3D fj

1
3D fjärranalys kommer är du redo? Redovisning
av skoglig laserskanning och bildbehandling för
skogsuppskattning på tvångssvenska. Ilkka
Korpela, HUInstitutionen för utnyttjandet av
skogstillgångar
2

• Innehållet av föreläsningen
• Syftet med fjärranalystekniker
  bakgrundsinformation
• Om mål / vad är vi efter?
• Litet om historien, i Finland, före
  digitalisering av allt
• Vad teknikens framgång har möjliggjort och gett
  oss?
• Digital fotogrammetri - 3D mätningar och
  tolkning i bilder
• Den okomplicerade vägen - Flygburen
  laserskanning
• Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.

3

• Syftet med fjärranalystekniker i
  skogsuppskattning
• Datainsamling för ett bättre beslutsfattande
• Mest inom skogsbruk (natur-, miljö-,
  landskaps-, stadsplanering)
• Kostnadseffektivitet (nytta kontra kostnader)

Skall han överleva i framtiden?
När-fjärranalys med reläskåp
4
Syftet med fjärranalystekniker...

• Alla patienter kan inte hjälpas, kombination av
  (observationer, expert kunskap, fjäranalys) ?
  optimering av systemet i det varierande
  skogsbruket och dess infrastruktur
• Se up för laserskanning eller -teknikfanatiker,
  dom glömmer helheten (syftet,
  kostandseffektiviteten). Nya förtjäningsmöjlighe
  ter lockar marksnadsmånglare.

5
Om mål vad vill vi nå?
Inom skogsbruk(splanering i Finland) Ministerium
vill minska/styra penningströmmen i
skogsbruksplanering av privata och statens
skogar. De vill att skogar används och bevaras.
Privata skogsägare vill veta om
avverkningsmöjligheter och optimering av
huggningsaktiviteter. Så noggrant som möjligt med
ringa pengar. Firmor vill detsamma och t.o.m.
vara medvetna om andras resurser. ? Databehov
för att kunna svara på frågor gällande
situation just nu eller bak- och framåt i tiden.
6
Om mål vad vill vi nå?
Frågor med tidsmässig och spatial
täckningNationella ? Skogspolitiken,
energipolitikenRegionala ? Investeringar i
produktionenFastighetsnivå ? Värden,
avverkningsmöjligheternaBeståndsnivå ?
Skogsvården, optimala åtgärderTrädnivå ? sällan
viktig, ekar i Tyskland?? Olika krav på
noggrannhet, variabler
7
Om mål vad vill vi nå?
Fastighets Beståndsnivå Olika frågor och
variabler enligt åldern / utvecklingsklass (växtpl
ats, volym, tillväxt, distributionsvariabler av
höjd- eller diameterdistributionen, LAI? osv.)
8
Om mål vad vill vi nå?

• Att mäta skog innebär, alltid (Den gyllene
  trojkan)
• mätningar och observationer (själva arbetet)
• användandet av modeller (beroendet mellan
  variabler)
• sampling / urval (några få representera de
  övriga)

t.ex. 1 Höjd-, relaskåpmätningar, bestämningen
av växtplatstypen.2 Volymfunktioner,
allometrisk samverkan mellan variabler
(krondiameter stamdiameter)3 Provträd,
provytor, provlinjer, gles data
9
Om mål vad vill vi nå?

• Fjärranalys av skogar
• Mätningar från luften / rymden och I skogen
  (referens) (flygburen laserskanning)
• Modeller mellan variabler av intresse och
  måttagningar, skogliga / optiska / på
  radiofrekvenser osv. Imputering
  (tilldelning) av det kända beroendet till det
  okända området/populationen. Icke-parametriska
  tekniker, regressionanalys
• Urval / Sampling har en mindre (varierande)
  betydelse

