3D laserové skenování lesních porostů

Vratislav Mansfeld, Daniel Balín, Petr Macháček

V červnu letošního roku se v NP Bavorský les uskutečnila prezentace výzkumu zaměřeného na metodický vývoj venkovního sběru dat technologií 3D laserového skenování lesních porostů. Nová technologie, původně vyvinutá pro oblast stavebnictví a geodézie, nachází v současné době uplatnění i v dalších odvětvích. Konkrétně v hospodářské úpravě lesů nabízí široké možnosti využití. Digitální data, pořízená touto technologií, mají zajímavé vlastnosti a parametry. Tým Technické univerzity Mnichov (TUM), vedený profesorem Hansem Pretzschem ve spolupráci s Ústavem pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem (ÚHÚL), prezentoval při této příležitosti dílčí výsledky výzkumu. Řešitelé projektu poukázali na perspektivy technologie laserového skenování porostů v lesnictví při venkovním sběru dat, včetně následného zpracování pořízených informací, především ve vztahu k zjišťování dendrometrických veličin lesních ekosystémů.

Rozvoj hospodářské úpravy lesů

Hospodářská úprava lesů (HÚL) se řadí mezi tradiční lesnické disciplíny a její rozvoj je v zásadě možný ve dvou oblastech. První směr se orientuje na metody zařízení lesů. Aktuálně je diskutovaná tzv. alternativní metoda HÚL, respektive variantní přístup k zařízení lesů, než je znám z tradiční metody věkových tříd. Druhou oblastí je technologie venkovního sběru dat. Jedná se především o pracovní postupy, které pracují na bázi digitalizace obrazů z pozemního šetření a které lze doplnit informacemi z leteckého snímání. Získané údaje je možno v návaznosti na statistické metody (obdobně jako u NIL) zpracovat a vyhodnotit. Nový přístup lze spatřit nejen ve sběru informací o lesním porostu (počet stromů a jejich taxační parametry), ale také v jejich následném zpracování novými metodami. Oba zmíněné směry jsou předmětem zájmu ÚHÚL, přičemž v tomto článku je možné seznámit se s perspektivním způsobem venkovního sběru dat.

3D laserové skenování

Laserové skenování patří k nejmodernějším metodám pořizování prostorových dat. Poskytuje data v takové kvalitě, že v některých směrech neexistuje srovnání se stávajícími metodami geodetického měření.V současnosti se jedná o bezkonkurenčně nejefektivnější metodu pořizování prostorových dat. Limitujícími faktory mohou být pouze cena přístroje a možnost využití této technologie v lesnictví. Díky velké rychlosti měření a vysoké hustotě měřených prostorových bodů lze v krátké době získat podrobný a přesný 3D model, který zobrazuje měřené objekty s centimetrovou přesností. Výsledkem je mimořádně věrný obraz skutečnosti, který nelze pořídit jiným způsobem. Výhodou je též kompletnost naměřených dat.

3D laserové skenování se využívá především v inženýrské geodézii, při dokumentaci hutních, chemických a průmyslových provozů, při modelování měst a plánování rozvoje výstavby, v architektuře při měření fasád, pro měření v tunelech, v archeologii pro dokumentaci kulturního dědictví, v topografii, důlním měřictví a také při získávání scenérií pro virtuální realitu. Možnosti využití této technologie v lesnictví jsou zatím ve fázi výzkumu. Avšak už nyní lze říci, že by to mohla být perspektivní metoda pro objektivní, rychlé, nákladově výhodné kvalitativní i kvantitativní zachycení stavu lesa a poskytnutí vstupních dat pro modelování lesních ekosystémů.

Technologie LaserScanner

Laserové skenování bylo prováděno 3D laserovým scannerem firmy Riegl LMS-Z360. Pro zjednodušenou představu lze 3D scanner přirovnat k laserovému dálkoměru, který umí měřit vzdálenosti ve svém okolí v pravidelné síti. Za sekundu tímto způsobem zaznamená až 12 000 bodů a vytváří digitální 3D model svého okolí mračnem těchto bodů. Z několika stanovišť v terénu na dané lokalitě je pořízena série záznamů, ze které jsou při dalším zpracování odečítány všechny potřebné informace.

Pro ovládání scanneru slouží notebook s nainstalovaným softwarem RISCAN PRO, který umožní prvotní zpracování naskenovaných dat. V první řadě se jedná o spojení dat z jednotlivých pozic získaných měřením scanneru za účelem vytvoření celistvého modelu. Dále dochází k odstranění přebytečných bodů a exportu upravených dat do formátů, které lze načíst a editovat programy běžně používané projektanty (např. CAD nebo SW z oblasti GIS). Software nabízí širokou paletu formátů, do kterých lze data podle potřeby ukládat. Nejpoužívanější formát je DXF. Součástí scannerové soupravy je rovněž digitální fotoaparát, umístěný v horní části scanneru. Parametry fotoaparátu jsou přesně kalibrované v již uvedeném softwaru. Fotografie jsou využívány při zpracování naskenovaných dat, například pro „obarvení“ jednotlivých skenů, které po prvním zpracování mají podobu fotografického negativu.

