numeryczny model terenu obszaru zalesionego utworzony na

POLSKIE
TOWARZYSTWO
PRZESTRZENNEJ
NMT obszaru
zalesionego
utworzony naINFORMACJI
podstawie skanowania
laserowego...
ROCZNIKI GEOMATYKI 2008 m TOM VI m ZESZYT 8
49
NUMERYCZNY MODEL
TERENU OBSZARU ZALESIONEGO UTWORZONY
NA PODSTAWIE SKANOWANIA LASEROWEGO
I JEGO DOK£ADNOŒÆ
DIGITAL TERRAIN MODEL OF FORESTED AREA
BASED ON LASER SCANNING AND ITS ACCURACY
Krzysztof Bêdkowski, Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak
Katedra Urz¹dzania Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leœnictwa, Wydzia³ Leœny
Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
S³owa kluczowe: LIDAR, NMT, leœnictwo, dok³adnoœæ
Keywords: LIDAR, DTM, topographical map, forestry, accuracy
Wstêp
Wiêkszoœæ nowoczesnych metod pomiarowych, które doskonale sprawdzaj¹ siê na otwartej przestrzeni, napotyka na znaczne ograniczenia zastosowañ w œrodowisku leœnym. Brak
widocznoœci, liczne przeszkody terenowe oraz swego rodzaju brak odczucia kszta³tu powierzchni terenowej sprawiaj¹, ¿e jakoœæ danych sytuacyjnych i wysokoœciowych jest na
ogó³ mniejsza, ni¿ na terenach otwartych. Pojawienie siê techniki lotniczego skanowania
laserowego (LIDAR – Light Detection and Ranging) zmieni³o zupe³nie stan rzeczy. Mo¿liwe
jest obecnie pozyskiwanie du¿ej liczby danych – nawet do kilkudziesiêciu pomiarów na metr
kwadratowy. Jednak technologia skanowania laserowego mo¿e równie¿ napotykaæ na znaczne
utrudnienia w lesie. Wi¹zki promieni lasera s¹ odbijane przez korony, pnie, podrost oraz
podszyt, co powoduje, ¿e tylko czêœæ z nich dociera do poziomu gruntu.
Wi¹zki promieni lasera wysy³ane z poziomu lotniczego s¹ w stanie przenikn¹æ nawet
stosunkowo zwarte drzewostany. Szacuje siê, ¿e do 15–20% ogólnej liczby wyemitowanych
sygna³ów dociera do dna lasu (Hopkinson i in., 2004). Najwiêcej promieni przedostaje siê
przez przerwy pomiêdzy koronami drzew, natomiast na obszarze przys³oniêtym przez gêste
korony, niekiedy na powierzchni wielkoœci kilku lub kilkudziesiêciu metrów kwadratowych
brak jest jakiegokolwiek punktu pomiarowego.
Producenci oprogramowania s³u¿¹cego do interpolowania numerycznych modeli terenu
staraj¹ siê ograniczaæ wp³yw roœlinnoœci poprzez wprowadzenie odpowiednich algorytmów
filtruj¹cych. Trudno jest wiarygodnie oceniæ ich skutecznoœæ bez odniesienia siê do odpowiednio dok³adnych danych porównawczych. Doœwiadczenia (Sithole i Vosselman, 2003)
pokazuj¹, ¿e nie istnieje idealny algorytm daj¹cy zadowalaj¹ce wyniki w ka¿dych warunkach.
50
Krzysztof Bêdkowski, Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak
W niniejszej pracy omówiono wyniki analizy dok³adnoœci numerycznego modelu terenu obszaru zalesionego interpolowanego na podstawie danych skanowania laserowego. Dane referencyjne uzyskano w wyniku pomiarów terenowych.
Metodyka badañ
Badania (Bêdkowski i in., 2008) przeprowadzono w Uroczysku G³uchów, nale¿¹cym do
Leœnego Zak³adu Doœwiadczalnego Szko³y G³ównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Lotnicze skanowanie laserowe wykonano w maju 2007 roku. Zastosowano system
Falcon II firmy TopoSys z Niemiec. Obszar leœny pokryty skanowaniem ma powierzchniê
ok. 1000 ha. Charakterystykê pozyskanych danych przedstawiono w poni¿szej tabeli. Zastosowane parametry skanowania pozwala³y na uzyskanie kilkunastu punktów odbiæ na ka¿dym metrze kwadratowym powierzchni p³askiej, niepokrytej lasem.
Numeryczny model terenu interpolowano w siatce 1 m × 1 m za pomoc¹ oprogramowania TreesVis. Wykorzystano tzw. ostatnie odbicia (last echo) promieni lasera. Zastosowano
algorytm wykorzystuj¹cy wartoœci najni¿ej po³o¿onych punktów (Weinacker i in., 2004).
Ich selekcja dokonywana jest na podstawie wczeœniej wygenerowanej zgeneralizowanej p³aszczyzny, bêd¹cej uproszonym NMT. Po filtracji, tylko najni¿ej po³o¿ne punkty LIDAR-owe,
wykorzystuje siê do interpolacji finalnego modelu powierzchni.
