Ilmakuvien tarve metsäsuunnittelussa? Taksaattoriklubin seminaari, Paikkatietomarkkinat 2009 Puulajitulkinta laserdatasta Jari Vauhkonen
Esityksen sisältöä Millaista (puulaji-)tietoa laserkeilaindata sisältää? Miten tätä tietoa voi irrottaa ja tulkita (automaattisesti)? Laser-muuttujat ja niiden valinta Miten puulaji päätellään laser-muuttujien perusteella? Luokitus-/estimointimenetelmä Millä tarkkuustasolla liikutaan? Laserpohjainen PL-tulkinta vs. ilmakuvien käyttö Jari Vauhkonen 03.11.2009 2
Taustaa Tarvitaan puulajikohtaista tietoa puustosta Läpimittajakauma (mänty-kuusi-lehtipuu) Puuston tilavuus (-- --) Puutavaralajit Laserkeilauksella tarkkaa tietoa puuston määrästä puulajeista? Jari Vauhkonen 03.11.2009 3
Taustaa Laseraineiston tulkintaan käytännössä kaksi (erillistä) menetelmää: Aluepohjainen menetelmä: Metsikkötunnusten päätteleminen pistepilvien jakaumasta Yksinpuintulkinta: Tunnistetaan aineistosta yksittäisiä puita, ennustetaan niiden tunnuksia ja summataan metsikkötasolle Jari Vauhkonen 03.11.2009 4
Taustaa Kuva Petteri Packalén Puulajitietoa koealatasolla? Only 3-D coordinates are not enough to estimate stand tree species proportions. * The alternatives: To classify single trees and compute species proportions from these To use also intensity information by aerial images or laser *Törmä, M. (2000): Estimation of tree species proportions of forest stands using laser scanning, ISPRS Congress Symposium, Amsterdam, July 16-23, 2000. Jari Vauhkonen 03.11.2009 5
Taustaa Kaukokartoituspohjainen puuston inventointijärjestelmä? Laserkeilain-, ilmakuva- ja maastoaineistojen yhdistelmänä: Petteri Packalén Jari Vauhkonen 03.11.2009 6
Taustaa Ilmakuvatulkinta == ongelmallista E.g. image-object-sun variation Kuvat Ilkka Korpela Jari Vauhkonen 03.11.2009 7
Puulajitulkinta puutasolla
Puulajitulkinta puutasolla Joensuulaisia tutkimustuloksia: Vauhkonen, Tokola, Packalén & Maltamo (2009): Identification of Scandinavian species of individual trees from airborne laser scanning data using alpha shape metrics. Forest Science 55: 37-47. Vauhkonen, Korpela, Maltamo & Tokola (2009): Imputation of single-tree attributes using airborne laser scanning-based height, intensity and alpha shape metrics. Manuscript. Vastaavia tutkimuksia muualla, esim.: Ilkka Korpela et al. (Helsingin yliopisto) Johan Holmgren et al. (Sveriges lantbruksuniversitet) Jari Vauhkonen 03.11.2009 9
Puulajitulkinta puutasolla Tarvitaan tiheää dataa: 3-5 pulssia / m 2, mieluiten 8-10! Mahdollisuus irrottaa kymmeniä / satoja / tuhansia muuttujia: latvuksen rakenne kaikujen intensiteetti (eri tyyppisten) kaikujen jakautuminen latvuksen eri osiin ym. ym. Jari Vauhkonen 03.11.2009 10
Tulkinnassa hyödynnettyjä muuttujia Kaikujen määrä latvuksen eri osissa Korkeusjakaumasta lasketut tunnukset (persentiilit, tiheys, hajonta ) Jari Vauhkonen 03.11.2009 11
* Edelsbrunner, H. & Mücke, E.P. (1994): 3D alpha shapes. ACM Transactions on Graphics 13: 43-72. Alpha shapes* How to determine the shape of a point cloud? -> a family of shapes, parameterised by the α value Different alpha value results in different shapes Jari Vauhkonen 03.11.2009 12
Alpha shapes from ALS data Compute using either the full point data or a predefined part of it Result is a 3D construct defined by the input points & the α value Jari Vauhkonen 03.11.2009 13
Pine Pine Spruce Spruce Jari Vauhkonen 03.11.2009 14
Latvuksen rakenne erilaisilla muuttujilla kuvattuna Jari Vauhkonen 03.11.2009 15
