Analysis of forest canopy density based on textural features of high resolution imagery and airborne laser scanning data Abstract The objective of this thesis is to assess the forest canopy density in the Šumava Mountains, Czech Republic. The spruce forests in this area have been suffering from the bark beetle outbreak for almost 20 years resulting in a mixture of dead and young trees, mature forest stands and peat bogs. The canopy density was evaluated using a very high spatial resolution panchromatic imagery and low point density LiDAR, combined with an object oriented approach. The classification based on three GLCM texture measures (contrast, entropy and correlation), which were derived from the image objects, resulted in a kappa index of accuracy of 0.45. Adding the information from the LiDAR data, the accuracy of the classification improved up to 0.95.

Classification of Airborne Laser Scanning Data in Sandstone Landscapes Abstract This work is concerned with the classification of airborne laser scanning data in sandstone landscapes called "rock cities". Standard filters do not work reliably in such a rugged terrain covered with dense vegetation and in the results the rock formations are smoothed or even removed from the terrain. The method of classification suggested in this work is based on the procedure used in manual filtration. When exploring a sufficiently dense point cloud in 3D, one is able to distinguish rock formations from trees even though their shapes are similar. In contrast to trees, rock pillars are modeled only by points reflected off the surface and therefore they make concave elevations in the ground. Because of penetration of trees, there are points reflected off a treetop, branches, leaves and also ground under the tree. The proposed method segments a point cloud according to local minima in approximated surface and classifies these objects into classes rock, tree, and mix by inner point distribution. Objects in classes tree and mix are then filtered by lasground function from LAStools. The method was tested with merged point cloud consisted of data from the standard airborne laser scanning of the Czech Republic and experimental...

空載雷射掃描為一可快速獲取地面物體三維空間資訊之技術，而新型發展之全波形（Full-Waveform）系統可完整記錄雷射回波訊號之波形，透過波形偵測與波形擬合等資料前處理，可得到代表地物獨特反射特性的波形參數資料，包括振幅值（Amplitude）、波形寬（Pulse-width）與後續計算之散射截面積係數（Backscatter cross-section coefficient）。 得到各點位之波形資料後，將以波形資料為主進行位於山區之實驗區地物分類，並將使用由實驗區航照影像提供之RGB波段光譜資料計算之綠度指數（Greenness）與計算影像灰階統計值之紋理參數如均質度（Homogeneity）、熵值（Entropy）與R波段平均值（Mean）等參數輔助分類。分類進行之前，透過抽樣實驗區候選地類包括樹林、草地、道路與樹種建物，並以貝氏定理（Bayes Theorem）分析計算不同地物類別在各分類參數區間內的貝氏機率，接著以多項式函數擬合各地類在不同參數之貝氏機率曲線，並以計算反曲點之方式自動化決定該分類參數之門檻值區間。 分類成果顯示，全波形系統提供之波形資料對於受上層植物遮蔽與陰影區之植物點與道路點之分類有顯著之成果，且透過物體對於波形資料之反射特性不同，具備應用於區別不同建築材質類別之潛力。 / Airborne Laser Scanning is a technique capable of acquiring 3D information of land objects. The latest full-waveform system is further improved with the ability of recording complete waveform of reflected laser signal. After the preprocessing procedures such as pulse detection and pulse fitting, the waveform information including amplitude, pulse width and backscatter cross-section were derived. Such information was valuable as they represented unique properties of land objects. In this study, waveform information of all scanned points were utilized to classify land cover in the test area located in mountain area. Additionally, the Greenness value as well as the texture parameters such as Homogeneity, Entropy and Mean of R band calculated from the ortho-image were used for classification. We aimed to classify the point cloud into vegetation, road and building categories. The Bayes Theorem was used to determine the threshold range of each parameters for classification. As a result, the waveform information were useful for classifying road points covered by upper vegetation points and also vegetation and road points located in shadow area. Moreover, through the analysis of reflective properties of different object using waveform parameters, it was of potential to be applied to distinguish material of buildings.