Danymi referencyjnymi by³y rzêdne 79 punktów, bêd¹cych œrodkami czêœci sta³ych powierzchni badawczych, rozmieszczonych na obszarze uroczyska (rys. 1). Powierzchnie te
znajdowa³y siê w drzewostanach mieszanych sosnowo-dêbowych, najczêœciej z przewag¹
sosny, w wieku powy¿ej 30 lat. Pomiary terenowe wykonano za pomoc¹ tachimetru elektronicznego. Wyniki niwelacji trygonometrycznej przetworzono w programie WinKalk.
Pomiar geodezyjny oparty by³ o poprawnie wyznaczone punkty referencyjne usytuowane na zewn¹trz kompleksu w terenie otwartym (rys. 2). Do pomiaru wspó³rzêdnych u¿yto
czterech dwuczêstotliwoœciowych odbiorników GPS, serii 4700, firmy Trimble. Statyczna
metoda pomiaru, czas obserwacji nie krótszy ni¿ 15 minut oraz odleg³oœæ pomiêdzy punktami odniesienia i punktami wyznaczanymi nie przekraczaj¹ca 25 km zagwarantowa³y, ¿e b³êdy wyznaczenia wspó³rzêdnych X,
Tabela. Parametry systemu Falcon II,
Y, Z by³y mniejsze ni¿ ±2 cm. Wywraz z charakterystyk¹ uzyskanych z firmy TopoSys danych niki te uzyskano na podstawie wy(Bêdkowski i in., 2008)
równania obserwacji nawi¹zanych
do trzech punktów sieci geodezyjTyp sensora
Pulsacyjno- w³óknisty
nej pierwszego rzêdu (POLREF), na
D³ugoœæ fali
1560 nm
których rejestrowano dane w tym
Czêstotliwoœæ pulsów
5 nsec
samym czasie. Taka metoda pomiaru pozwoli³a zatem na wyra¿enie
Czêstotliwoœæ skanowania
83 kHz
wyników pomiarów w pañstwoZakres skanowania
14 , 3 °
wym uk³adzie wspó³rzêdnych oraz
Rejestrowane odbicia
pierwsze (FE) i ostatnie (LE) odbicie,
prawid³owe wyrównanie obserwaponad 50% pokrycie poprzeczne
cji. W wyniku opracowania obserpomiêdzy s¹siaduj¹cymi szeregami
wacji GPS, otrzymano zbiór wspó³Wysokoœæ lotu
700 m
rzêdnych p³askich w uk³adach EUWielkoœæ plamki
0,7 m
REF-89, PUWG 1992, PUWG 1965
NMT obszaru zalesionego utworzony na podstawie skanowania laserowego...
51
oraz wysokoœci w uk³adzie Kronsztad’60 i 86. W nastêpnym etapie wewn¹trz kompleksu
leœnego za³o¿ono sieæ poligonow¹ opart¹ na wczeœniej pomierzonych punktach referencyjnych. Wyrównanie sieci przeprowadzono metod¹ poœrednicz¹c¹ (program WinKalk). Uzyskano œredni b³¹d po³o¿enia punktu mp = ±0,09 m. Wysokoœæ wyznaczono z dok³adnoœci¹
dH = ±0,4 m.
Porównanie rzêdnych terenu (Z) wykonano w 79 punktach reprezentuj¹cych œrodki powierzchni doœwiadczalnych. Zestawiono dane pomiarowe z pomiarów geodezyjnych
(Field_survey) oraz lotniczego skanowania laserowego (DTM_Lidar). Korelacja rzêdnych
uzyskanych z numerycznego modelu terenu oraz pomiarów geodezyjnych (rys. 3) jest bardzo wysoka – wspó³czynnik determinacji wynosi R2 = 0,9995.
Rys. 3. Liniowa
zale¿noœæ rzêdnych (Z)
z pomiaru geodezyjnego
i z modelu terenu
W celu porównania wyników obliczono b³¹d œredniokwadratowy (RMSE) oraz wartoœæ
œredni¹ ró¿nicy pomiêdzy rzêdnymi Z (Bias), któr¹ interpretowano jako b³¹d systematyczny.
Jako wartoœci prawdziwe przyjêto wyniki pomiaru geodezyjnego.
Uzyskano nastêpuj¹ce wyniki:
1. Wartoœæ œrednia ró¿nicy rzêdnych (b³¹d systematyczny)
∑ (Z
n
Bias =
i =1
DTM _ Lidar
− Z Field _ survey )
n
= +0.23m
2. B³¹d œredniokwadratowy
∑ [(Z
n
RMSE =
i =1
DTM _ Lidar
− Bias ) − Z Field _ survey
n
]
2
= ±0.22m
gdzie:
n – liczba obserwacji (79),
Zfield_survey – rzêdna terenu ustalona w pomiarze terenowym,
ZDTM_Lidar – rzêdna z numerycznego modelu terenu (LIDAR).
