischen Laserscannings zur Erfassung der Struktur von Baumkronen, Schweiz. Z. Forestwes. 162 (6): 186-194.
• Riano D., Chuvieco E., Condes S., Gonzalez-Matesanz J., Ustin S. L. 2004. Generation of crown bulk density for Pinus sylvestris L. from LiDAR. Remote Sensing of Environment 92: 245-352.
• Sačkov I., Scheer L., Bucha T. 2019. Predicting forest stand variables from airborne LiDAR data using a tree detection method in Central European forests. Cent. Eur. For. J. 65: 191-197. DOI: https://doi.org/10.2478/forj-2019-0014.
• Schmidtke H., Schard M., Hirschmugl M., Wack R., Ofner M., Granica K. 2011. Das Projekt „Neue Bestandeskarte”. Schweiz. Z. Forstwes. 162 (6): 171-177.
• Sherrill K. R., Lefsky M. A., Brandford J. B., Ryan M. G. 2008. Forest structure estimation and pattern exploration from discrete-return lidar in subalpine forests of the central Rockies. Can. J. For. Res. 38: 2081-2096. DOI: https://doi.org/10. 1139/X08-059.
• Sławski M. 2012. Ilościowa charakterystyka zróżnicowania struktury borów sosnowych różnego wieku. Sylwan 156 (5): 349-359. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2011072.
• Stereńczak K., Będkowski K. 2011. Wykorzystanie numerycznego modelu terenu i modelu pokrycia terenu do klasyfikacji drzewostanów na podstawie ich struktury pionowej i gatunkowej. Sylwan 155 (4): 219-227. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2010082.
• Stereńczak K., Będkowski K., Weinacker H. 2008. Accuracy of crown segmentation and estimation of selected trees and forest stand parameters in order to resolution of used DSM and nDSM models generated from dense small footprint lidar data. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Youth Forum 38 (B6b): 27-33.
• Stereńczak K., Lisańczuk M., Erfanifard Y. 2018. Delineation of homogenous forest patches using combination of field measurements and LiDAR point clouds as a reliable reference for evaluation of low resolution global satellite data. Forest Ecosystems 5: 1-12. DOI: https://doi.org/10.1186/s40663-017-0128-5.
• Szmyt J., Ceitel J. 2011. Zróżnicowanie przestrzenne i grubościowe drzew w niepielęgnowanych drzewostanach sosnowych o różnym zagęszczeniu początkowym. Sylwan 155 (11): 749-759. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2011010.
• Szwagrzyk J., Szewczyk J., Bodziarczyk J. 1997. Spatial Variability of a Natura Stand in the Babia Góra National Park. Folia Forestalia Polonica, Series A – Forestry 39: 61-78.
• Świć A. 1997. Zróżnicowanie przestrzenne boru sosnowego bagiennego na przykładzie Poleskiego Parku Narodowego. Sylwan 141 (6): 65-70.
• Tickle P. K., Lee A., Lucas R. M., Austin J., Witte C. 2006. Quantifying Australian forest floristic and structure using small footprint LiDAR and large scale aerial photography. Forest Ecology and Management 223: 379-394.
• Tracz W., Mozgawa J., Stereńczak K. 2011. Wymiar fraktalny jako sposób opisu złożoności przestrzeni leśnej. Sylwan 155 (6): 384-392. DOI: https://doi.org/10.26202/sylwan.2010081.
• Weinacker H., Koch B., Weinacker R. 2004. TreesVis – a software system for simultaneous 3D-real-time visualisation of DTM, laser raw data, multispectral data, simple tree and building models. Int. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences 36 (8/W2): 90-95.
• Yunsheng W., Weinacker H., Koch B. 2008. A Lidar Point Cloud Based Procedure for Vertical Canopy Structure Analysis and 3D Single Tree Modelling in Forest. Sensors 8: 3938-3951.
• Zarzecka M., Będkowski K. 2012. Analiza przestrzennej zmienności wybranych cech budowy pionowej drzewostanu na podstawie danych lotniczego skanowania laserowego. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji 23: 501-508.
• Zawiła-Niedźwiecki T., Stereńczak K., Bałazy R., Wencel A., Strzeliński P., Zasada M. 2008. LiDAR w leśnictwie. Teledetekcja Środowiska 39: 59-66.
• Zawiła-Niedźwiecki T., Zasada M. [red.]. 2008. Techniki geomatyczne w inwentaryzacji lasu – potrzeby i możliwości. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
• Żybura H. 1977. Długość koron drzew w drzewostanach sosnowych. Sylwan 121 (1): 13-20.

Identyfikatory

DOI

10.26202