De nombreux travaux ont montré le potentiel de la télédétection parscanner laser aéroporté pour caractériser les massifs forestiers.Cependant, l'application aux forêts complexes de montagne reste encorepeu documentée. On se propose donc de tester les deux principalesméthodes permettant d'extraire des paramètres forestiers sur desdonnées acquises en zone montagneuse et de les adapter aux contraintesspéci fiques à cet environnement. En particulier on évaluera d'unepart l'apport conjoint de la régression à vecteurs de support et de laréduction de dimension pour l'estimation de paramètres de peuplement,et d'autre part l'intérêt d'un apprentissage non supervisé pour ladétection d'arbres. / Numerous studies have shown the potential of airborne laser scanningfor the mapping of forest resources. However, the application of thisremote sensing technique to complex forests encountered in mountainousareas requires further investigation. In this thesis, the two mainmethods used to derive forest information are tested with airbornelaser scanning data acquired in the French Alps, and adapted to theconstraints of mountainous environments. In particular,a framework for unsupervised training of treetop detection isproposed, and the performance of support vector regression combinedwith dimension reduction for forest stand parameters estimation isevaluated.

No description available.

This study aimed at evaluating the agreement of spaceborne Light Detection and Ranging (lidar) ICESat-2 canopy height with Airborne Laser Scanning (ALS) derived canopy height to inform about the performance of ICESat-2 canopy height metrics and understand its uncertainties and utilities. The agreement was assessed for different forest types, physiographic regions, a range of percent canopy cover, and diverse disturbance histories. Results of this study suggest that best agreements are found using strong beam data collected at night for canopy height retrieval using ICESat-2. The ICESat-2 showed great potential for estimating canopy heights, particularly in evergreen forests with high canopy cover. Statistical models were developed using fixed-effects and mixed-effects modeling approaches to predict ALS canopy height metrics using ICESat-2 parameters and other attributes. Overall, ICESat-2 showed good agreement with ALS canopy height and showed its predictive ability to characterize canopy height. The outcome of this study will help the scientific community understand the capabilities and limitations of ICESat-2 canopy heights; the study also provides a new approach to obtain wall-to-wall ALS standard canopy height maps at landscape level.

Skogsbruksplanen är ett viktigt verktyg för dagens skogsägare. Uppdatering av skogsbruksplaner kräver vanligtvis omfattande fältmätningar för att samla in aktuella data om skogen. En ny metod för att uppdatera skogsbruksplaner har utvecklats av skogsägarföreningen Södra och Field Sweden AB, vilken minskar behovet av manuella fältmätningar. En studie genomfördes för att utvärdera noggrannhet och tillförlitlighet i den nya metoden. Studien indikerade högre noggrannhet i skattningar av volym, grundytevägd medeldiameter och grundytevägd medelhöjd i laserbaserad skogsbruksplan jämfört med konventionell skogsbruksplan. Grundyta var den variabeln som erhöll högst noggrannhet via konventionella skattningar. Metoden bedömdes tillförlitlig, dock bör vidare studier utföras för att säkerställa noggrannhet och tillförlitlighet i laserbaserade skattningar innan metoden implementeras på hela skogsinnehav.