10
Om mål vad vill vi nå?
Fjärranalys i ett nötskal Två alternativ
empirisk eller teoretisk approach 1 Objekt ?
Sensorsystemet ? Observationer tolkning 2
Observationer teorin ? Inversionen ?
ObjektEgenskaper hus olika tekniker- Aktiva
mot passiva observationer - Spatial
upplösningsförmogan, sampling täthet- Spektral
upplösningsförmogan (antalet våglängsbanden)-
Radiometrisk upplösningsförmogan (Bit
djuplek)- Tidsmässig upplösningsförmogan-
Mediet och korrigering för dess inverkan
(submarin-, när-, luft-, rymdfjärranalys)- 2D,
2.5D, 3D
11
Några exempel
12
Några till
13
Litet om historien, i Finland, före
digitalisering av allt
Teknikens utveckling i fjärranalys, inom civila
applikationer, har följt denna inom?
Försvarsmakten fick de första kameror på
30-talet Finska skogsforskare rapporterade om
flygfotograferings möjligheter på 30-talet
(Tyskland) Lantmäteriverket i Finland, efter
kriget, kartläggning Infrarödfilmen nådde Finland
på 1970-talet Stereotolkning av bilder på
1980-talet Ortokorrigerade digitala bilder först
i slutet av 90-talet Satellitbilder för
rikskogstaxering (Poso, Tomppo) har existerat i
över 20 år.
14
Litet om historien i Finland och annanstans Vad
(militär) teknikens framgång har möjliggjort och
gett oss?
Teknikens sista landvinningar Flygburen
laserskanning kom på 2000-talet -
GPS/INS-teknik för s.k. direkt orientering av
sensorerna (vinklar, positionen i XYZ), -
Snabba lasersändare/mottagare gt100 kHz PRF PUF
(punktätheten, kostnader) - Vågformlasern,
förbättrad radiometrin i eko-lasrar Digitala
flygfotograferingskameror (stora CCD-ytor,
radkameror som mäter irradians), 2005 -
Databehandlings utveckling, rörlighet,
lagringsmediernas kapacitet, hastighet av
dataöverförningen, nya algoritmer inom
datavetenskap, automatiska. 1990-
Satellitbilder med sub-meter upplösningsförmoga,
hyperspektrala skannrar osv.1995-.
15
Litet om historien i Finland och annanstans Vad
(militär) teknikens framgång har möjliggjort och
gett oss?
Men,.., trots allt slags progress, kom ihåg att
- Att flyga kostar 50 /min i atmosfär,
Ute i rymden?- Ostadigt väder / molntäcket vs.
molnfri med en solelevation på 30 grader -
Sommaren är kort - Olika skogar visar lindriga
skillnader i mätningar som är tagna på en distans
av 1-10 km eller 600-900 km. Inversion?
16
3D mätningar och bildbehandling - Digital
fotogrammetri
Skogen är ett komplicerad 3D system
Idéen Rekonstruktion av tredimensionella objekt
från mer än en bild. Behövs En operatör eller
algoritm som löser bildmatchningsproblemet. Utmani
ng Problemet kan ej lösas entydigt I de flesta
fallen (skuggning, perspektiv) i skogar.
Lösningar leder till en kombinatorisk
explosion.CHMkrontaksmodell
(yta)DEMterrängsmodell (höjdyta)
17
3D mätningar och bildbehandling - Digital
fotogrammetri
Andel fotosynliga träden enligt relativa höjden
(0-1).
Skogen är ett komplicerad 3D system
Manuell lösning till bildmatchingproblemet för
trädtoppar.
18
3D mätningar och bildbehandling - Digital
fotogrammetri
Lösning till bildmatchingproblemet genom att
begränsa volymen av möjliga lösningar
geometrisk begränsning.
19
3D mätningar och bildbehandling - Digital
fotogrammetri
20
3D mätningar och bildbehandling - Digital
fotogrammetri
För- och nackdelar med BILDER(Passiv optisk
fjärranalys) - WX (vädret) - Skuggor
Blockering -/ Att åstadkomma något i 3D är lite
komplicerad (Analytisk geometri
databehandling) Att nå tät urval/samplig är
billigare än med LiDAR/radar Multispektrala
bilder, tidssekvensser
Skogen är ett komplicerad 3D system
21
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Om tekniken som detonerade banken Apparatens
delar - laser pulssändare (nanosekunders
längd)- laserljus våglängd 500-1100 nm. - en
exakt klocka, mäter tid (gångtid), distansen
1/2?t?c.- mottagare med en/flera korrelator
eller en provtagning på GHz- uppmätningar
distans, vågformsvariabler (t.ex. amplitud)-
datorn GPS/INS systemet, apparatens ställning
och position, kontinuerligt. Distans
transformeras till XYZ.
