Jari Vauhkonen

Estimating single-tree attributes by airborne laser scanning: methods based on computational geometry of the 3-D point data

Vauhkonen J. (2010). Estimating single-tree attributes by airborne laser scanning: methods based on computational geometry of the 3-D point data. https://doi.org/10.14214/df.104

Tiivistelmä

Puutunnusten estimointi ilmalaserkeilauksella: kolmiulotteisen pisteaineiston laskennalliseen geometriaan perustuvia menetelmiä Ilmasta suoritettavasta laserkeilauksesta on 2000-luvulla tullut hyvin yleinen metsäinventoinnin tietolähde. Aiempia laserkeilausaineistojen yksinpuintulkintatarkkuuksia ovat heikentäneet virheet löydettyjen puiden määrässä ja epätarkkuudet sekä puulajitulkinnassa että rungon tunnusten allometrisessa estimoinnissa. Tässä työssä tarkasteltiin puiden latvusten rekonstruointia pisteaineistojen laskennalliseen geometriaan perustuvilla menetelmillä sekä tekniikoita varsinaisten puutunnusten johtamiseksi latvusrakenteista. Erilaiset pisteaineistojen kolmiulotteisiin alfa-muotoihin (engl. alpha shape) perustuvat tilavuus-, kompleksisuus- ja pinta-alamuuttujat osoittautuivat hyödyllisiksi puulajien välisten allometristen erojen kuvaamiseen, mutta lopullisten puutunnusten tarkkuuksien kannalta alfa-muotoihin perustuviin muuttujiin kannatti yhdistää korkeus- ja intensiteettijakaumista johdettua tietoa. Lähimmän naapurin estimointimenetelmien havaittiin käyttävän selittäviä muuttujia parhaiten hyödyksi. Lisäksi ko. menetelmillä voitiin ennustaa kaikki kiinnostuksen kohteena olevat puutunnukset samanaikaisesti ja siten välttää virheiden vaikutuksia korostava estimointiketju. Erityisesti Random Forest-menetelmä kykeni sisällyttämään estimointivaiheeseen kaikki lasketut selittävät muuttujat ilman että niiden lukumäärää olisi tarvinnut erikseen vähentää. Valta- ja välilatvuskerroksessa sijainneiden puiden puulajin luokittaminen männyiksi, kuusiksi ja lehtipuiksi onnistui 78% tarkkuudella ja rinnankorkeusläpimitan, puun pituuden sekä runkotilavuuden estimaattien keskineliövirheet (RMSE) olivat 13%, 3% ja 31%, kun tulosta arvioitiin erillisessä validointiaineistossa. Vähemmän kontrolloituna puiden tulkinta ja puutunnusten estimointi tuotti metsikkötasolla tarkasteltuna epäluotettavia puustotunnusten estimaatteja. Tarkkuutta vähensivät virheet puiden rajauksessa sekä epätarkkuudet yksittäisten puiden tunnusten estimaateissa varsinkin puulajin osalta. Tarve maastoreferenssiaineistoille sekä mahdollinen laseraineiston ulkopuolisen tiedon tarve molemmat rajoittavat kehitetyn menetelmän käytettävyyttä. Toisaalta tutkimuksessa tuotettiin pelkän laseraineiston (tiheys 4 pulssia / m2) pohjalta estimaatteja latvusrajan korkeudelle 20-30% tarkkuudella RMSE:llä mitattuna. Ko. tunnus on tärkeä nimenomaan tukkikokoisten mäntyjen ulkoista laatua kuvaava tunnus. Tulosten perusteella puutason tulkinta kannattaa kohdistaa nimenomaan päälatvuskerrokseen kohdistuviin tarkkoihin mittauksiin, jolloin käytännön inventointijärjestelmässä yksinpuintulkinnalla saatavia hyötyjä tulisi tarkastella suhteessa vaihtoehtoisiin menetelmiin sekä niiden kustannuksiin.

Avainsanat
metsäinventointi; alfa-muoto; Delaunay-kolmiointi; LiDAR; lähin naapuri; random forest-menetelmä

Julkaistu 26.4.2010

Katselukerrat 4612

Saatavilla https://doi.org/10.14214/df.104 | Lataa PDF

Osajulkaisut

Vauhkonen, J., Tokola, T., Packalén, P. & Maltamo, M. 2009. Identification of Scandinavian commercial species of individual trees from airborne laser scanning data using alpha shape metrics. Forest Science 55(1): 37-47.

http://www.ingentaconnect.com/content/saf/fs/2009/00000055/00000001/art00004

Vauhkonen, J., Tokola, T., Maltamo, M. & Packalén, P. 2008. Effects of pulse density on predicting characteristics of individual trees of Scandinavian commercial species using alpha shape metrics based on airborne laser scanning data. Canadian Journal of Remote Sensing 34(Suppl. 2): S441-S459.

http://pubservices.nrc-cnrc.ca/rp-ps/absres.jsp?jcode=cjrs&ftl=m08-052

Vauhkonen, J., Korpela, I., Maltamo, M. & Tokola, T. 2010. Imputation of single-tree attributes using airborne laser scanning-based height, intensity, and alpha shape metrics. Remote Sensing of Environment 114(6): 1263-1276.

https://doi.org/10.1016/j.rse.2010.01.016

Vauhkonen, J., Korpela, I., Pitkänen, J. & Olofsson, K. 2010. Estimating plot-level forest attributes per species by single-tree imputation using airborne laser scanning-based height, intensity, and alpha shape metrics. Manuscript.

Vauhkonen, J. 2010. Estimating crown base height for Scots pine by means of the 3-D geometry of airborne laser scanning data. International Journal of Remote Sensing 31(5): 1213-1226.

https://doi.org/10.1080/01431160903380615

---