3D a 2D technologie pro snímání inventarizačních parametrů

Hans Pretzsch, Hans-Joachim Klemmt, René Tauber, Martin Starý,
Petr Macháček, Vratislav Mansfeld

V rámci společného projektu podporovaného Evropskou unií v programu Interreg IIIA, na kterém spolupracuje Ústav pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem (ÚHÚL) s týmem odborníků z Technické univerzity Mnichov, Katedry produkce lesa (TUM) pod vedením prof. Hanse Pretzsche, byl řešen dílčí úkol testování technologie pozemní fotogrammetrie nazvané Dendro Scanner. Autorem uvedeného přístupu je René Tauber, který se zabývá výzkumem a poradenstvím v lesnictví. Touto studií byla otestována a vyhodnocena použitelnost technologie 3D pozemního laserového skenování (TU Mnichov) a metody 2D Dendro Scanneru pro zjišťování inventarizačních parametrů stromů.

Metoda 3D pozemního laserového skenování lesních porostů a použití této technologie pro dendrometrická měření byla představena již v LP 8/2007 a 7/2008.
V dílčí studii projektu zabývajícího se využitím metod 3D pozemního laserového skenování v lesnictví byla tato technologie porovnávána s technologií 2D Dendro Scanneru.

3D pozemní laserové skenování
Technologie 3D pozemního laserového skenování lesních porostů přístrojem Z360i firmy Riedl byla již v LP podrobně zmíněna. Pro stručné připomenutí se jedná o přístroj, který skenuje nejbližší okolí laserovým paprskem. 3D naskenovaný obraz ukládá do datového souboru a výsledek je možné popsat jako mračno bodů s charakteristickými vlastnostmi. Mračno bodů se ukládá v třírozměrném souřadnicovém systému do počítače pomocí dodávaného softwaru RiscanPro. Tento SW také slouží pro základní zpracování naměřených údajů a export do formátů, se kterými mohou pracovat další programy, které data dále podle potřeb zpracovávají.

2D Dendro Scanner
V technologické lince Dendro Scanningu se jedná o dvojdimenzionální měřický postup a pracuje se s digitální fotografií jednotlivých stromů. Fotografie jsou pořízeny podle stanoveného metodického postupu prostřednictvím běžného digitálního fotoaparátu (s rozlišením minimálně 4Mpix), laserového dálkoměru, výškoměru a lesnické průměrky nebo obvodového pásma. Na fotografovaném stromu se označí výčetní výška, změří se výčetní průměr průměrkou nebo obvodovým pásmem a zapíše se do terénního zápisníku. Poté se vyhledá v porostu vhodné místo, z kterého je možné vyfotografovat celý strom tak, aby byla vidět pata i vrchol stromu a bylo možné z fotografie snímat profil kmenu (strom není zakryt sousedními stromy). Po vyfotografování stromu se zjistí odstupová vzdálenost fotografa k měřenému stromu. Následně se výškoměrem změří výška stromu, a pokud není vrchol stromu viditelný na fotografii, je nutné provést měření tzv. kalibrační výšky. Výšku stromu musíme změřit v každém případě z jiného stanoviště. Pro zdokumentování místa kalibrační výšky je vhodné pořídit fotografii s přiblížením, kde místo kalibrační výšky bude ve středu snímku. Fotografie je následně vyhodnocována v softwaru Dendro Scanner, kterým se zjistí rozměry a tvar kmene.

Popis lokality a datového souboru srovnávací studie
Za účelem nezávislého srovnání obou měřických technik k nasazení v lesních porostech byl trvale označen a pomocí obou technik změřen porost v lesním úseku Selb (BaySF – Bavorské státní lesy). Jednalo se o 90-113letý smrko-borový smíšený porost ležící blízko německo-české hranice, 50 stromů (37 smrků, 13 borovic) ve čtyřech porostních skupinách (od zapojených až po rozvolněné). Podle obvyklé metodiky inventarizace byly změřeny výčetní průměry a zaznamenána dřevina. Následně byl strom pokácen, odvětven a poté po sekcích stanoven objem. Bylo použito absolutní kubírování po metrových sekcích až k hranici hroubí (7 cm s kůrou). K vyhodnocení bylo použito
 46 stromů (35 smrků, 9 borovic). Krátký číselný popis datového materiálu se nachází v tabulce 1.

Vyhodnocení souboru dat z laserového skenování
Automatické vyhodnocení dat zjištěných pomocí laserového skenování je zajištěno aplikací, která je postavena na základě volného statistického softwaru R (R Development Core Team, 2008). Tento program je vybaven aktuálními funkcemi k automatické detekci pozic pat kmenů, k bližšímu stanovení výšek kmene, k automatickému stanovení průměrů v různých výškách na kmeni a ke stanovení celkových objemů kmenů hroubí a nehroubí.
Po určení pozic stromů je datový záznam zkusné plochy rozdělen na datové soubory jednotlivých stromů a tyto soubory jsou zpracovány ve vytvořeném skriptu programu R, který automaticky vyhodnotí výšku stromu, výčetní tloušťku a profily kmene po metrových sekcích, viz obr. 1.

