Možnosti využití bezpilotních prostředků v praxi hospodářské úpravy lesů

Ing. Jaroslav Kubišta

Disertační práce

Possibilities of the use of unmanned aerial vehicles in the practice of forest management

Anotace:

Disertační práce zkoumá možnosti využití obrazových dat, získaných prostřednictvím malého dostupného bezpilotního prostředku, pro odvození základních dendrometrických informací o lese s potenciálem využití v rámci hospodářské úpravy lesa. Zejména cílí na ověření vlivu různých vnějších podmínek během pořízení obrazových dat na jejich kvalitu, stejně jako na kvalitu produktů vzešlých z těchto dat, konkrétně fotogrammetrických mračen a také na kvalitu dendrometrických údajů odvozených z těchto mračen. Skutečné prostorové rozlišení digitálních snímků zjištěné pomocí kalibračního cíle Siemens star dosahovalo v průměru 2,2násobek teoretického prostorového rozlišení. Skutečné prostorové rozlišení bylo významně ovlivněno letovou výškou bezpilotního prostředku, stejně jako světelnými podmínkami a rychlostí letu. Z obrazových dat, pořízených prostřednictvím bezpilotního prostředku za proměnlivých vnějších podmínek, byla pomocí postupu Structure from Motion rekonstruovaná fotogrammetrická bodová mračna (DAP). Jejich prostorová přesnost byla porovnána s referenčním bodovým mračnem získaným pomocí leteckého laserového skenování (ULS). Průměrná vzdálenost bodů od referenčního mračna nabývala hodnoty 0,3 m. Rostoucí výška letu měla negativní vliv na hustotu bodů i prostorovou přesnost odvozeného DAP mračna, nicméně i DAP mračna z nejvyšší letové hladiny 150 m dosahovala stále přijatelné odchylky 0,64 m od referenčního ULS mračna. DAP mračna byla rekonstruována pomocí dvou rozdílných programů. Komerční Metashape vytvářel v základním nastavení mračna s vyšší hustotou bodů než open-source varianta WebODM. Naopak mračna vzniklá ve WebODM vykazovala lepší prostorovou přesnost. Vliv odlišných světelných podmínek, ani rychlosti letu na kvalitu bodového mračna se nepotvrdil jako významný. Pro stanovení šířky plovoucího okna procedury Local Maximum Filter, sloužící k identifikaci jednotlivých stromů v rámci bodového mračna, byl na základě dat Národní inventarizace lesů připraven lineární model se smíšenými efekty odvozující šířku koruny na základě výšky stromu. Tento model byl kalibrován pro výzkumnou lokalitu na základě různých počtů kalibračních vzorků. Jako nejoptimálnější se potvrdil model kalibrovaný pomocí 5 vzorků. LMF metodou odhadované počty stromů jak v rámci referenčního ULS tak v rámci DAP bodových mračen byly v porovnání s pozemním měřením nižší. Průměrná relativní chyba dosahovala hodnoty -0,23 u ULS mračna a -0,46 u DAP mračen. Tato chyba se významně lišila podle výšky porostu. Nejhorší výsledky byly jak u ULS, tak u DAP mračen ve výškové kategorii 5-10 m, nejlepší naopak u kategorie 20-30 m.

Abstract:

This thesis investigates the possibilities of using image data obtained by a small unmanned aerial vehicle to derive basic dendrometric information about the forest that can be used for forest management. In particular, the influence of different external conditions during the acquisition of the image data on their quality as well as on the quality of the products derived from these data, namely photogrammetric clouds and last but not least the quality of the dendrometric data derived from these clouds, was verified. The Siemens star calibration target was successfully used to verify the actual spatial resolution of the digital images. The actual spatial resolution was on average 2.2 times the theoretical spatial resolution. The actual spatial resolution was significantly affected by the flight altitude of the drone as well as the lighting conditions and the flight speed. Photogrammetric (DAP) point clouds were reconstructed from image data acquired by an unmanned vehicle under variable external conditions using the Structure from Motion method. Their spatial accuracy was compared with a reference point cloud obtained by unmanned aerial laser scanning (ULS). The average distance of the points from the reference cloud was 0.3 m. Increasing flight altitude negatively affected the point density and spatial accuracy of the derived DAP cloud, but even DAP clouds from the highest flight altitude of 150 m still achieved an acceptable deviation of 0.64 m from the ULS reference cloud. DAP clouds were reconstructed with two different programs commercial Metashape in the basic settings produced clouds with a higher point density than the open-source variant WebODM. On the contrary, the clouds formed in WebODM showed better spatial accuracy. The influence of different illumination conditions and flight speed on the quality of the point cloud was not confirmed to be significant. To determine the width of the floating window of the Local Maximum Filter procedure used to identify individual trees within the point cloud, a linear mixed effects model based on National Forest Inventory data was created that derived canopy width from tree height. This model was calibrated for the research site using a different number of calibration samples. The model calibrated with 5 samples was found to be the most optimal. The number of trees estimated by the LMF method was lower than the ground measurements in both the reference ULS and the point clouds from DAP. The average relative error of tree count was -0.23 for ULS clouds and -0.46 for DAP clouds. This error varied considerably depending on the height of the trees. The worst results for both ULS and DAP were obtained in the 5-10m height category, and the best in the 20-30m category.

Klíčová slova

Lokální kalibrace smíšeného modelu šířky koruny, Individual Tree Detection, Local Maximum Filter, UAV, Prostorové rozlišení, Ground Resolved Distance

Keywords

UAV, Individual Tree Detection, Local Maximum Filter, Mixed-effects model of crown width local calibration, Spatial resolution, Ground Resolved Distance

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 2. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Ing. Peter Surový, PhD.

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta lesnická a dřevařská

Doktorský studijní program / obor:
Lesní inženýrství / Hospodářská úprava lesa