I dagsläget står det svenska kraftnätet inför en stor utmaning om det ska kunna klara av att tillgodose Sveriges växande elbehov. Stora delar av kraftnätet måste förnyas samtidigt som det byggs ut. Vid projektering av nya kraftledningsgator måste geografisk information samlas in för att kunna planera arbetet och representera de möjliga kraftledningsgatorna som höjdmodeller. Det är då viktigt att denna data är korrekt. LiDAR-data är ett bra alternativ då det kan ge en bra bild av marken trots vegetation som kan befinna sig i en eventuell kraftledningsgata. I dagsläget används antingen Lantmäteriets Nationella Höjdmodellen (NH-modellen), eller så genomförs en luftburen laserskanning med hjälp av flygplan. Då NH-modellen ibland kan upplevas som otillräcklig på grund av sin låga upplösning, samtidigt som luftburen laserskanning kan vara kostsamt både ekonomiskt och ur en miljösynpunkt är det intressant att utforska alternativa metoder.    Syftet med detta examensarbete är att genomföra en jämförelseanalys av höjdmodeller genererade med LiDAR-data insamlade med UAV och flygplan för att få svar på vad som väsentligt skiljer dem åt och ifall LiDAR-data insamlat med UAV kan vara ett alternativ till LiDAR-data insamlat med flygplan. Detta görs tillsammans med företagen Nektab och Swescan för att undersöka möjligheterna att kunna erbjuda en ny produkt till sina kunder och uppdragsgivare. Ett tidigare projekterat område utanför Horndal i Dalarna, undersöktes då det fanns tillgängliga LiDAR-data från en tidigare luftburen laserskanning gjord med flygplan. LiDAR-data samlades in med drönare med två olika skanningsmetoder, repetitive och non-repetitive, den 3:e maj 2023. Bearbetning av punktmolnet genomfördes i DJI Terra och Terrasolids programvaror Terrascan och Terramatch. Kvalitetsberäkningar genomfördes i Excel. Höjdmodeller skapades i Esris Arcmap 10.8 och analyser gjordes för att jämföra de olika höjdmodellernas höjdvärden, lutning samt profiler.     Punktmolnen genererade med UAV-LiDAR hade en lägesnoggrannhet i höjd som uppfyllde kraven för HMK-standardnivå 3, och punktmolnet genererat med skanningsmetoden non-repetitive hade en bättre lägesnoggrannhet i höjd än punktmolnet genererat med flygplans-LiDAR. Skillnaderna som kunde upptäckas mellan de olika höjdmodellerna var små och påverkades både av skillnader i klassning och insamlingsmetod. Slutsatsen som drogs är att insamling av LiDAR-data med UAV och generering av kvalitativa höjdmodeller med dessa data är fullt möjligt för mindre områden så som det i det här arbetet. / The Swedish power grid is currently facing a big challenge if it’s going to be able to meet Sweden’s growing demand for electricity. While large parts of the power grid must be updated, there also needs to be a big expansion. When planning new corridors for the powerlines, geographical information must be collected to be able to visualize said corridors as Digital Elevation Models (DEMs) and it is thus important that the data is correct. LiDAR-data is a suitable alternative for this as it can represent the ground well despite any vegetation that might be present in the planned corridor. Currently open-source data from the Swedish National Land Survey, the National Elevation Model (the NH-model), is often used, or the area is mapped with airborne laser-scanning from a plane. However, the NH-model is sometimes not a suitable alternative due to its low resolution, while airborne laser-scanning can be both environmentally and economically costly. It is therefore interesting to explore alternative methods.    The aim of this bachelor thesis is to conduct a comparative analysis between DEMs generated by LiDAR-data collected by UAV and by plane to see where they differ, and if LiDAR-data collected by UAV is a potential alternative to LiDAR-data collected by plane. This will be done in collaboration with Nektab and Swescan to explore the possibility of being able to offer a new product to their customers and clients. A previously planned area outside the Swedish town of Horndal in the county of Dalarna, was used due to already existing plane-collected LiDAR-data. LiDAR-data was collected with an UAV through two different scanner-methods, repetitive and non-repetitive, on the 3rd of May 2023. The processing of the pointclouds were performed in DJI Terra and Terrasolids software Terrascan and Terramatch. Quality calculations and control was done in Excel. DEMs were created in Esris software Arcmap 10.8 and different analyses were performed to compare the DEMs elevation, slope, and profiles.    The point clouds generated from the UAV-LiDAR had a positional accuracy equivalent to the Swedish HMK-standard level 3, and the pointcloud generated from the non-repetitive­ scanner-method had a better positional accuracy for the z-value than the pointcloud generated from the plane-LiDAR. The differences between the DEMs were small and were caused both by difference in classification of the point clouds and collection method. The conclusion is that collection of LiDAR-data through UAV and the generation of high quality DEMs from this data is fully possible for smaller areas such as the one in this thesis.