AVI From the aboveAVI Impivaara
22
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Laserskanning ger observationer om växlighetens
geometri och radiometri (bacscatter,
återspridning?).Bladyta, bladställning, täthet,
osv. påverkar signalen.Pulsen når ofta
terrängen.
23
Laserskanning För- och nackdelar Väldigt
lätt för användaren att utföra 3D rekonstruering.
Direkt mätning av XYZ koordinater, jämför med
bildmatching Aktivt system, vädret mindre
kritiskt komponent, sol-elevation, nedanför
molntäcket, 4-8?mera WX under växtperioden i
jämförelse med rymd- eller flygburen
fotografering Inga skuggor i landskapet,
minskad blockering pga. små vinklar (/- 15
grader) /- Återspridning endast på en våglängd,
men inga BRDF-effekter (bidirektionel
återspegling?). Konstiga effekter pga.
distansvariationen, systembundna justeringar.
/- Sensor orientering är känslig för GPS-fel.
Lutningsvinklar (hållning av laserkanonen) har
fel på 40-100 milliradianer, ju högre man flyger,
desto värre noggrannhet för punkter i terrängen -
Icke-systematisk sampling (punkkonfigurationen
beror på många faktorer) Höga samplingsgrader
blir dyra pga. låga flyghöjder.
24
Laserkanning i skogen
Pulser som nått terrängen digital höjdmodel
Ekon i trädkronor ? trädhöjder, positioner,
krondiametrar, trädslag, inventering av
virkesförråd med enstaka träd metoden. Ekon I
trädkronor inom ett bestämd område kalkylering
av statistiska fördelningsvariabler (medelvärde,
standardavvikelse, kvantiler,..) av höjd- och
intensitetdistributioner (-fördelningar).
25
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Uppskattning av medelhöjden på provytansnivå.Fö
rklarande variabler höjdkvartiler, Kvot av
terrängsträffar.
Precisionen av stamvolym på provytansnivå.
26
Den okomplicerade vägen - Flygburen laserskanning
Laserskanning används redan för uppskattning av
virkesresursser för skogsbruksplanering -
Laserskanning, 1 /ha- Flygbilder, 0.5 /ha-
Provytor, 2-4 /ha- Statistisk imputering, 0.5
/haResultaten är- i rasterformat eller enligt
beståndsindelning- indelning genom tolkning av
laserdata- stamvolym, medelhöjd, grunddyta,
stamantal per trädslag- I bestånd med Hgt 6-8
meterFörsta erfarenheter i Nordamerika och i
ryssland på 1980-talet.
27
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Enstaka träd metoden med bilder LiDAR
28
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Enstaka träd metoden med bilder,
trädpositioner, höjder
29
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Kronform med LiDAR
Krondiametern med flygfoton
30
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Höjdmodeller med hjälp av gamla foton i arkivet.
Försumpningen av träsk och gölar I
fototidsekvenser
31
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Kartläggning av renlavar med lasersignalen
32
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Uppskattning av plantbestånd i flygfoton och
laser.
33
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Mätning och kartläggning av objekt med
laserpulser som ej har tangerat dom.
Öppningar i pseudodatan motsvarar trädkronor
34
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Jämförelser av kameror och laserskannrar i fält /
simulering.
ADS40 radkamerabild. Vägen ej går i sicksack.
Exponering kontinuerligt under flyget.
Samtidig mätningen av spektrum av object och
ankommande ljus.
35
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Utveckling av metoder för att bestämma positionen
under krontaket på dm-nivå.
36
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Identifiering av torvmarkstyper I
laserskanningmaskin-intelligens används med
över 60 förklarande variabler.
Tuvor och avtryck på en karg myrmark
37
Exempel på forskningsarbetet av Korpela et al.
Klassificering av trädslag i laserskanning
Trädkronor och tak i Hyytiälä
38
Exempel på framtida forskningsarbetet av Korpela
et al.

• Uppskattningen av underväxten i vågform- och
  eko-laser
• Spektral kalibrering av digitala flygbilder för
  skoglig tolkning

TACK FÖR INTRESSET!