Tulkinnassa hyödynnettyjä muuttujia Intensiteetti 1064 nm back-scatter Kuinka suuri osuus lähetetyn pulssin energiasta heijastui takaisin JOS kohde on pulssin halkaisijaa (10-30 cm) suurempi, intensiteettiarvo sen heijastusominaisuuksien mukaan Kasvillisuudesta heijastuneissa pulsseissa kohinaa Esim. lehden/neulasen koko ja asento, neulasmassan tiheys, ym., vaikuttaa SILTI: intensiteettijakaumien käyttö! Ilkka Korpela Jari Vauhkonen 03.11.2009 16
Laser-muuttujista puulajeihin
Puulajin päätteleminen lasermuuttujista Useita menetelmävaihtoehtoja: Lineaariset luokitusfunktiot Koneoppiminen: esim. tukivektorikoneet; neuraaliverkot Lähimmän naapurin haku Opetus- / referenssidata? Jari Vauhkonen 03.11.2009 18
Saatuja tuloksia
Harvoilanmäki* Tarkasti rajatut puut; 40 pulssia / m 2 ; alpha shape testidata Luokitustarkkuus 88 95 % Pine Spruce Decid. Pine 53 0 0 Spruce 0 29 1 Decid. 2 2 5 *Vauhkonen, Tokola, Packalén, Maltamo (2009): Identification of Scandinavian commercial species of individual trees from airborne laser scanning data using alpha shape metrics, Forest Science 55: 37-47. Jari Vauhkonen 03.11.2009 20
Hyytiälä (1)* Kaikkien puutunnusten tuottaminen samanaikaisesti Opetusdata 1898 havaintoa, erillinen validointidata 1249 hav. Yhteensä 1846 selittävää laser-muuttujaa; RandomForestestimointimenetelmä Puulajitulkinta validointidatassa: Pine Spruce Decid. Pine 383 64 12 Spruce 42 478 9 Decid. 85 61 115 *Vauhkonen, Korpela, Maltamo & Tokola (2009): Imputation of single-tree attributes using airborne laser scanning-based height, intensity and alpha shape metrics. Manuscript. Jari Vauhkonen 03.11.2009 21
Hyytiälä (1)* Muuttujien vähentäminen: 130 ja 24 muuttujaa Korkeus- ja intensiteettijakauman muuttujat puulajia selittämään Puulajiluokitus 69-79 % oikein (~24-130 muuttujalla) Myös muiden puutunnusten ennustaminen onnistui hyvin: esimerkkinä tilavuus *Vauhkonen, Korpela, Maltamo & Tokola (2009): Imputation of single-tree attributes using airborne laser scanning-based height, intensity and alpha shape metrics. Manuscript. Jari Vauhkonen 03.11.2009 22
Hyytiälä (2): Korpela ym.* Yli 13 000 puun aineisto; luokitus mänty-kuusi-koivu 88 90 % tarkkuus saavutettavissa intensiteettimuuttujilla Erittäin kattava selvitys intensiteettiarvoihin vaikuttavista tekijöistä Esim. range normalization! *Korpela, Ørka, Maltamo, Tokola & Hyyppä (2009): Tree species classification using airborne LIDAR: Effects by stand and tree parameters, downsizing of training set, intensity normalization and sensor type. Manuscript. Jari Vauhkonen 03.11.2009 23
Yhteenvetoa Laseriin perustuvalla (yksittäisten puiden) puulajitulkinnalla saavutettavissa 70 90 % tarkkuus Lehtipuut sekoittuvat havupuiden kanssa Vastaava tarkkuustaso ilmakuvilta! Mänty ja kuusi sekoittuvat Ilmakuvia ei välttämättä tarvita yksinpuintulkinnassa (mutta ei niistä haittaakaan ole ) Jari Vauhkonen 03.11.2009 24
Yksinpuintulkinnan ongelmia Tiheä data == kallista! Kaikkien puiden löytäminen ei välttämättä mahdollista riippuu metsikön rakenteesta Esim. 70 % runkoluvusta, mutta 90 % tilavuudesta Uusien menetelmien tarkkuus metsikkötasolla ==? Mallinnus- / referenssidatan hankinta? Jari Vauhkonen 03.11.2009 25
Lopuksi puulajitiedon tuottaminen aluetasolla? Laser + ilmakuvat + maastokoealat* Tarkin ja varmin menetelmä Kevätlaser laserdatan hankinta lehdettömään aikaan? Tulevaisuudessa: Tiheän laserdatan käyttö kalibrointiin? Kustannusten lasku? Full waveform LiDAR? *Packalén (2009): Using airborne laser scanning data and digital aerial photographs to estimate growing stock by tree species. Dissertationes Forestales 77. Jari Vauhkonen 03.11.2009 26
Kiitos! Ilkka Korpela & Petteri Packalén lainasivat kuvamateriaalia kiitti! www.uef.fi