En digital terrängmodell (DTM) representerar endast markytans form och har en bred användning inom t.ex. samhällsplanering. Det finns olika framställningsmetoder för att skapa en DTM, där de mest använda metoderna är mark- eller flygburen laserskanning samt terrester- eller satellitbaserad mätning. Flygburen laserskanning (FLS) använder sig av tekniken LiDAR (Light Detection And Ranging) där avstånd mäts med laser. Lantmäteriet påbörjade ett projekt 2009, vilket gick ut på att laserskanna hela Sverige med FLS och projektet blev klart 2019. Resultatet blev Laserdata NH (Nationella Höjdmodellen) med en lägesnoggrannhet i höjd på 0,1 m. Syftet med studien är att kontrollera mätosäkerheten för Laserdata NH samt undersöka om den kan ersätta terrestra mätningar, t.ex. GNSS vid skapande av DTM:er. Studieområdet är ca 0,85 ha och består av en gräsyta omgiven av grusvägar. Området är beläget i Teknikparken, Gävle. För att se ifall Laserdata NH kan ersätta GNSS-mätningar skapades en DTM från Laserdata NH samt en DTM från mätningar med NRTK-GNSS. Alla inmätningar följde de krav och toleranser vilka specificeras i SIS-TS 21144:2016. För att kunna kontrollera mätosäkerheten för Laserdata NH mättes kontrollprofiler in, vilka agerade som referens. Kontrollprofilerna användes även som referens när de båda DTM:erna jämfördes mot varandra. Max- och min avvikelse, medelavvikelse, standardosäkerhet samt RMS räknades ut på varje enskild profil, per markyta och för de två modellerna. Beräkningarna utfördes för att se ifall värdena låg för högt eller för lågt i någon del av ett område samt för att kunna se sannolikheten för systematiska avvikelser. En statistisk analys utfördes för att se ifall det finns någon skillnad mellan DTM och kontrollprofilernas medelavvikelse. Resultatet visade att det fanns en statistisk signifikant avvikelse på medelavvikelsen mellan DTM skapad av Laserdata NH och kontrollprofiler för både grus- och gräsytorna. Detta innebär att Laserdata NH inte kan ersätta NRTK-GNSS på öppna, jämna gräsytor eller plana grusytor. Kontrollerna av de två DTM:erna klarar toleranserna enligt SIS-TS 21144:2016 och anses vara tillförlitliga. Studien kom till slutsatsen att Laserdata NH kan användas utan komplettering till översiktliga planeringar. Detaljerade analyser med Laserdata NH behöver dock kompletteras med ytterligare mätningar eller ortofoto för att erhålla mer trovärdiga resultat. / A Digital Terrain Model (DTM) only represent the surface and has a broad application within, for example, community planning. There are different ways of producing a DTM, with the most common methods being ground- or airborne laser scanning and terrestrial- or satellite based measurement. Airborne laser scanning (ALS) uses the technique LiDAR (Light Detection and Ranging) which measures distances with laser. Lantmäteriet, the Swedish cadastral mapping and surveying authority, began in 2009 with a project to scan entire Sweden with ALS and was finished in 2019. The outcome of the project was a new national height model that is called Laserdata NH with a positional accuracy of 0,1 m in height. The purpose of this bachelor thesis is to study the uncertainty of Laserdata NH and to investigate if it can replace terrestrial measurements, for example replacing Laserdata NH with GNSS mapping. The study area is approximately 0,85 hectares and consists of a grassland area surrounded by gravel paths. The area is located in Teknikparken, Gävle. To see if Laserdata NH can replace GNSS-measurements a DTM was created from Laserdata NH as well as a DTM created from measurements with NRTK-GNSS. All measurements followed the requirements and tolerances according to SIS-TS 21144:2016. To control the uncertainty for Laserdata NH, control profiles were measured, which acted as a reference. The control profiles were also used as a reference when comparing the two DTMs. Max and min deviation, mean deviation, standard deviation and RMS were calculated for each profile, per ground area and using two models. The calculations were performed to see if the values were too high or too low in any part of an area and to be able to see the probability of systematic deviations. A statistical analysis was performed to see if there were any difference between the DTM and the mean deviation of the control profiles. The result showed that there was a statistic significant deviation on the mean deviation between the DTM created by Laserdata NH and the control profile for both the gravel and the grass surface. This means that Laserdata NH cannot replace NRTK-GNSS on open, plain grass or gravel surfaces. The controls of the two DTMs are within the tolerances according to SIS-TS 21144:2016 and are considered reliable. The study concluded that Laserdata NH can be used without supplement to do general plans. However, for detailed analysis Laserdata NH needs to be supplemented with additional measurements or orthophoto.

