Srovnání bodových mračen z laserového skenování a fotogrammetrie: terén a struktura vegetace

Bc. Jan Malý

Master's thesis

Comparison of LiDAR and SfM point clouds: terrain and vegetation structure

Abstract:

Letecké laserové skenování (LiDAR) se dlouhodobě používá k mapování zemského povrchu a data z něj slouží jako podklad k tvorbě digitálních elevačních modelů. Čím dál častěji se také používá v lesnictví pro odhad objemu dřevní hmoty, detekci korun jednotlivých stromů nebo určování jejich výšek. V posledních letech se jako alternativa používá fotogrammetrie získaná pomocí bezpilotních leteckých systémů (UAS), které mají výhodu nižší pořizovací ceny a vyšší dostupnosti. Problémem fotogrammetrie je ale sběr dat v hustých lesních porostech. Zatím co laser je schopen proniknout skrz koruny stromů a poskytnout tak najednou informace o struktuře nižších pater vegetace a terénu, u UAS není možné během jednoho náletu fotogrammetricky rekonstruovat prostor zastíněný uzavřenou plochou korun stromů. Při použití fotogrammetrie pro lesnické aplikace je tak obvykle nutný dodatečný zdroj modelu terénu (např. LiDAR). V opadavých porostech se nabízí možnost sběru dat pomocí UAS v různých ročních obdobích a jejich následná kombinace. Cílem práce je posoudit nahraditelnost dat leteckého laserového skenování daty získanými kombinací bodových mračen z fotogrammetrie pomocí UAS v době bez olistění (zima) a s olistěním (léto). Pro celé zájmové území byly z obou datových sad vytvořeny modely výšky vegetace v různých rozlišeních (10, 5, 2 a 1 m). Pro tři vybrané oblasti s rozdílnými vlastnostmi vegetace (dva druhy lesu, step) byly popsány vertikální profily bodových mračen a byly modelovány tři různé charakteristiky vertikální struktury vegetace (průměrná výška, maximální výška, směrodatná odchylka). Nejlepších výsledků bylo dosahováno na plochách s menším množstvím vysoké vegetace a s jejím přibýváním se objevovalo více chyb. Lepší shody bylo dosahováno u méně podrobných rozlišení a se zvyšující se podrobností se shoda zhoršovala. Nejlépe modelovanou charakteristikou byla maximální výška. Data získaná kombinací fotogrammetrie pomocí UAS ze dvou ročních období byla zhodnocena jako dostatečně kvalitní alternativou k LiDARu. Ideální použití pro modelování lesních metrik s předpokladem nejlepších výsledků je na území s rozvolněnou vegetací při rozlišení 10 m.

Abstract:

Airborne laser scanning (LiDAR) has been used to map the Earth's surface for a long time and data from this are used as a basis for the creation of digital elevation models. Increasingly, it is also used in forestry to estimate the volume of wood mass, to detect crowns of individual trees or to determine their heights. In recent years, photogrammetry obtained using unmanned aerial systems (UAS) has an advantage in terms of lower purchase prices and higher availability. The problem of photogrammetry is the collection of data in dense forest stands. While the laser is able to penetrate through tree crowns to provide information of the structure of lower vegetation and terrain at the same time, UAS can’t reconstruct photogrammetrically a space shadowed by a closed area of tree crowns. When using photogrammetry for forestry applications, an additional source of terrain model (eg LiDAR) is usually needed. The deciduous stands offer the possibility to collect data using UAS at different seasons and their subsequent combination. The aim of the thesis is to evaluate the replaceability of airborne laser scanning data with photogrammetry data obtained by unmanned aircraft in leaf off season (winter) and in leaf on season (summer). For the whole area of interest, canopy height models in different resolutions were created and for three selected areas with different vegetation properties (two types of forest, steppe), vertical profiles of point clouds were described and three different characteristics of the vertical vegetation structure were modelled (average height, maximum height, standard deviation). The best results were achieved on areas with a low amount of high vegetation and with the increase there were more mistakes. Better match was achieved with less detailed resolution and worsening details with consistency. The best modeled feature was the maximum height. The data obtained by a combination of photogrammetry using UAS from two seasons was evaluated as a sufficiently good alternative to LiDAR. The ideal use for modeling forest metrics with the assumption of the best results is in the area with vegetation loose at a resolution of 10 m.

Keywords

UAS, fotogrammetrie, model výšky vegetace, LiDAR

Keywords

LiDAR, UAS, photogrammetry, canopy high model

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 12. 2018

Thesis defence

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

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme / field:
Landscape Engineering / Landscape Engineering