Aaltomuodosta lisätarkkuutta laserkeilaukseen? SMK metsävaratietoseminaari Vantaa 15.4.2015 Aarne Hovi Helsingin Yliopisto
Aaltomuotokeilaus tutkijan näkökulmasta Lentolaserkeilauksessa käytetään pulssilaseria Aaltomuotolaser eroaa perinteisestä kaikulaserista tallennusmenetelmän osalta Läpinäkyvä tallennustapahtuma mahdollisuus ymmärtää ja mallintaa mittauksia Mahdollisuus laskea kokonaan uusia puustoa kuvaavia tunnuksia eli piirteitä Aaltomuotokeilausta käsitelty julkaisussa: Aarne Hovi & Ilkka Korpela: Aaltomuoto avain laserkeilainhavaintojen syvällisempään ymmärrykseen. Metsätieteen aikakauskirja 4/2014 Esimerkki
Laserkeilaus inventointimenetelmänä Laserkeilausinventointi tuottaa tarkan ja objektiivisen tuloksen puuston keskitunnusten osalta Ongelma-alueita Puulaji, hoitotarpeen arviointi, taimikot Tulkintamallit tapaus(keilaus-)kohtaisia, samoin maasto-opetusaineisto Käytännössä vaatimuksena kustannustehokkuus Kustannusten minimointi Lentokorkeuden ja -nopeuden kasvattaminen, suuremmat pulssitaajuudet, maasto-opetuaineiston vähentäminen Tulkinnan tarkkuuden parantaminen Paremmat keilaimet, tulkintamenetelmien kehitys Olisiko aaltomuototallennuksesta apua joihinkin yllämainituista?
Laserkeilainten ominaisuuksista Efektiivinen pulssitaajuus kasvanut toistaiseksi Suurempi lentokorkeus, -nopeus ja lentolinjavälit kustannussäästöjä TAI suurempi pulssitiheys tarkempi puustotulkinta Fysikaaliset rajoitteet tulevat vastaan? Aaltomuototallennus useimmissa optiona, taajuus usein rajoitettu, esim. Leica 120 khz Topografisia keilaimia, viime aikoina yhä enemmän optimointi kasvillisuuden kartoitukseen, esim. multispektri-keilaimet (Optech Titan) Riegl GmbH, http://www.riegl.com
Laserkeilainten ominaisuuksista Malli Max. efektiivinen Max. etäisyys, m a Aallonpituus, nm pulssitaajuus, khz Leica ALS60 200 6300 1064 ALS70 500 b 1900/4400/6300 c 1064 ALS80 500/1000 b, c 1600/3500/5000 c N/A Optech Galaxy 550 4700 1064 Orion 300 4000 1064/1541 c Pegasus 500 5000 1064 Titan 900 d 2000 532/1064/1550 Riegl LMS-Q680i 266 1600 1550 LMS-Q780 266 4700 N/A LMS-Q1560 532 b 4700 N/A a Depends on the target reflectance. The definitions differ. b Two receivers with their ifovs 'viewing' in different directions. c Depends on specific model version d 300 khz per band Lähteet Leica Geosystems AG, http://www.leica-geosystems.com Optech Inc, http://www.optech.com Riegl GmbH, http://www.riegl.com
Mittaustapahtuma
Tallennusmenetelmä Vastaanotin muuntaa signaalin sähkövirraksi / jännitteeksi Vastaanottimen elektroniikka tulkitsee jännitteen vaihtelua eli analogista aaltomuotoa Emitted pulse Discrete return Returning pulse Detector Amplifier Storage of discrete return Waveofrm digitizing Full-waveform Echo waveform
Aaltomuoto Leica ALS60 Vakiomittainen 256 näytettä 38 m Riegl LMS-Q680i Useita näytepätkiä 80, 160, 240 näytettä 12 m
Pulssinpituuden vaikutus aaltomuotoon 7/10 ns pulssi 4 ns pulssi
Aallonpituuden vaikutus Aallonpituus riippuu laserlähteestä 1064 ja 1550 nm yleisimmät Vaikuttaa silmäturvallisuuteen / auringonvalosta tulevaan kohinaan / ilmakehävaimennukseen
Footprintin ( jalanjäljen ) vaikutus
Aaltomuodon tulkinta 1. Enemmän kaikuja (amplitudihuippuja) lisää pistetiheyttä 2. Lisätunnusten laskeminen kaiuille kuvaavat kohteiden heijastusominaisuuksia, hyötyä kasvillisuuden luokituksessa 3. Muut, kokonaan uudet lähestymistavat?