Tesis por compendio / [ES] Esta tesis aborda el desarrollo de métodos de procesado y análisis de datos ALSFW para la caracterización de la estructura vertical del bosque y, en particular, del sotobosque. Para responder a este objetivo general, se establecieron seis objetivos específicos: En primer lugar, se analiza la influencia de la densidad de pulso, de los parámetros de voxelización (tamaño de vóxel y valor de asignación) y de los métodos de regresión sobre los valores de las métricas ALSFW y sobre la estimación de atributos de estructura del bosque. Para ello, se redujo aleatoriamente la densidad de pulsos y se modificaron los parámetros de voxelización, obteniendo los valores de las métricas ALSFW para las diferentes combinaciones de parámetros. Estas mismas métricas ALSFW se emplearon para la estimación de atributos de la estructura del bosque mediante diferentes métodos de regresión. En segundo lugar, se integran métodos de procesado y análisis de datos ALSFW en una nueva herramienta llamada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que incluye los procesos de recorte, corrección radiométrica relativa, voxelización y extracción de métricas a partir de los datos ALSFW, así como nuevas métricas descriptoras del sotobosque. En tercer lugar, se evalúa la influencia del ángulo de escaneo utilizado en la adquisición de datos ALS y la corrección radiométrica en la extracción de métricas ALSFW y en la estimación de atributos de combustibilidad forestal. Para ello, se extrajeron métricas ALSFW con y sin corrección radiométrica relativa y empleando diferentes ángulos de escaneo. En cuarto lugar, se caracteriza la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque empleando y comparando tres tipos diferentes de láser escáner (ALSFW, ALSD y láser escáner terrestre: TLS, por sus siglas en inglés), determinando así sus limitaciones en la detección de material vegetativo en dos ecosistemas forestales diferenciados: el boreal y el mediterráneo. Para cuantificar la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque se propone un nuevo parámetro, la tasa de reducción del pulso, basada en el porcentaje de haces láser bloqueados antes de alcanzar una posición dada. En quinto lugar, se evalúa la forma en que se detectan y determinan las clases de densidad de sotobosque mediante los diferentes tipos de ALS. Se compararon los perfiles de distribución vertical en los estratos inferiores descritos por el ALSFW y el ALSD con respecto a los descritos por el TLS, utilizando este último como referencia. Asimismo, se determinaron las clases de densidad de sotobosque aplicando la curva Lorenz y el índice Gini a partir de los perfiles de distribución vertical descritos por ALSFW y ALSD. Finalmente, se aplican y evalúan las nuevas métricas ALSFW basadas en la voxelización, utilizando como referencia los atributos extraídos a partir del TLS, para estimar la altura, la cobertura y el volumen del sotobosque en un ecosistema mediterráneo. / [EN] This thesis addresses the development of ALSFW processing and analysis methods to characterize the vertical forest structure, in particular, the understory vegetation. To answer this overarching goal, a total of six specific objectives were established: Firstly, the influence of pulse density, voxel parameters (i.e., voxel size and assignation value) and regression methods on ALSFW metric values and on estimates of forest structure attributes are analyzed. To do this, pulse density was randomly reduced and voxel parameters modified, obtaining ALSFW metric values for the different parameter combinations. These ALSFW metrics were used to estimate forest structure attributes with different regression methods. Secondly, a set of ALSFW data processing and analysis methods are integrated in a new software named WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction), including clipping, relative radiometric correction, voxelization and ALSFW metric extraction, and proposing new metrics for understory vegetation. Thirdly, the influence of the scan angle of ALS data acquisition and radiometric correction on the extraction of ALSFW metrics and on modeling forest fuel attributes is assessed. To do this, ALSFW metrics were extracted applying and without applying relative radiometric correction and using different