Vyhodnocení souboru digitálních fotografií stromů programem Dendro Scanner
Proces zpracování dat při aplikaci technologie Dendro Scanner pro jednotlivé snímané stromy probíhá ručním snímáním tvaru kmene (tvarové křivky) z digitální fotografie. Na základě pixelů s korekcemi přizpůsobení k eliminaci perspektivních deformací jsou stanoveny opěrné body pro parametrizaci tvarové křivky podle Zacha (1998), popřípadě modifikovaně podle Wolfa a Zacha (2000), viz obr. 2, který ukazuje SW uživatelské rozhraní při zajištění uvedeného postupu. Tento software umožní také zpracovávat manuálně změřené průměry kmene a z toho stanovit tvarové křivky a objemy kmene.

Výsledky studie
Ze srovnání odvozených inventarizačních parametrů stromů, dat pořízených pozemním laserovým skenováním s kontrolním měřením pokácených stromů je zřetelná dobrá shoda pásmem měřených délek na ležících kmenech s automaticky odvozenými výškami stromů z pozemního laserového skenování.
Z krabicového grafu 1 je patrné, že absolutní hodnoty výsledků automatizovaného laserového skenování ležely pro měřené smrky v průměru -16,9 cm pod hodnotami změřenými na ležících stromech. Pro borovice činila odchylka pouze -4,6 cm.
Též srovnání výčetních průměrů vykazuje velmi dobré shody mezi manuálně měřenými hodnotami a automaticky odvozenými hodnotami z pozemního laserového skenování. U smrku bylo podhodnocení automaticky odvozených hodnot z pozemního laserového skenování v průměru kolem 4,85 mm a u borovice kolem 5,04 mm od manuálního měření, jak je vidět na grafu 2.
Graf 3 ukazuje, že i v oblasti stanovení objemu hroubí středního kmene vykazují automaticky odvozené veličiny dobré shody s manuálním měřením. Výsledek signalizuje střední odchylky mírného nadhodnocení objemů hroubí středního kmene automaticky odvozených z dat pozemního laserového skenování o 1,07 % u smrku a o 1,47 % u borovice. Šíře rozpětí krabicového grafu ukazuje na ojedinělé značné odchylky o -13 % až +21 % u smrku a o -14 % až +14 % u borovice. Důvodem pro tyto odchylky se zdá být zvolený postup. Měření průměrů kmene po metrových sekcích vede k zvýšení odchylek vyrovnávací křivky od reálných průběhů tvarových křivek, obzvláště pak u silně zavětvených stromů.

Srovnání výsledků laserového skenování s výsledky technologie Dendro Scanner
Obrázky 3 a 4 srovnávají objemy hroubí kmenů automaticky odvozené z dat pozemního laserového skenování s objemy hroubí kmenů získanými technikou Dendro Scanner. Je zřejmé, že oba postupy vykazují podobně dobré výsledky při zjišťování hroubí středního kmene. Na obrázku 3 je zřetelná lehce orientovaná odchylka výsledků měření při aplikaci tvarové funkce podle Zacha (1998), zatímco při aplikaci modifikované tvarové funkce podle Zacha a Wolfa (2000) může být orientovaná odchylka odstraněna, jak ukazuje obrázek 4.
Z tabulky 2 vyplývá, že Dendro Scanner je velmi přesná, levná a z velké části i na počasí nezávislá metoda nabízející postup k snímání jednotlivých stromů nebo reprezentativních porostních skupin. Technologie pozemního laserového skenování představuje stejně přesný postup ke snímání velkého počtu stromů a částí porostů. Pozemní laserový skener je mimoto schopen snímat značné množství dalších inventarizačních veličin. Díky automatickému vyhodnocovacímu programu pro data pozemního laserového skenování se zvyšují výhody s přibývajícím počtem snímaných stromů ve prospěch pozemního laserového skenování.

Shrnutí
Byly odzkoušeny a porovnány dva moderní přístupy při zjišťování inventarizačních parametrů. Byla srovnána trojdimenzionální technologie pozemního laserového skenování s dvojdimenzionální technologií Dendro Scanner.
Uvedenými technologiemi byly podrobně snímány výčetní průměry, průměry v nestejných výškách na kmeni a výšky stromů. Byl vyvinut program, který s rozdílnými stupni automatizace extrahuje inventarizační veličiny. V případě vhodných porostních podmínek oba postupy nachází vhodné uplatnění při zjišťování inventarizačních veličin (výčetní tloušťka, výška, tvar kmene, objem ad.). Výhoda technologie Dendro Scanner je především v nízkých nákladech a v jednoduchém zacházení a manipulaci. Výhody pozemního laserového skenování jsou především v možnosti precizního snímání plošně větších jednotek s velkým množství aspektů. Oba přístupy získaly z představené studie důležité impulzy ke zlepšení a budou se společně dále rozvíjet.

Článek vznikl v rámci projektu „Zachycení struktury lesa a růstových veličin s využitím terestrické technologie Laserscanner na vybraných plochách v bavorsko-českém pohraničí“, který je podpořen  Evropskou unií, programem Interreg IIIA.

Autoři:
Prof. Dr. Hans Pretzsch TUM München
Dr. Hans-Joachim Klemmt TUM München
Ing. René Tauber

Výzkum a poradenství v lesnictví,
Ing. Petr Macháček ÚHÚL
Ing. Vratislav Mansfeld ÚHÚL
Překlad: Martin Starý
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. ,
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.