Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

En förutsättning för skoglig planering på alla nivåer är att man har en god uppfattning
om tillståndet i den stående skogen. K
valiten på de beslut som fattas kommer därför
att vara direkt beroende av mängden och kvaliten på den information som samlats in.
Sensorer som radar, lidar och olika typer av digitala kameror används idag med
framgång för fjärranalys där skogen avbildas från ovan. Föreliggande arbete syftar till
att belysa de tekniska förutsättningarna för att utnyttja modem sensorteknik även för
markbaserade mätningar. Detta skulle i så fall öppna möjligheter att automatisera
fångsten av skogliga data som därmed skulle bli kostnadseffektivare samtidigt som
nya typer av data skulle bli tillgängliga.
På ett tidigt stadium valdes följande tekniker ut för att närmare studeras med avseende
på lämplighet att ingå i ett inventeringskoncept:
•
Lidar. Lidar är en laserbaserad teknik för att mäta avstånd och riktning till
objekt. Laserns fördelar gentemot andra typer av sensorer är att mycket hög
vinkelupplösning kan erhållas på signalen. Laser baserade sensorer framstår därför
som mycket lämpliga för olika typer av scanning eller avståndsmätning.
Nackdelen är att laserstrålen måste ha fri sikt för att kunna registrera ett objekt
samt att det i dagsläget handlar om dyr och avancerad teknik.
•
Fotogrammetri i digitala bilder. Om avståndet till objektet i en bild och
kamerans inre geometri är kända kan geometriska mätningar av exempelvis
stamdiametrar göras i bilden. Genom att använda digitala bilder och bildanalys
borde det vara möjligt att skapa program som mer eller mindre automatiskt
detekterar och mäter diametrar på de stammar som är synliga i en bild.
Objektavstånden tas lämpligen ut genom separat avståndsmätning med lidar eller
genom stereomatchning av två eller flera bilder.
•
Radar. Radarsignalen använder betydligt lägre frekvenser än laser, vilket ger
den intressanta egenskaper i skogsuppskatt
ningssammanhang då man kan se
igenom objekt mindre än halva våglängden. Nackdelen med lågfrekventa signaler
är att man får en för dålig vinkelupplösning om man försöker att genom scanning
ta ut vinkel och avstånd till de enskilda stammarna. Radar verkar däremot vara en
mer framkomlig väg om man avser att hämta information ur den totala
retursignalen. En viss uppfattning om diameter fördelningen skulle i så fall kunna
fås genom att studera skillnaden i retursignalen från olika våglängder.
•
Ultraljud. Ultraljud kan användas enligt samma principer som radar. Fördelarna
med ultraljudssensorer är att det finns enkla och billiga standardkomponenter.
Nackdelen är att signalen dämpas under fården genom luften och måste därför
kalibreras för förändringar i luftens temperatur och fuktighet. Inventeringens uppläggning har också betydelse för de olika teknikernas
användbarhet. Om man inventerar enligt principen för tvåfassampling ställs olika krav
på utrustningen beroende på om det är det stora primära samplet eller det mer
noggranna sekundära samplet man samlar in. Vid insamlingen av det primära samplet
försöker man samla in stora mängder data som är korrelerat med den variabel som
man önskar mäta för att få ett så lågt representativt fel som möjligt. Generellt kan man
därför säga att kvantiteten data är viktigare än kvaliteten på det samma vid insamling
av det primära samplet. Detta gör att tekniker som samlar in data kostnadseffektivt
men med låg precision blir intressanta, exempelvis radar och ultraljuds sensorer som
registrerar ekon kontinuerligt medan utrustningen förs längs en linje. Om man
däremot vill mäta in det sekundära samplet med sensorer krävs utrustning som mäter
med hög precision på den enskilda provytan, vilket talar för tekniker som lidar och
fotogrammetri i digitala bilder. Ett kanske mer realistiskt alternativ är annars att
inventera det primära samplet med automatiska kostnadseffektiva metoder medan det
sekundära samplet mäts in med traditionella manuella metoder.

This MSc thesis was done at the Department of Forest Resources and Geomatics SLU,
Umeå during the fall 1996 and spring 1997.
A requirement for accurate forestry planning at all levels is knowledge about the
condition of the forests today. The quality of the decisions made will therefore be
proportional to the quality and amount of information collected.
Sensors like radar, lidar and different types of digital cameras are today used quite
successfully for remote sensing from aircraft or satellites. The purp ose of the thesis is
to make a feasibility-study about ground-based use of these kinds of sensors in order
to rationalise and improve forest inventory work.
Following techniques where selected for a closer study oftheir qualities as ingredients
in an inventory concept:
•
Lidar. Lidar is an abbreviation for light detection and ranging and is a laser­
hased technique to measure distance and reflection of an object. Compared to
other kinds of sensors the lidar has a very high angular resolution. Therefor it is
well suited for scanning and ranging where high accuracy is required. The
disadvantage of the method isthat a clear sight to the object is needed and that the
technique must still be considered advanced and expensive.
•
Photogrammetry in digital images. If the distance to the object and the
intemal geometry of the camera is known for an image, measurements of for
example tree diameters or the shape of the whole trunk can be made. By using
digital pietmes and image processing it seerus possible to develop programs that
more or less automatically detects and measure the desired variables.
•
Radar. The radar-based sensors are using much lower frequencies than the
laser. This gives radar the characteristic of being able to see through objects half
the size of the wavelength or less. This could be very valuable if radar are
supposed to be used for forest inventory work since there will be a problem with
undergrowth covering stems if methods that demands visual sight will be used.
The disadvantage with using the appropriate wavelengths is that the angular
resolution will be to low for scanning where the purpose is to measure each stem
individually. If on the other hand the total sum of the signals in a seanned sector is
analysed in order to extract information about the standing volume, radar seems
like a very feasible technique for developing an effective forest inventory concept.
•
Ultras
o nie. Ultrasonic can be used by the same theories as for radar. The
advantage for ultrasonic compared to radar is that there is a supply of
comparatively cheap and simple standard components. The disadvantage is that
how much the signal will be reduced while transmitting through the air depends to
a high grade of the atmospheric humidity and temperature, which means that
calibration must be made. Another negative characteristic of ultrasonic is that the
signal is sensitive for wind. The methods of in
ventory used al so have an effect on the feasibility of the techniques.
If double sampling is used there will be different requirements for the equipment
depending on if it is data from the large primary sample or the more accurate
secondary sample being collected. When collecting the primary sample i
t' s necessary
to collect a large amount of data to prevent errors that originates from the
representation of the population. The quality of the collected data will therefore be
less important. This means that techniques that collects large arnounts of data with
high cost-efficiency but lacks in precision will be interesting, for example radar or
ultra-sonie sensors that collects data continuously while moving. On the other hand if
the purpose is to collect the secondary sample, equipment that measures with high
accuracy, like lidar or photogrammetry in digital pictures will be required. Another,
maybe more realistic alternative, is to use a cost-efficient sensor-hased technique to
collect data from the primary sample and then use traditional manual circular plot
sampling for the secondary sample.