scan angles. Fourthly, signal occlusion is characterized along the vertical forest structure using and comparing three different laser scanning configurations (ALSFW, ALSD and terrestrial laser scanning: TLS), determining their limitations in the detection of vegetative material in two contrasted forest ecosystems: boreal and Mediterranean. To quantify signal occlusion along the vertical forest structure, a new parameter based on the percentage of laser beams blocked prior to reach a given location, the rate of pulse reduction, is proposed. Fifthly, the assessment of how understory vegetation density classes are detected and determined by different ALS configurations is done. Vertical distribution profiles at the lower strata described by ALSFW and ALSD are compared with those described by TLS as reference. Moreover, understory vegetation density classes are determined by applying the Lorenz curve and Gini index from the vertical distribution profiles described by ALSFW and ALSD. Finally, the new proposed voxel-based ALSFW metrics are applied and evaluated, using TLS-based attributes as a reference, to estimate understory height, cover and volume in a Mediterranean ecosystem. / [CA] Aquesta tesi aborda el desenvolupament de mètodes de processament i anàlisi de dades ALSFW per a la caracterització de l'estructura vertical del bosc i, en particular, del sotabosc. Per a respondre a aquest objectiu general, s'establiren sis objectius específics: En primer lloc, s'analitza la influència de la densitat de pols, dels paràmetres de voxelització (grandària de vóxel i valor d'assignació) i dels mètodes de regressió sobre els valors de les mètriques ALSFW i sobre l'estimació dels atributs d'estructura del bosc. Per a això, es reduí aleatòriament la densitat de polsos i es modificaren els paràmetres de voxelització, obtenint els valors de les mètriques ALSFW per a les diferents combinacions de paràmetres. Aquestes mètriques ALSFW s'empraren per a l'estimació d'atributs de l'estructura del bosc mitjançant diferents mètodes de regressió. En segon lloc, s'integraren mètodes de processament i d'anàlisi de dades ALSFW en una nova eina anomenada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que inclou el processos de retallada, correcció radiomètrica relativa, voxelització i extracció de mètriques a partir de les dades ALSFW, així com noves mètriques descriptores del sotabosc. En tercer lloc, s'avalua la influència de l'angle de escaneig emprat en l'adquisició de les dades ALS i la correcció radiomètrica en l'extracció de mètriques ALSFW i en l'estimació d'atributs de combustibilitat forestal. Per a això, s'extragueren mètriques ALSFW amb i sense correcció radiomètrica relativa i emprant diferents angles d'escaneig. En quart lloc, es caracteritza l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc emprant i comparant tres tipus diferents de làser escàner (ALSFW, ALSD i làser escàner terrestre: TLS, per les seues sigles en anglès), determinant així les seues limitacions en la detecció de material vegetatiu en dos ecosistemes diferenciats: un boreal i un mediterrani. Per a quantificar l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc es proposa un nou paràmetre, la taxa de reducció del pols, basada en el percentatge de rajos làser bloquejats abans d'arribar a una posició donada. En cinquè lloc, s'avalua la manera en la qual es detecten i determinen les classes de densitat de sotabosc mitjançant els diferents tipus d'ALS. Es compararen els perfils de distribució vertical en estrats inferiors descrits per l'ALSFW i l'ALSD respecte als descrits pel TLS, emprant aquest últim com a referència. A més a més, es determinaren les classes de densitat de sotabosc aplicant la corba Lorenz i l'índex Gini a partir dels perfils de distribució vertical descrits per l'ALSFW i l'ALSD. Finalment, s'apliquen i avaluen les noves mètriques ALSFW basades en la voxelització, emprant com a referència els atributs extrets a partir del TLS, per a estimar l'alçada, la cobertura i el volum del sotabosc en un ecosistema mediterrani. / Crespo Peremarch, P. (2020). Processing and analysis of airborne fullwaveform laser scanning data for the characterization of forest structure and fuel properties [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153715 / Compendio