Možnosti využití dat laserového skenování v environmentálních vědách

Ing. Michal Fogl

Doctoral thesis

The Use of Laser Scanning Data in the Environmental Sciences

Abstract:

Dálkový průzkum Země významným způsobem ovlivnil možnosti popisu prostředí a stal se nepostradatelným zdrojem dat pro analýzy v environmentálních vědách. Významnou měrou pak tyto možnosti rozšířilo letecké laserové skenování (LiDAR), které umožnilo přímý sběr relativně přesných trojrozměrných dat z rozsáhlých oblastí. Předkládaná práce si klade za cíl alespoň částečně odpovědět na výzvy, které při používání LiDARu v environmentálních vědách vyvstávají a mezi něž patří následující témata: (a) sběr dat bezpilotními leteckými prostředky (UAVs) využívajícími laserové skenování; (b) filtrace bodových mračen z laserového skenování; (c) přesnost digitálních modelů terénu vytvořených ze snímkování pomocí bezpilotních leteckých systémů a z leteckého laserového skenování a (d) aplikace dat leteckého laserového skenování v urbánním prostředí. Výsledky práce ukázaly vysoký potenciál UAV laserového skenování pro zachycení struktury vegetace a terénu. Kombinace LiDARu a UAV je pro některé projekty z ekonomického hlediska mnohem dostupnější než pořízení dat konvenčního leteckého laserového skenování. Nicméně je potřeba zvolit vhodný bezpilotní prostředek, neboť zde použitá autonomní vzducholoď se ukázala jako problematická. V určitých případech lze jako alternativu LiDARu pro mapování terénu využít metodu fotogrammetrického snímkování pomocí UAV. V mimovegetačním období dosahuje tato metoda v listnatých lesích a v místech s nízkou vegetací obdobné přesnosti jako laserové skenování. Přesnost výsledného modelu terénu může být v každém případě ovlivněna volbou filtračního algoritmu. Ve studii byly testovány filtrační algoritmy napříč různými typy prostředí a ukázalo se, že kritická je zejména volba algoritmu s ohledem na charakter vegetace (např. les versus step) a terénu. Nakonec se práce zabývá konkrétní případovou studií, která byla možná zejména díky existenci volně dostupných LiDARových dat. Zpracovaná studie řeší efekt zastínění vegetací na odhad solárního potenciálu střešních ploch. Z výsledků je patrný předpoklad, že vliv zastínění okolní vegetací u solárního potenciálu střešních ploch hraje mnohem vyšší roli v lokálním měřítku. Naopak při řešení napříč rozlehlými urbánními oblastmi je již tento vliv zanedbatelný.

Abstract:

Remote sensing (RS) has significantly enhanced the possibilities of describing the environment and become an irreplaceable data source for analyses in environmental sciences. Capabilities of RS were further improved by introduction of airborne laser scanning (LiDAR), which facilitated a direct collection of relatively accurate three-dimensional spatial data from extensive areas. The presented thesis aims to at least partially respond to the challenges that are associated with the use of LiDAR in environmental sciences, including (a) data collection using laser scanners mounted on unmanned aerial vehicles (UAVs); (b) filtering point clouds acquired from laser scanning; (c) accuracy of digital terrain models acquired using airborne laser scanning and those derived from UAV imagery; and (d) application of laser scanning data in the urban environment. The results of the thesis showed a great potential of UAV laser scanning for capturing terrain and vegetation. The combination of LiDAR and UAVs is for some projects much more cost-efficient than acquisition of data from conventional airborne laser scanning. It is however necessary to use a suitable UAV platform as the use of an airship in our study proved to be problematic. Under certain circumstances, photogrammetric processing of UAV-acquired imagery may prove to be a suitable alternative to LiDAR for terrain mapping. In the off-leaf season, this method yields a similar accuracy to airborne laser scanning in deciduous forests and in places with low vegetation. In any case, the accuracy of resulting models can be affected by the choice of the filtering algorithm. We have tested filtering algorithms across multiple types of environment and revealed that when choosing the filtering algorithm, it is crucial to take the character of vegetation (e.g. steppe vs. forest) and terrain into consideration. Finally, the thesis also includes a case study utilizing the existence of freely available LiDAR data. The study discusses the effect of shadows on the rooftop solar potential estimates. The results imply that the effect of shadows cast by vegetation plays a much greater role at a local scale than at a larger scale and when for example considering the solar potential of an entire agglomeration, the effect is negligible.

Keywords

LLS, UAV, mračno bodů, 3D mapování, snímkování, LiDAR

Keywords

LiDAR, ALS, UAV, point cloud, 3D mapping, imagery

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 8. 2019

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Vítězslav Moudrý, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Environmental Sciences / Applied and Landscape Ecology