Wykorzystanie technologii naziemnego skaningu laserowego w określaniu wybranych cech drzew i drzewostanów

Rozwój technologii pozyskiwania geodanych nabrał w ostatnich latach dużego tempa co skutkuje rewolucyjnymi zmianami w wielu dziedzinach gospodarki, w tym w leśnictwie, gdzie obserwuje się wdrażanie takich rozwiązań jak naziemny skaning laserowy (Terrestrial Laser Scanning; TLS). Pomiary wybranych cech drzew takich jak: wysokość, średnica, zbieżystość i objętości (miąższość grubizny) pnia są przedmiotem badań i wdrożeń. Generowane zbiory danych (chmur punktów) TLS wymagają automatycznego procesu ich przetwarzania. Prezentowana praca dotyczy zastosowania metody TLS w inwentaryzacji lasu, tj. określaniu wybranych parametrów takich jak pole przekroju pierśnicowego drzewa (g), wysokości (h) i w efekcie miąższość pnia (V). Analizie poddano drzewostan sosnowy w Nadleśnictwie Milicz (wydzielenie 236a; wiek 105 lat). Skaning przeprowadzono z 4 stanowisk stosując skaner fazowy FARO LS 880. Dane referencyjne dla średnicy pnia pozyskano tradycyjnymi instrumentami (pierśnicomierz) oraz w oparciu o lotniczy skaning laserowy dla wysokości. Testowano szereg metod i wzorów na obliczenie miąższości grubizny pni 21 drzew, tj.: metodę brył obrotowych (3 różne zestawy par przekrojów: 1.3 /6.0; 2.0/5.0 oraz 2.0/6.0 m nad gruntem) oraz pomiar sekcyjny. Obie bazują na algorytmie określania pola przekroju wycinków pnia metodą otoczki wypukłej. Za referencję przyjęto tzw. wzór empiryczny dla sosny oraz zamiennie pomiar sekcyjny TLS (długość sekcji 0.5m). Stosowano także tradycyjną metodę bazującą na tzw. tablicach miąższości drzew stojących. Wyniki wskazują, iż miąższości uzyskane metodą sekcyjnego pomiaru TLS nie różnią się istotnie statystycznie od stosowanego w praktyce leśnej wzoru empirycznego, a wartości różnic sięgają jedynie 1.5%. W przypadku wzoru na bryły obrotowe, różnice w określaniu miąższości na poziomie powierzchni sięgają od 6.1% (przekroje z wysokości: 2.0/6.0m) do 8.4% (2.0/5.0m;) powodując jej zaniżenie. Wartości maksymalne określone na poziomie pojedynczych drzew różnią się czasem aż o 38.4% (2.0/5.0), co wskazuje na zmienność geometryczną brył pni drzew. Praca potwierdziła przydatność metody pomiaru sekcyjnego TLS oraz potrzebę dalszych prac nad opracowaniem nowych standardów i parametrów w inwentaryzacji lasu oraz konieczność stosowania zautomatyzowanych procesów przetwarzania danych.

The development of geodata acquiring technology has become very fast in recent years and leads to changes in many areas of economy, also in forestry, where new, revolutionary solutions such as terrestrial laser scanning are being implemented. Measurements of such tree characteristics, as the tree height, DBH, taper and the stem volume are subject of a number of studies. Generated sets of data (point clouds) need a chain of automatic processing. This paper describes the application of TLS in forest inventory control, i.e. in determining several parameters such as basal area (g), height (h) and finally the stem volume (V). The 105 years old pine stand in Milicz Forest District was analysed (plot no. 8). Scanning was performed from 4 stations with the use of a FARO LS 880 laser scanner. Reference data were collected using both the traditional instruments (DBH), and airborne laser scanning (h). Several methods and formulas were tested to calculate the stem volume, i.e. methods based on solid of revolution (involving 3 different pairs of cross-sections: 1.3 /6.0; 2.0/5.0 and 2.0/6.0 m above the ground), and sectional measurements. In both methods, the surface area of the crosssections was calculated using the author's algorithm (convex hulls). As the reference, the so-called empirical formula designed for pine was applied, together with volume calculated for 0.5 m sections on TLS point cloud. Traditional methods based on tables with volumes calculated for single trees were also used. The results indicate that volume measurements based on sections do not differ statistically from volumes calculated by means of the empirical formula, while the differences amount to 1.5 % only. As regards the method based on solid of revolution, the differences amount to 6.1% (cross-sections: 2.0/6.0 m, Std. dev 8.0) and 8.4% (2.0/5.0 m) causing the underestimation of the volume. Maximum values, calculated for single trees, are sometimes very high (38.4% for 2.0/5.0 m cross-sections), which indicates geometrical differences in the stem solid. The paper confirmed usability of section measurements within TLS point cloud and the need for further research on defining new standards and parameters for forest inventory control, as well as the necessity of applying automatic algorithms for data processing.