Laserkeilauksen metsätieteelliset sovellukset Matti Maltamo, 22.3.2011 Kärkihankeseminaari Tahkolla.

Esitys aiheesta: "Laserkeilauksen metsätieteelliset sovellukset Matti Maltamo, 22.3.2011 Kärkihankeseminaari Tahkolla."— Esityksen transkriptio:

1 Laserkeilauksen metsätieteelliset sovellukset Matti Maltamo, 22.3.2011 Kärkihankeseminaari Tahkolla

2 Terminologiaa metsänarvioimistieteestä Yleensä kiinnostuksen kohteena puuston tilavuus jollakin alueella: –Kyseessä runkopuun tilavuus m 3 /ha –Puulajeittain Suomessa –Tilavuuden sijasta biomassa, mukana myös oksat ja mahdollisesti juuret –Tilavuutta tai biomassaa ei voi mitata ilman puun kaatoa, joten se lasketaan muiden tunnusten avulla allometrisilla malleilla –Muita tunnuksia puiden lukumäärä hehtaarilla, pohjapinta-ala hehtaarilla (=puiden 1,3 metrin korkeuden poikkileikkauspinta-alan summa), keskiläpimitta, keskipituus, läpimittajakauma, puulaji, tilajärjestys eli puiden sijainti toisiinsa nähden, toimenpidetarve Metodologia metsänarvioimistieteeseen perinteisesti tilastotieteestä 14.6.2016Matti Maltamo 2

3 Terminologiaa metsänarvioimistieteestä Pinta-alayksiköt –Tunnukset yleistetään hehtaaritasolle, mittaukset (läpimitta, pituus, puulaji) kuitenkin yleensä puukohtaisia ja mitataan puut koealoilta, esim. 9 m säteinen ympyräkoeala, joiden hehtaaritason arvot toimivat esimerkiksi mallitettaessa selitettävinä muuttujina –Mittaukset yleensä aina otos tai näyte –Käsittely-yksikkö kuvio, joka on Suomessa tyypillisesti 0,5-5 hehtaaria suuri alue sama puulajirakenne sama maaperän rehevyys sama puuston kehitysluokka –Esimerkiksi 3 hehtaarin kuusikkokuvio, jolla puuston tilavuus 300 m 3 /ha 14.6.2016Matti Maltamo 3

4 Terminologiaa metsänarvioimistieteestä Metsäninventoinnit –Kuvioittainen arviointi Arvioidaan puusto kuviolla Mittaukset vähäisiä Paikkaan sidottua tietoa, 100% pinta-alallinen kattavuus Tätä inventointia pyrimme laserkeilauksella kehittämään Kuviot muodostavat metsänomistajan metsätilan, metsälön, jolle inventointitiedon perusteella tehdään metsäsuunnitelma –Valtakunnan metsien inventointi (VMI) Otospohjainen koko maata koskeva systemaattisen koealaverkon tarkka mittaus Tilastotietoa Suomen metsistä Metsäntutkimuslaitos toteuttaa asetuspohjaisesti –Suojelualueinventoinnit –Hakkuuta edeltävät inventoinnit –Kansainvälisesti myös muita inventointeja 14.6.2016Matti Maltamo 4

5 Forestry applications of ALS Forest inventory Individual tree delineation Area based method Tree species specific estimation Other applications Forest ecology 14.6.2016Matti Maltamo 5

6 Individual tree delineation Delineate individual trees, measure their dimensions and aggregate to the desired level Common method –Interpolate CHM –Low-pass filtering –Local maximas  tree tips –Segmentation  crown area –Estimate dimensions  height, diameter, V,.. –Aggregate to desired level 14.6.2016Matti Maltamo 6

7 Several segmentation techniques have been developed in order to extract indivudual tree crowns –Most of these methods require Canopy Height Model (CHM) as an input –Other methods involve e.g. using laser point cloud directly, or ALS data is combined with aerial images In theory the aim is to measure tree dimension (=height) directly. This differs from conventional approaches to using RS data in the estimation of growing stock. However, in reality dimensions are not measured but modeled – there is no big difference compared with conventional methods used in RS Individual tree delineation 14.6.2016Matti Maltamo 7