Popis projektu a spolupráce s TU Mnichov

ÚHÚL ve spolupráci s týmem odborníků z Technické Univerzity Mnichov (katedra Nauky o růstu lesa) pod vedením prof. Dr. Hanse Pretzsche testuje možnosti využití uvedené technologie pro získávání dendrometrických dat jednotlivých stromů i lesních porostů. Údaje získané 3D laserovým skenováním umožňují vytvářet kompletní a přesné virtuální modely lesních ekosystémů.

Spolupráci zastřešuje mezinárodní projekt s názvem „Zachycení struktury lesa v bavorsko-českém pohraničí s pomocí pozemního Laserscanneru“, který je financován z prostředků EU. Projekt byl formálně zahájen přijetím do programu Interreg IIIA. Práce byly odstartovány přípravnou schůzkou zástupců ÚHÚL a TU Mnichov v polovině července 2006 ve Freisingu. Od září do listopadu 2006 probíhal terénní sběr dat na Šumavě a v Bavorském lese. Pro praktickou verifikaci údajů z venkovního šetření byly využity výsledky národní inventarizace lesů ČR a údaje trvalých zkusných ploch. Na pracovní schůzce 11. – 13. 12. 2006 byl rámcově stanoven postup pro další zpracování získaných dat. Od ledna 2007 jsou data podrobena analýze s cílem ověření jejich správnosti, včetně zkoumání využitelnosti pro lesnické a vědecké účely.

V průběhu roku 2007 se bude mj. testovat porovnání laserového scanneru s metodou DendroScanner, tj. technologií, která vychází z digitální fotografie stromu. Fotografie je při této metodě pořizována běžným digitálním fotoaparátem s dostatečnou možností zvětšení v softwarovém nástroji. Jedná se o technologii 2D, která na jedné straně umožní odečet dendrometrických veličin (verifikaci navrženého technologického postupu) a na straně druhé umožní dosáhnout časových úspor i zpřesnění metod venkovního sběru dat. Následující zpracování dat umožňuje získat údaje, které lze v dosavadní praxi pořídit pouze složitějšími pracovními postupy (např. morfologická křivka kmene měřených stromů).

Výsledky, možnosti využití a nástin dalšího perspektivního vývoje

Představená technologie má i přes slibné výsledky některá omezení. Je zde předpoklad, že v průběhu času se podaří pokročit v oblasti automatického zpracování digitálního obrazu. Využití této progresivní metody pro lesnictví směřuje k maximální automatizaci při vyhodnocování naskenovaných dat, například k rozpoznání jednotlivých stromů, určení jejich polohy a základních dendrometrických veličin (druh dřeviny, výčetní průměr, výška, výška nasazení koruny atd.). Další současnou limitou v praktickém využití je velikost a především váha měřičské soustavy. Významnou roli sehrává mimořádně vysoká pořizovací cena přístroje. Patrně ještě nějaký čas potrvá, než se tato moderní technologie dostane do příznivějších cenových relací a bude dostupná běžným uživatelům.

Princip 3D laserového skenování je založen na optických zákonech průniku světelných paprsků prostorem a neprůchodností přes neprůsvitné překážky v něm. Z toho vyplývá, že tato metoda je omezeně použitelná či téměř nepoužitelná v hustých a hluboce zavětvených porostech s výraznými korunovými překryvy či v porostech s výrazným podrostem.

Metoda laserového skenování a pracovní postupy s ní spojené přináší podstatné časové úspory při venkovním šetření dendrometrických veličin v podmínkách, kde lze bez problémů digitální záznam pořídit. Jak bylo řečeno, výhodou této technologie oproti stávajícímu sběru dat je především kompletnost šetření. Podstatnou měrou se eliminuje podíl lidského faktoru v technologické lince terénního sběru dat, respektive chyba měřiče při odečtu a záznamu dat při venkovním měření (zásadním způsobem řeší možnost kontroly pořízených údajů). Digitální obraz reálného světa umožňuje kdykoliv měřenou lokalitu v prostředí počítače zobrazit a získané údaje zhodnocovat.

Představené poznatky vychází z prvotních předběžných výsledků projektu a nelze přesně stanovit, kdy tato technologie bude v lesnické praxi běžně využívána. Dosažené výsledky však naznačují směr vývoje HÚL v této oblasti.

Adresy autorů:

Ing. Vratislav Mansfeld

Ing. Daniel Balín

Ing. Petr Macháček

ÚHÚL Brandýs nad Labem

E-maily: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.