Numeryczny model terenu obszaru zalesionego utworzony na podstawie skanowania laserowego i jego dokładność

ROCZNIKI GEOMATYKI 2008 m TOM VI m ZESZYT 8

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 otwar-tej przestrzeni, napotyka na znaczne ograniczenia zastosowañ w œrodowisku leœnym. Brak widocznoœci, liczne przeszkody terenowe oraz swego rodzaju brak odczucia kszta³tu po-wierzchni 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 odpo-wiednio dok³adnych danych porównawczych. Doœwiadczenia (Sithole i Vosselman, 2003) pokazuj¹, ¿e nie istnieje idealny algorytm daj¹cy zadowalaj¹ce wyniki w ka¿dych warunkach.

W niniejszej pracy omówiono wyniki analizy dok³adnoœci numerycznego modelu terenu ob-szaru zalesionego interpolowanego na podstawie danych skanowania laserowego. Dane re-ferencyjne 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 Warsza-wie. 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. Zasto-sowane 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 oprogramowa-nia 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 p³asz-czyzny, 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 po-wierzchni badawczych, rozmieszczonych na obszarze uroczyska (rys. 1). Popo-wierzchnie te znajdowa³y siê w drzewostanach mieszanych sosnowo-dêbowych, najczêœciej z przewag¹ sosny, w wieku powy¿ej 30 lat. Pomiary terenowe wykonano za pomoc¹ tachimetru elektro-nicznego. Wyniki niwelacji trygonometrycznej przetworzono w programie WinKalk.

Pomiar geodezyjny oparty by³ o poprawnie wyznaczone punkty referencyjne usytuowa-ne 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 punkta-mi odniesienia i punktapunkta-mi wyznaczanypunkta-mi nie przekraczaj¹ca 25 km zagwarantowa³y, ¿e b³ê-dy wyznaczenia wspó³rzêdnych X, Y, Z by³y mniejsze ni¿ ±2 cm. Wy-niki te uzyskano na podstawie wy-równania obserwacji nawi¹zanych do trzech punktów sieci geodezyj-nej pierwszego rzêdu (POLREF), na których rejestrowano dane w tym samym czasie. Taka metoda pomia-ru pozwoli³a zatem na wyra¿enie wyników pomiarów w pañstwo-wym uk³adzie wspó³rzêdnych oraz prawid³owe wyrównanie obserwa-cji. W wyniku opracowania obser-wacji GPS, otrzymano zbiór wspó³-rzêdnych p³askich w uk³adach EU-REF-89, PUWG 1992, PUWG 1965

Tabela. Parametry systemu Falcon II,

wraz z charakterystyk¹ uzyskanych z firmy TopoSys danych (Bêdkowski i in., 2008) a r o s n e s p y T Puslacyjno-w³óknsity il a f æ œ o g u ³ D 1560nm w ó sl u p æ œ o w il t o t s ê z C 5nsec ai n a w o n a k s æ œ o w il t o t s ê z C 83kHz ai n a w o n a k s s e r k a Z 14,3° ai ci b d o e n a w o rt s e j e R peirwsze(FE)iostatnei(LE)odbciei, e n z c e z r p o p ei c y r k o p % 0 5 d a n o p i m a g e r e z s i m y c ¹ j u d ai s ¹ s y z d êi m o p u t o l æ œ o k o s y W 700m i k m al p æ œ o k l ei W 0,7m

oraz wysokoœci w uk³adzie Kronsztad’60 i 86. W nastêpnym etapie wewn¹trz kompleksu leœnego za³o¿ono sieæ poligonow¹ opart¹ na wczeœniej pomierzonych punktach referencyj-nych. Wyrównanie sieci przeprowadzono metod¹ poœrednicz¹c¹ (program WinKalk). Uzy-skano œredni b³¹d po³o¿enia punktu m_p = ±0,09 m. Wysokoœæ wyznaczono z dok³adnoœci¹ d_H = ±0,4 m.

Porównanie rzêdnych terenu (Z) wykonano w 79 punktach reprezentuj¹cych œrodki po-wierzchni 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 bar-dzo 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)

2. B³¹d œredniokwadratowy

gdzie:

n – liczba obserwacji (79),

Z_{field_survey} – rzêdna terenu ustalona w pomiarze terenowym, Z_{DTM_Lidar} – rzêdna z numerycznego modelu terenu (LIDAR).

(

)

m

n

Z

Z

Bias

23

.

0

+

=

−

=

∑

(

)

[

]

m

n

Z

Bias

Z

RMSE

22

.

0

±

=

−

−

=

∑

Wnioski

Uzyskane wyniki wskazuj¹ na niedu¿¹ rozbie¿noœæ miêdzy rzêdnymi terenu okreœlonymi w wyniku terenowego pomiaru geodezyjnego oraz na podstawie danych skanowania lasero-wego. B³¹d systematyczny dla rzêdnej Z, wynosz¹cy +23 cm, mo¿e byæ spowodowany trudnoœci¹ przejœcia wi¹zki promieni lasera przez gêsty podszyt i roœlinnoœæ krzewiast¹ znaj-duj¹ce siê tu¿ nad gruntem. W trakcie pomiarów terenowych niejednokrotnie obserwowano np., ¿e tyczka z pryzmatem wykorzystywanym w pomiarach tachimetrycznych by³a niewi-doczna do wysokoœci oko³o 50 cm od poziomu gruntu.

Wykonane badania wykaza³y du¿¹ przydatnoœæ danych skanowania laserowego oraz skutecz-noœæ algorytmu interpolacyjnego programu TreesVis do budowy numerycznych modeli terenu obszarów leœnych. Modele te mog¹ byæ wykorzystywane do wyznaczania charakterystyk drze-wostanów – wysokoœci pojedynczych drzew i przeciêtnej wysokoœci ca³ych drzedrze-wostanów.

Badania dotyczy³y drzewostanów w wieku 30 lat i starszych, które nie mia³y pe³nego zwarcia. Ponadto dane skanowania laserowego pozyskano na pocz¹tku sezonu wegetacyj-nego. Niezbêdne jest zatem sprawdzenie poprawnoœci modeli terenu interpolowanych dla drzewostanów m³odszych, z wykorzystaniem danych uzyskanych w pe³ni sezonu wegeta-cyjnego, 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. Laser-Scanners 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 naziem-nego 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,

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 Krzysztof.Bedkowski@wl.sggw.pl tel. +48 22 593 82 22

dr in¿. Micha³ Brach Michal.Brach@wl.sggw.pl tel. +48 22 593 82 13

mgr in¿. Krzysztof Stereñczak Krzysztof.Sterenczak@wl.sggw.pl tel.+48 22 593 82 17

Krzysztof Bêdkowski, Micha³ Brach, Krzysztof Stereñczak

55 Rys. 2. Rozmieszczenie g³ównych ci¹gów poligonowych oraz powierzchni doœwiadczalnych