8 Basic method is to assume that tree height is the same as local maxima. This height is always an underestimate because it is not quaranteed that ALS point hits to the tip of tree. Thus a model is required in order to reduce bias. Usually diameter is estimated based on (estimated) height. Volume is usually the ultimate parameter of interest. –Allometric relationship of tree height and diameter is not very strong  serious problem An alternative method is to estimate all the tree attributes (H, D13, V, by species, …) simultaneously by some multivariate method (e.g. NN estimation) –Treewise ALS point clouds, neighbouring trees Individual tree delineation 14.6.2016Matti Maltamo 8

9 The key issue is the detection and delineation of trees –Generally only those that can be seen above are found –On the other hand these may represent e.g. > 90% of the volume –Unrealistic diameter distribution without any adjustment Semi-ITC –Impute 0-n trees to the detected crows from the modelling data Individual tree delineation 14.6.2016Matti Maltamo 9

10 Accuracy –Results contradict slightly, it is obvious that in dense forests stem number is substantially underestimated –Currently there is no reason to assume that the accuracy would be better (or worse) than in the area based approach How to utilize tree level information? –Tree level growth and yield modeling, forest planning –Tree coordinates are additional information compared with most other RS or field methods (added value?) Added value in forest inventory? Spatial models, visualization, … Individual tree delineation 14.6.2016Matti Maltamo 10

11 Area based method Uses ALS points directly First step is always to calculate ALS point heights at a.g.l. Estimation unit is usually a plot E.g. grid (grid = a set of rectangular plots) or micro-stand are used when model is applied 14.6.2016Matti Maltamo 11

12 14.6.2016Matti Maltamo 12

13 Predictor variables –Two type of predictors: height and density –Percentiles for the canopy height: h0,…, h100 –Proportional canopy densities: p0,…, p100 –Mean, Std & the proportion of vegetation hits –Predictors are calculated for different echo categories Estimate plot attributes (for a group of group of trees) –Linear regression is the most often used modeling approach, however, also non-parametric methods, bayesian regression and ANN have been used Area based method 14.6.2016Matti Maltamo 13

14 Tree level data (e.g. diameter distribution) –It’s also possible to produce tree level data with area based methdod –Probability distrubutions (Weibull, Beta etc.) –Tree list imputation Accuracy of area based method is very good in terms of total volume in boreal forest (tree species not taken into account) –The RMSE-% of volume even <10% at stand level –More accurate than traditional inventory by compartments Area based method 14.6.2016Matti Maltamo 14

15 ITD –ALS data >5 pulses / m² –Requires that tree coordinates are measured on the field –Not really in operational use (yet?) Area based method –ALS data <1 pulse / m² –More sample plots are required than in ITD –Operationally used, established method Both approaches have been intensively studied during past 10 years ITD vs. Area based method 14.6.2016Matti Maltamo 15

16 Seedling and sapling stands Mostly unexplored field of study Different attributes of interest than in mature forests Stem number is usually very important Timing, timing, timing, … Species recognition, unwanted tree species Compatibility, separate method / estimation? 14.6.2016Matti Maltamo 16

17 So far ALS has not been utilized in large area inventories in which the aim is to produce accurate totals for the whole area (e.g. NFI) ALS based sampling techniques are still under development (e.g. variance estimators) Multi phase sampling or sampling with auxiliary information ALS in sampling and large area applications 14.6.2016Matti Maltamo 17

18 We have also worked with ALS data from tropical Eucalyptus plantation and REDD inventories (T.Tokola) In plantations –Area based approach –Forest Structure simplier than in Finland – Age, clone and seedling density known –Compatibility with applied growth and yield models New data from Nepal and Vietnam Tropical applications 14.6.2016Matti Maltamo 18

19 ALS based forest inventories l Inventory area must always be rather large that ALS based forest inventory is economically viable l Field measurements are always an essential part of every inventory procedure l Inventory procedure must always be adjusted to local conditions and user needs l Tree species is often a mandatory requirement which makes everything much more difficult 14.6.2016Matti Maltamo 19

20 14.6.2016Matti Maltamo 20 Käytännön inventointien tilanne Suomessa v. 2011 Metsäkeskukset tekevät yhteistyössä tulkintaan erikoistuneiden firmojen kanssa aluepohjaista inventointia kuvioittasita arviointia varten n. 2 milj. ha vuonna 2011 –Lisäksi metsäfirmojen ja Metsähallituksen inventoinnit Maanmittauslaitos kerää ALS-aineistoa vielä huomattavasti suuremmalta alueelta maanpinnan korkeusmallia varten –Kevätaineisto, saatavilla hyvin edullisesti