Lisäkaikuja pistetiheyden kasvattamiseksi Löytyneitä kaikuja, uudistuskypsä sekametsä: Scanner Footprint, m Emitted pulse FWHM, ns WF peaks per pulse DR echoes per pulse Mean Max Mean Max Leica 0.11 7.8 1.7 6 1.3 4 Leica 0.22 10.1 1.8 6 1.4 4 Leica 0.45 10.3 1.9 7 1.5 4 Leica 0.61 10.4 2.1 7 1.5 4 Riegl 0.40 4.5 2.3 9 2.1 8 Leica 0.15 7.8 1.8 7 1.3 4 Footprint lpm. Aaltomuoto Kaikulaser Läh. pulssin pituus
Lisäkaikuja pistetiheyden kasvattamiseksi Kaikulaser Aaltomuoto Ensimmäinen tai ainoa kaiku Muut kaiut Leican keilaimella 30 40% enemmän kaikuja kaikulaseriin nähden Lisäkaikujen määrä riippuu sensorin ominaisuuksta Sijoittuvat latvuksen alaosiin hyötyä latvuksen rakenteen mittaukseen ja alikasvoksen tunnistamiseen?
Lisäkaikuja pistetiheyden kasvattamiseksi
Piirteitä kasvillisuuden luokitteluun Ei olemassa yleisiä prosessointiohjelmistoja Alla esitetty oma tapamme laskea aaltomuotoa kuvaavia tunnuksia Näiden jakaumat latvustasolla muodostavat piirteet joita voi käyttää esim. puulajiluokituksessa
Mitä aaltomuoto kertoo puulajista? Esimerkki: Leica ALS60, 1 km lentokorkeus, 7 ns pulssi, 1064 nm aallonpituus
Kaiun energia ja leveys erottavat suomalaiset puulajit FWHM of only returns Energy of only retuns
N Korkeus maanpinnasta First-or-only 20 pulssia / m 2 h > 8 m
N Energy First-or-only 10 pulses / m 2 h > 8 m Mean = 605 SD = 230
N Energy Only 10 pulssia / m 2 h > 8 m Mean = 731 SD = 130
N FWHM Only 10 pulssia / m 2 h > 8 m Mean = 9 ns SD = 1.05 ns
Puulajiluokitus toimii yksinpuintasolla eikä vaadi valtavaa pulssitiheyttä... Maastoaineisto: 9000 puuta Keilaus: Leica ALS60, Riegl LMS-Q680i, 2 20 pulssia / m 2, kesäkeilaus Piirteet: Aaltomuototunnusten jakaumatunnuksia puiden latvuksissa Luokitin: Lineaaridiskriminanttianalyysi (LDA) Leica WF Riegl Leica DR Riegl
mutta puulaji vain yksi monista tekijöistä Kaksi samanlaista kampanjaa (SNR, pulssitiheys, lentokorkeus, footprint) 15. kesäkuuta vs. 2. elokuuta Kesä Elo Normalisoitu kuusen avulla Huippuamplitudi FWHM Number of trees Mänty Kuusi Koivu
Sovellettavuus aluepohjaiseen tulkintaan? Puulaji-informaatiota aaltomuodossa on, inventointimenetelmiä vielä kehitettävä Aluepohjainen lähestymistapa (aaltomuotopiirteiden jakaumat hilatasolla) Vai puulajintulkinta yksinpuin/puuryhmän tasolla, keskitunnukset aluepohjaisesti?
Tallennustilan tarve LAS1.2 1 pulssi / m 2 Kaikulaser (LAS1.2) 0.4 MB / ha Kaiku + aaltomuoto (LAS1.3) 3.3 MB / ha Aaltomuoto 8x levytilaa! LAS1.3 2 milj. ha vuodessa Kaiku 0.8 TB Kaiku + aaltomuoto 6.6 TB
Käytännön haasteita (tai mahdollisuuksia) Lentokustannukset Lennonaikainen tallennus- ja tiedonsiirtokapasiteetti Laskentakapasiteetti ja aineiston tulkintamenetelmät Lähetetyn tehon ja ilmakehän stabiilius, kalibrointi Piirteet riippuvaisia keilaimen asetuksista ja vuodenajasta
Yhteenveto Aaltomuotokeilaimet eivät sinänsä poikkea kaikulasereista, vain tallennustapahtuma tarkempi, ei lisää aineistojen hankinnan kustannuksia Mahdollisuus irrottaa aaltomuodosta lisäkaikuja, käytännön hyöty kyseenalainen Aaltomuotopiirteet sisältävät infomaatiota puulajista Haasteena eri aikana hankittujen aineistojen yhteensopivuus ja menetelmien yhdistäminen käytännön inventointisysteemiin Aaltomuototutkimus lisää ymmärrystä mittaustapahtumasta ja auttaa tulkintamenetelmien ja keilainten kehityksessä, keilaimen ominaisuuksien vaikutusta piirteisiin ja tulkintatuloksiin selvitämme parhaillaan