52
Krzysztof Bêdkowski, Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak
Wnioski
Uzyskane wyniki wskazuj¹ na niedu¿¹ rozbie¿noœæ miêdzy rzêdnymi terenu okreœlonymi
w wyniku terenowego pomiaru geodezyjnego oraz na podstawie danych skanowania laserowego. B³¹d systematyczny dla rzêdnej Z, wynosz¹cy +23 cm, mo¿e byæ spowodowany
trudnoœci¹ przejœcia wi¹zki promieni lasera przez gêsty podszyt i roœlinnoœæ krzewiast¹ znajduj¹ce siê tu¿ nad gruntem. W trakcie pomiarów terenowych niejednokrotnie obserwowano
np., ¿e tyczka z pryzmatem wykorzystywanym w pomiarach tachimetrycznych by³a niewidoczna do wysokoœci oko³o 50 cm od poziomu gruntu.
Wykonane badania wykaza³y du¿¹ przydatnoœæ danych skanowania laserowego oraz skutecznoœæ algorytmu interpolacyjnego programu TreesVis do budowy numerycznych modeli terenu
obszarów leœnych. Modele te mog¹ byæ wykorzystywane do wyznaczania charakterystyk drzewostanów – wysokoœci pojedynczych drzew i przeciêtnej wysokoœci ca³ych drzewostanów.
Badania dotyczy³y drzewostanów w wieku 30 lat i starszych, które nie mia³y pe³nego
zwarcia. Ponadto dane skanowania laserowego pozyskano na pocz¹tku sezonu wegetacyjnego. Niezbêdne jest zatem sprawdzenie poprawnoœci modeli terenu interpolowanych dla
drzewostanów m³odszych, z wykorzystaniem danych uzyskanych w pe³ni sezonu wegetacyjnego, ze szczególnym uwzglêdnieniem gatunków iglastych.
Literatura
Bêdkowski K., Adamczyk J., Brach M., Gzowski P., Karaszkiewicz W, Krawczyk A., Marmol U., Mikrut
S., Miœcicki S., Morañda M., Olenderek H., Stereñczak K., Stêpniewski P., Walo J., Zawadka R., 2008:
Raport koñcowy projektu badawczego 2 P06L 02229 Zastosowanie lotniczego i naziemnego skaningu
laserowego w analizie struktury przestrzennej i funkcjonowania lasów w krajobrazie. Katedra Urz¹dzania
Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leœnictwa, SGGW w Warszawie.
Hopkinson C., Lim K., Chasmer L.E., Treitz P., Creed I.F., Gynan C., 2004: Wetland grass to plantation forest
– estimating vegetation height from the standard deviation of LIDAR frequency distributions. LaserScanners for Forest and Landscape Assessment, WG VIII/2. Freiburg, Niemcy.
Sithole G., Vosselman G., 2003: Comparison of filtering algorithms. WG III/3 Workshop „3-D reconstruction
from airborne laserscanner and InSAR data”. Drezno, Niemcy.
Weinacker H., Koch B., Weinacker R., 2004: TREESVIS: A Software System for Simultaneous ED-Real-Time
Visualisation of DTM, DSM, Laser Raw Data, Multispectral Data, Simple Tree and Building Models.
Proceedings of the ISPRS working group VIII/2, Freiburg, 3-6 2004. ISSN 1682-1750: 90-95.
W artykule wykorzystano dane uzyskane w pracy finansowanej ze œrodków na naukê w
latach 2005–2007 jako projekt badawczy 2 P06L 02229 „Zastosowanie lotniczego i naziemnego skaningu laserowego w analizie struktury przestrzennej i funkcjonowania lasów w
krajobrazie”.
NMT generowano za pomoc¹ programu TreesVis udostêpnionego przez Laboratorium
Teledetekcji i Systemów Informacji Przestrzennej (FeLIS) Uniwersytetu w Freiburgu, Niemcy.
Abstract
This paper deals with the accuracy of digital terrain model created for forested area using LIDAR
data. The DTM values were calculated in a 1 m × 1 m grid based on laser pulses last echoes. TreesVis
software developed in FeLIS Laboratory (University Freiburg, Germany) was used. Reference data,
NMT obszaru zalesionego utworzony na podstawie skanowania laserowego...
i.e. true terrain Z-values, were calculated based on accurate surveying measurements. 79 pairs of
points’ heights were compared in total. The accuracy of LIDAR DTM was satisfactory (see equations
for RMSE and Bias in the text).
dr hab. in¿. Krzysztof Bêdkowski
[email protected]
tel. +48 22 593 82 22
dr in¿. Micha³ Brach
[email protected]
tel. +48 22 593 82 13
mgr in¿. Krzysztof Stereñczak
[email protected]
tel.+48 22 593 82 17
53
54
Krzysztof Bêdkowski, Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak
Rys. 1. Numeryczny model terenu uroczyska. Zaznaczono po³o¿enie punktów kontrolnych
NMT obszaru zalesionego utworzony na podstawie skanowania laserowego...
55
Rys. 2.
Rozmieszczenie
g³ównych
ci¹gów
poligonowych
oraz
powierzchni
doœwiadczalnych